Caracterización de soluciones digitales empleadas en el regadío

Utilizan diferentes bandas del espectro electromagnético para capturar información sobre el estado de los cultivos, contenido de humedad del suelo, el uso del agua, y otros factores ambientales. Son útiles para monitorear grandes extensiones de tierra de forma regular.

A través de estas imágenes, se puede obtener información de la variación de humedad en diferentes partes de la parcela agrícola. Las imágenes pueden mostrar ineficiencias en los patrones de riego existentes, como la distribución irregular del agua, y ayudar a optimizar los sistemas de riego para asegurar una cobertura uniforme.

Cabe resaltar, por su utilidad en el regadío, el NDVI (Normalized Difference Vegetation Index (Rouse et al., 1973). El NDVI puede utilizarse para detectar el estrés hídrico en los cultivos antes de que se manifieste visualmente. Una disminución en los valores de NDVI (sus valores varían entre -1 y 1) puede indicar una necesidad insatisfecha de agua, lo que permite a los agricultores ajustar sus prácticas de regadío para abordar específicamente las áreas que muestran signos de estrés. Esto es particularmente útil en grandes explotaciones donde el monitoreo visual directo no es práctico.

La principal limitación de este índice es que tiende a saturarse cuando la cubierta vegetal es muy densa.

Existen una serie de programa de datos abiertos para la visualización de las imágenes satelitales:

Asimismo, el programa Copernicus ofrece servicios de información basados en datos de observación de la Tierra por satélite (utiliza el satélite Sentinel) y en datos in situ (no espaciales).

Los servicios y los datos de Copernicus se proporcionan a los usuarios de forma gratuita https://www.copernicus.eu/es.

Los drones son vehículos aéreos no tripulados (UAV) de pequeño o mediano tamaño, que deben ser operados por personal cualificado.

Los drones pueden transportar distintos tipos de sensores como cámaras multiespectrales, térmicas, y LiDAR (Light Detection and Ranging), sensores de infrarrojo cercano (NIR). Proporcionan información semejante a la de las imágenes satelitales, aunque se trata de imágenes de alta resolución, y con frecuencia variable, dependiendo de cuándo se realicen los vuelos.

En agricultura pueden tener distintas aplicaciones:

• Los drones equipados con sensores de infrarrojo cercano (NIR) o cámaras térmicas pueden identificar zonas de campo que tienen diferentes niveles de humedad.

• También pueden incorporar sensores capaces de medir indicadores clave de la salud del suelo y del cultivo. Esta información puede ser utilizada para aplicar agua y fertilizantes de manera más eficaz, maximizando la absorción de nutrientes y minimizando el desperdicio.

• En algunos sistemas más avanzados, los datos recopilados por los drones pueden integrarse directamente con sistemas de riego inteligentes. Esto permite que el riego se active automáticamente en áreas que los datos indican que son deficientes en humedad.

Cabe resaltar que el uso de drones está condicionado por una serie de permisos y normativa que requiere de su consulta previa a su utilización.

Estos sensores miden de forma continua la velocidad del flujo de savia en tronco y ramas para estimar de forma indirecta la transpiración. Permiten el cálculo de necesidades hídricas del cultivo basadas en coeficientes de cultivo determinados para las diferentes etapas de desarrollo del cultivo a partir de la estimación de la transpiración.

El funcionamiento de estos sensores consiste en aplicar una fuente de calor constante en la corriente de savia bruta (sensor invasivo) o en su proximidad (sensor externo), mediante una resistencia eléctrica insertada en una sonda y alimentada con una batería. La temperatura en las proximidades de esta fuente se ve afectada por la mayor o menor intensidad del flujo de savia, siendo la pérdida de calor directamente proporcional a este flujo (caudal).

Con dos o más sondas insertadas radialmente en el xilema, se miden las variaciones de temperatura que, con la correlación oportuna, permiten obtener el valor de la transpiración en forma continua y en tiempo casi real. Esta correlación está influida por el tipo de planta y varias variables climáticas (radiación solar, etc.), por lo tanto, hay que calibrar la salida del sensor para que la medida sea proporcional al flujo de savia. Sin calibración, el error en la estimación de la transpiración puede ser del orden del 34 %.

Es necesario desligar el efecto de la demanda evaporativa de la atmósfera de la información de flujo de savia, para obtener información real del estado del cultivo Pueden usarse en cultivos leñosos y algunas plantas herbáceas de tallo grueso y recio (maíz y girasol).

Existen distintos procedimientos para determinar las variaciones de la temperatura en función del flujo de savia. En condiciones mediterráneas, el más adecuado es el método del Cociente Calórico, variante del método del pulso de calor.

Hasta ahora el uso de este tipo de sensores se concentra en el ámbito de investigación y desarrollo siendo muy limitado a nivel comercial.

Miden permanentemente el estado del agua del árbol a través de la variación de presión que el jugo celular de la hoja genera en la pared celular.

El registro diario de la variación de presión en las hojas y la temperatura ambiente, permite conocer si el árbol está correctamente hidratado o estresado por falta de agua, pudiendo incluso discriminar tres estados de la planta:

• Bien regado

• Estrés suave

• Estrés severo

La diferencia de temperatura que existe entre la hoja y el aire está relacionada con el nivel hídrico de la hoja, por lo que se puede usar esta diferencia para medir el estado de agua en las plantas.

Inconvenientes de los sensores cercanos de planta:

• Precisión: Las respuestas que dan este tipo de sensores, a veces, pueden ser similares ante una situación de estrés hídrico, como de exceso de agua. Por este motivo, es necesario recibir información adicional de otro tipo de dispositivos como sensores de humedad de suelo.

• Coste: la instalación de este tipo de dispositivos puede ser costosa, especialmente en grandes extensiones de terrenos.

• Complejidad técnica: La configuración y el mantenimiento de los sensores requieren conocimientos técnicos específicos. Esto puede ser un desafío para los agricultores o técnicos que no estén familiarizados con estas tecnologías.

• Daño y durabilidad: Los sensores en campo están expuestos a condiciones ambientales que pueden dañarlos o disminuir su vida útil, como lluvia, viento, y exposición solar directa.

Recientemente han aparecido en el mercado sensores que permiten controlar el potencial hídrico del tallo en un registro continuo, basado en microtensiómetros.

El microtensiómetro para la monitorización continua del potencial hídrico del tallo de los cultivos frutales proporciona una comprensión mucho mayor de las variaciones en el estado hídrico de la planta, ya que integra el entorno del aire y del suelo, así como la fisiología y el manejo del cultivo (Lakso et al., 2022). La información continua sobre este parámetro mejora significativamente la capacidad de determinar las prácticas de gestión del riego, especialmente en cultivos con déficit hídrico, como la uva de vinificación, o en situaciones en las que la disponibilidad de agua para el riego es limitada. Los datos de seguimiento están disponibles en tiempo real en una plataforma de fácil manejo para los gestores del riego.

Otras innovaciones se están llevando a cabo en Francia con el resultado de las señales eléctricas en las plantas. Se trata del sensor de biointerfaz VS8 para registrar la actividad eléctrica de las plantas. Esta actividad de las plantas permite el intercambio de información en todo el organismo vegetal. Está asociada a la capacidad de adaptarse rápidamente a los estímulos externos, en particular a los factores de estrés ambiental.

Actualmente, se considera que desempeña un papel clave en la adaptación de la planta al estrés biótico y abiótico (empresa Vegetal signal, France).

Permiten medir el contenido volumétrico de agua, información que se utilizará en la programación del riego. Existen diferentes tipos de sensores según su principio de funcionamiento, siendo los más utilizados las sondas dieléctricas (capacitivo, TDR (reflectometría de dominio temporal) y FDR (Reflectometría en el dominio de la frecuencia).

Los distintos tipos de sondas dieléctricas, determinan por diversos procedimientos la constante dieléctrica del suelo (como medio que no posee conductividad eléctrica) La constante dieléctrica de un suelo cambia cuando varía el porcentaje de aire y agua, así los cambios de esta variable están relacionados con el contenido volumétrico de agua.

Proporcionan el contenido volumétrico de humedad del suelo a lo largo del tiempo. Normalmente se utiliza el valor del contenido de humedad registrado a una cierta hora del día para calcular el déficit de agua en el suelo, dato necesario para la programación del riego.

El contenido de humedad del suelo varía con la profundidad, por ello se toman medidas a distintas profundidades para conocer la evolución del contenido de humedad en la zona más superficial, en la zona donde se concentran las raíces del cultivo y en la zona fuera del alcance de las raíces para observar la ocurrencia o no de percolación como se observa en la siguiente figura.

En la imagen anterior puede observarse que el sensor capacitivo es de forma tubular, que permite medir el contenido de humedad a diferentes profundidades, mientras que los otros dos tipos de sensores requieren la instalación de una sonda a cada profundidad que se desee medir. El tipo de suelo y prácticas agrícolas que se realicen en la parcela en la que se instale la sonda, deben tenerse en cuenta a la hora de su elección, siendo cualquiera de ella dispositivos fiables.

Es importante tener en cuenta a la hora de utilizar la información de los sensores de humedad del suelo, que se trata de medidas puntuales del contenido de humedad. Lo ideal sería disponer de al menos una sonda en cada sector de riego. Estos dispositivos son robustos y resistentes a condiciones climáticas adversas, como altas temperaturas y humedad, lo que garantiza su fiabilidad y vida útil prolongada en el campo (pueden utilizarse durante varias campañas).

Están diseñados para ser fáciles de instalar y requerir mantenimiento mínimo, lo que los hace convenientes para su uso en una amplia gama de entornos agrícolas. Para que proporcionen una información adecuada, se aconseja seguir estos criterios de instalación:

• Instalar el dispositivo bajo la vertical de un gotero para monitorizar correctamente el contenido de agua en el suelo tras los aportes de riego.

• En la zona de mayor volumen radicular del cultivo para detectar los cambios de humedad en el suelo debido a la absorción del cultivo. En cultivos leñosos en torno a los ≈ 50 cm.

• A varias profundidades (≈ 15, 30 y 45 cm según el cultivo):

• 15 y 30 cm → disponibilidad de agua para la planta.

• 45 cm → pérdidas por percolación

• Buen contacto con el suelo

• Tener precaución para no alterar estructura del suelo.

Los sensores de potencial matricial del suelo (PMS) son los que miden directa o indirectamente la fuerza con la cual el suelo retiene el agua. Este potencial refleja el estado hídrico del suelo: cuanto más bajo (más negativo) es el valor, mayor es la fuerza con la cual el suelo retiene el agua y viceversa. La función que relaciona el potencial matricial del suelo con el contenido hídrico, se denomina “curva de característica del suelo”. Con esta información es posible determinar el valor de la capacidad de campo y del punto de marchitez permanente del suelo de cultivo y poder calcular con precisión el balance de humedad del suelo y por tanto la dosis de riego.

Permiten identificar el momento del riego, aunque no detectan riegos en exceso. La capacidad de campo, independientemente de la textura o el tipo de suelo es conocida, encontrándose en valores entre los -5 y -33 KPa y el punto de marchitez permanente sobre los -1500 kPa. No todos los equipos que miden potencial matricial sirven para todo tipo de suelos, por eso es muy importante saber en qué rango nos encontramos y elegir bien el equipo adecuado.

Existen distintos tipos de sensores matriciales.

Tensiómetros. El sensor consiste en un tubo lleno de agua con una cápsula de cerámica porosa en uno de sus extremos que se entierra en el suelo a la profundidad de medición deseada; el otro extremo del tubo está conectado a un sensor de presión negativa (vacuómetro).

Cuando el suelo se seca se produce un incremento de la tensión matricial (la lectura absoluta del tensiómetro sube), mientras que cuando se humedece se produce un descenso (la lectura absoluta del tensiómetro baja), pudiéndose alcanzar valores cercanos a cero cuando el suelo se satura de agua. A partir de esta propiedad es posible estimar el contenido de agua en el suelo. Para suelos hortícolas normalmente se utilizan este tipo de sensores, ya que, son suelos que tienen niveles de humedad bastante altos, entre saturación y capacidad de campo, y es más interesante medir la tensión del suelo que la humedad de éste.

Suelen utilizarse en cultivos leñosos o estrategias de riego deficitario controlado, ya que pueden alcanzarse niveles de potencial de -230 KPa. Aplican bien el principio de la resistencia eléctrica variable debidos a los cambios en la humedad del suelo o bien calculan la constante dieléctrica del suelo para determinar la tensión de agua en el suelo.

Miden la salinidad del suelo, que puede afectar la absorción de agua y nutrientes por parte de las plantas.

El Ministerio de Agricultura del Gobierno de España, a través de la Subdirección General de Regadíos e Infraestructuras Rurales, pone a disposición de los usuarios de forma gratuita toda la información recogida a través de la Red de estaciones Agrometeorológicas de SiAR.

Se trata de una infraestructura que captura, registra y divulga los datos climáticos necesarios para el cálculo de la demanda hídrica en las zonas de riego. Aporta información útil, rigurosa y de calidad, que permite a técnicos y agricultores calcular las necesidades de agua de los cultivos y programar sus riegos. Con esta herramienta se puede obtener una mejor planificación, gestión, manejo y control de las explotaciones de regadío para fomentar el ahorro de agua y de energía, y atender las demandas tecnológicas por parte de los profesionales del sector.

Consta de más de 500 estaciones meteorológicas, que representan una cobertura aproximada del 90% de la superficie regable de España y proveen de la información necesaria para la determinación de la evapotranspiración de referencia y el posterior cálculo de las necesidades hídricas de los cultivos en regadío.

Se trata de una red colaborativa que combina estaciones propias del Ministerio y de las 12 comunidades autónomas que participan, las cuales aportan también el contacto directo con el regante, usuario final de la información del sistema. https://eportal.mapa.gob.es/websiar/Inicio.asp

El Centro Operativo e de Tecnologia de Regadio (COTR), en Portugal, ha estado involucrado en la transferencia de tecnología en riego, en servicios relacionados con el uso eficiente del agua de riego. La aplicación de la agrometeorología ha sido una de las grandes áreas de trabajo con el principal objetivo de estimar las necesidades hídricas de los cultivos, ya que se considera es una actividad fundamental para el desarrollo de una agricultura de regadío sostenible y competitiva, buscando no sólo aumentar la eficiencia en el uso del agua, sino también para lograr la mayor precisión posible en la oportunidad de aplicación, respondiendo no sólo a las cuestiones técnicas del sector sino también a las presiones ambientales.

La determinación de las necesidades hídricas de los cultivos tiene dos objetivos principales:

• Dimensionamiento - que normalmente se realiza cuando se planifica implementar el riego. Su objetivo principal es la estimación del consumo anual, con el fin de establecer la superficie máxima regada en relación con la disponibilidad existente, y las necesidades durante el período de punta, que permitan dimensionar la red de riego.

• Gestión (Avisos de Riego) - que normalmente se realiza durante la operación de un área irrigada. Su principal objetivo es determinar, con la mayor precisión posible, la cantidad de agua a aplicar en función del estado fenológico del cultivo. Información básica para crear un servicio de aviso de riego

• Información agrometeorológica de calidad, necesaria para estimar la Evapotranspiración de Referencia de los Cultivos (ETo): temperatura del aire, humedad relativa del aire, velocidad del viento a 2 m y radiación solar global. A estos parámetros se suma la importancia de monitorear las precipitaciones para crear un balance hídrico.

• Cultivo: se utiliza información existente en bases de datos de cultivos (Allen et al., 1998), con caracterización de las principales etapas de desarrollo vegetativo del cultivo (duración) e identificación de los periodos en los que el cultivo es más o menos sensible al estrés. Esta información está ajustada a las condiciones reales de la región.

Para garantizar el servicio de aviso de riego en el Alentejo, el COTR tiene en funcionamiento desde 2001 la red SAGRA (Sistema agrometeorológico para la gestión del riego en el Alentejo), compuesta por 14 estaciones meteorológicas automáticas, que caracterizan las principales zonas de riego del Alentejo.

A partir de información estacional también es posible caracterizar climáticamente una región, lo que puede servir como base para estudiar la adaptabilidad de nuevos cultivos. También es posible desarrollar productos agrometeorológicos como

grados día que indican desarrollo fenológico, unidades frías que son indicador del surgimiento de reposo vegetativo en función de la temperatura promedio horaria y la identificación de fenómenos meteorológicos extremos (trombas de agua, tornados, entre otros).

Paralelamente al servicio de aviso de riego, COTR desarrolló el servicio MOGRA - Modelo de Gestión del Riego para el Alentejo (www.cotr.pt/mogra), apoyado en la red de estaciones meteorológicas automáticas y basado en la técnica del balance hídrico, que permite acceder a un servicio en línea. Servicio de programación de riego de acuerdo con la metodología propuesta por la FAO y utilizando bases de datos de suelos, cultivos y tecnologías de riego. El modelo proporciona un calendario de riego óptimo (la estrategia es regar cuando se acaba el agua de fácil aprovechamiento) y un calendario de riego real permite al usuario visualizar el comportamiento de su gestión del riego, con la introducción de los riegos realizados, y así, decidir en la oportunidad de riego. Para complementar esta información se pueden utilizar equipos de seguimiento de suelos o plantas.

En Francia, existen multitud de redes de estaciones meteorológicas dedicadas a la población, gestionadas por Météo France, pero también dedicadas a la agricultura con Sencrop, una plataforma agrometeorológica conectada a las estaciones meteorológicas locales. Las cooperativas también están creando estaciones meteorológicas colaborativas, y la Union des Coopératives Agricoles de l’Allier (UCAL) cuenta actualmente con más de 40 estaciones conectadas.

La empresa francesa ISAGRI ofrece incluso una plataforma de estaciones meteorológicas agrícolas conectadas, al igual que weenat, que permite a los agricultores seguir el tiempo en directo desde sus parcelas mediante redes meteorológicas conectadas.

Se trata de un sensor que mide el paso de un fluido a través de una superficie. En adelante, solo se hablará de los Caudalímetros que se usan para medir el caudal de agua que pasa a través de una tubería. En redes de riego a presión suelen utilizar los siguientes tipos de caudalímetros:

• Caudalímetros electromagnéticos

• Caudalímetros ultrasónicos

• Contadores mecánicos con emisores de pulsos.

Mide la presión (fuerza por unidad de superficie) que ejerce el agua en un punto de una instalación hidráulica. La unidad de medida de presión en el sistema internacional es el Pascal (N/m2), pero en la práctica se utilizan otras unidades como el bar, la atmosfera o el PSI (libras por pulgada cuadrada).

Los sensores de presión para agua normalmente son transductores, es decir transforman la presión medida por el elemento sensor en una salida análoga eléctrica normalizada y estándar. Principalmente nos encontraremos sensores con salida 4-20 mA ó 0-10 V, aunque últimamente debido a los requerimientos de adaptación para los nodos IoT se están utilizando otras salidas eléctricas: 1-5 V, 0- 5 V, 0,5-4,5 V y salida RS-485 con ModBus. La señal eléctrica proporcionada es análoga al valor de presión medido, menos lo que nos dan el valor por comunicaciones, los transmisores, que nos dan directamente la presión en la unidad elegida.

Los rangos de presión de medida son muy amplios, lo mismo ocurre con las características del sensor como las conexiones eléctricas, conexiones a procesos, tipo de salida eléctrica, tipo de medida, etc. Por lo que en el mercado nos podremos encontrar con multitud de variantes.

El conocimiento de la presión en distintos puntos de una red permite:

• Conocer cómo se está desarrollando el proceso de la distribución e impulsión de agua.

• Mejorar la calidad del riego: si se monitoriza la presión en parcela se podrá obtener la mejor uniformidad en el riego posible al controlar la presión de este.

• Estudio de la eficiencia en la distribución de agua: Con varios sensores podemos determinar las pérdidas de presión que se producen en elementos singulares de la distribución de agua (calderines, filtros, etc.) y en tramos de esta. Con la recopilación de estos datos y su análisis, se puede prever posibles fallos futuros y buscar soluciones y remedios antes de que esto ocurra, minimizar las pérdidas de agua.

• Estudio de la eficiencia de las bombas: Si se monitoriza el rendimiento del sistema de bombeo y se tienen históricos, se puede establecer unos umbrales de eficiencia mínima de forma que si la eficiencia baja por debajo estos valores se generen alarmas y se puedan tomar medidas correctivas.

• Indirectamente se puede medir el nivel de agua en un depósito (sensores de presión hidrostáticos) y también el caudal circulante por una tubería (Medidores de Flujo por presión Diferencial).