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Introducción
El consumo de agua en el sector agropecuario se produce principalmente por la transpiración de las plantas y la evaporación de agua del suelo, que se conoce como evapotranspiración (ETc). El riego en la agricultura colombiana, y en general en zonas tropicales, es un riego compensatorio, el cual repone el agua perdida por el sistema suelo-planta que no provee la precipitación local. La cuantificación de las necesidades hídricas de los cultivos para aplicar un riego preciso y oportuno es necesario para hacer un uso eficiente del agua en la agricultura. Una forma de estimar las necesidades hídricas de los cultivos es la metodología FAO-56 (Allen et al., 2006), la cual recoge el efecto de las variaciones climáticas en la ETc. La ETo es la evapotranspiración de una superficie de referencia, la cual suele ser pasto o festuca, y puede ser calculada a partir de datos meteorológicos de una estación meteorológica sobre superficie de referencia usando la ecuación de Penman-Monteith (PM).
La ETo es un parámetro importante para la gestión del recurso hídrico y la planificación del riego (Gao et al., 2016; Trezza, 2008; Wang et al., 2015; Yang et al., 2019), debido a que si la ETo se incrementa como consecuencia del cambio climático (CC), la producción agrícola incrementará su consumo de agua y podría verse afectada por escases de agua (Gao et al., 2017), por lo que, utilizar métodos que permitan una estimación precisa de ETo es de gran interés. Los métodos que son utilizados para la determinación de la ETo pueden ser catalogados como directos e indirectos (Perera et al., 2014)coefficient of determination (R2. Los métodos directos, como los lisímetros, son costosos y requieren personal altamente cualificado. Entre los métodos indirectos está el de PM y el tanque clase A presentados en FAO- 56, siendo el método PM reconocido por la FAO-56 como el método estándar para la estimación de la ETo (Allen et al., 2006), es considerado preciso y es uno de los más utilizados (Dinpashoh et al., 2011; Gao et al., 2016) y, además, ha sido empleado en la evaluación y validación de otros métodos que estiman la ETo (Antonopoulos y Antonopoulos, 2017; Ballesteros et al., 2016; Gocic et al., 2016). Sin embargo, la ecuación de PM puede tener limitaciones debido a la poca disponibilidad de datos meteorológicos (Berti et al., 2014; Trezza, 2008), a pesar de ello, se ha demostrado el buen desempeño del método PM para estimar la ETo (De Alencar et al., 2015; De Lacerda y Turco, 2015; Villa et al., 2006).
Por otro lado, métodos como el tanque clase A también son usados en la determinación de la ETo, ya que han sido utilizados con éxito (Allen et al., 2006). Sin embargo, debido a la gran superficie utilizada por el tanque clase A, algunos investigadores se han tomado la tarea de buscar métodos para estimar la ETo utilizando tanques de menor tamaño (Fernandes et al., 2003). Entre ellos está el cenirrómetro diseñado por el Centro Investigación de la Caña de Azúcar (Cenicaña), el cual es un tanque que fue planteado para programación de riegos de la caña de azúcar donde se integra la relación suelo-planta-atmósfera (Vinet y Zhedanov, 2011) y, a su vez, ha sido empleado con éxito en otros cultivos (Gavilánez-Luna y Farias-Chica, 2019). Además, el cenirrómetro tiene una alta correlación con el tanque clase A (coeficiente de determinación de 0.99) y podría ser utilizado en la determinación de la ETo.
Por otra parte, las casas de malla (CM) podrían ser una opción para contrarrestar los efectos del CC y el uso del agua en la agricultura, debido a que, comúnmente, son utilizadas para proteger los cultivos de las adversidades del clima y prevenir la entrada de aves e insectos que depredan y transmiten enfermedades al cultivo (Castellano S. et al., 2008; Mahmood et al., 2018; Moller et al., 2010; Tanny, 2013), reduciendo así la aplicación de agroquímicos. También, se ha encontrado que variables como la radiación solar y la velocidad de viento se reducen dentro de las CM (Haijun, Cohen, Lemcoff, Israeli, y Tanny, 2015; Tanny, 2013; Teitel et al., 2015). Por otro lado, otros estudios observaron que el parámetro de evapotranspiración disminuía dentro de las CM (Mahmood et al., 2018), por tanto, las necesidades de agua de los cultivos podrían también reducirse (Tanny, 2013).
En el Valle del Cauca se ha observado que los agricultores están empleando las CM como una opción para reducir el uso de agroquímicos y disminuir costos, pero poco se ha investigado sobre el efecto de estas CM en las necesidades hídricas de los cultivos.
El objetivo de este trabajo fue estimar la influencia de las CM en las necesidades hídricas de los cultivos mediante la determinación de la ETo dentro y fuera de estas, usando cenirrómetros y estaciones meteorológicas (cálculo de la ecuación de PM), con el fin de comprobar si la CM es una opción de adaptación al CC mediante un uso más eficiente del recurso hídrico.
Materiales y métodos
Lugar experimental
La investigación se realizó en el Programa de Recursos Genéticos (PRG) del Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT) situado en Palmira, Valle del Cauca, Colombia.
El lugar de ensayo en el CIAT cuenta con coordenadas 3°30.085' N 76°21.170' O a 969 m s.n.m. La precipitación media anual es de 900 mm, temperatura promedio anual 23.5 °C, al medio día la temperatura máxima oscila entre 29-31 °C, en la madrugada la temperatura mínima oscila entre 18-19 °C, el sol brilla cerca de 4 horas diarias en meses lluviosos y 6 horas en meses secos y la humedad relativa media es de 70-76 % (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales-Ideam, 2018).
Materiales y equipos
Para este estudio se emplearon dos estaciones meteorológicas y dos cenirrómetros. La ED (exterior), equipada con un conjunto integrado de sensores de radiación solar, velocidad y dirección de viento, pluviómetro cuyo balancín mide incrementos de 0.2 mm y temperatura y humedad relativa, todo controlado por una consola inalámbrica Vantage Pro 2. La EC (interior) contaba con un sensor de temperatura y humedad relativa (HC2S3); un sensor RM Young 03002-5, que mide la velocidad y dirección de viento con un anemómetro de tres cazoletas y una veleta montados en un mismo brazo; un piranómetro CS300, el cual mide la radiación solar global y tiene una respuesta espectral de 300 a 1000 nm; y, por último, un pluviómetro (TE525MM/TE525M), que mide incrementos de 0.1 mm. Para que los datos de las estaciones fueran comparables, la EC se programó con los mismos tiempos de lectura y registro de datos de la ED.
La toma de datos meteorológicos de las dos estaciones se ejecutó en dos fases, la primera del 15 de junio al 25 de julio del 2019 y la segunda del 9 junio al 30 de septiembre del 2020.
Fase I
Consistió en comparar los datos de las dos estaciones (ED y EC) a campo abierto (Figura 1). En esta primera fase, las estaciones se encontraban sobre la misma superficie de referencia (1300 m2) y con una separación de 14 m entre sí. Una vez realizada la comparación de las estaciones para detectar y corregir posibles diferencias entre los registros de las estaciones, se procedió a la segunda fase.
Fase II
En esta fase se ubicó la EC dentro de la CM (N°3) ubicada a aproximadamente 600 m de la ED. La CM estaba orientada este-oeste, con un área aproximada de 1740 m2 (altura máxima de 6 m, 30 m de ancho y 58 m de longitud) y tanto techo como paredes estaban cubiertas con malla antitrips (pantallas porosas) de 50 mesh. En el interior de la CM se creó una superficie de referencia de 100 m2 sobre la que se ubicó la EC, mientras la ED se mantuvo en el mismo sitio (exterior). Con los datos de la ED y la EC se calculó la ETo usando la ecuación de PM. También, en esta segunda fase, se instalaron dos cenirrómetros (exterior e interior de la CM) con idénticas especificaciones, material plástico de color blanco con 0.294 m de diámetro, 0.375 m de profundidad y pozo de aquietamiento. La medida se realizó con un tornillo micrométrico para determinar el nivel del agua (Figura 2). Debido a la pandemia por Covid-19 y las medidas de aislamiento implementadas durante la etapa de medición, las mediciones del cenirrómetro se realizaron en dos periodos, el primero, de baja frecuencia, dos veces por semana (17 de junio al 11 de agosto del 2020) y el segundo con frecuencia diaria (12 de agosto al 30 de septiembre del 2020).
Con los datos de nivel se calculó por diferencia la evaporación en el cenirrómetro en milímetros.
Procesamiento de datos
El procesamiento de datos se realizó de forma diferente en las dos fases del estudio.
Fase I. Comparación de estaciones (EC y ED) a campo abierto
Se utilizó parte de la metodología realizada por Gattinoni, Boca, Rebella y Di Bella (2011) y Medina, Varela y Velásquez (2017), en la cual mediante correlación lineal, análisis descriptivo y prueba de t-student y f-Fisher se compararon los datos de las dos estaciones meteorológicas, con el objetivo de observar si había diferencias significativas entre los valores de las variables estudiadas. Para determinar estadísticamente si hay diferencias significativas en los datos de las estaciones se estableció el valor de probabilidad (p) con un nivel de significancia del 5 %. Mediante un análisis de consistencia de datos se realizó una corrección a las variables que presentaron diferencias significativas.
Fase II. Comparación de los entornos CM y campo abierto
La comparación entre la evapotranspiración obtenida en CM y en exterior, tanto de las variables meteorológicas registradas por las estaciones, como de la ETo y la evaporación de los cenirrómetros (EVC), se realizó mediante regresión lineal. Para mejorar la precisión de los datos, en las comparaciones de los cenirrómetros se consideraron los días en los cuales no hubo evento de lluvia, debido a la imprecisión en la medición que los eventos de precipitación introducían.
Resultados y discusión
Los resultados se presentarán en el mismo orden y nomenclatura presentados en materiales y métodos siguiendo las fases del estudio.
Fase I. Comparación de estaciones (EC y ED) a campo abierto sobre superficie de referencia
En la comparación de las variables climatológicas registradas por dos estaciones (EC y ED), se observó que la humedad relativa, la velocidad de viento y la radiación solar presentaron correlaciones inferiores al 0.70 y que las variables de temperatura del aire (media [Tmed], máxima [Tmax] y mínima [Tmin]) fueron las de mejor correlación con un r2 de 0.99 (Tabla 1).
Tabla 1 Análisis de regresión Lineal simple y pruebas estadísticas de t-student y f-Fisher sobre las variables de humedad relativa (HR), temperatura del aire (T), velocidad del viento (Vv) y radiación solar (Rs), registradas por la EC y la ED
Por otra parte, en el análisis estadístico, la prueba t-student indicó que las variables de humedad relativa (máxima [HRmax], mínima [HRmin] y media [HRmed]), la velocidad del viento (Vv) y la radiación solar (Rs) de ambas estaciones fueron significativamente diferentes (p<0.05). En cambio, las variables de temperatura del aire (Tmax. Tmed y Tmin) de las dos estaciones no mostraron diferencias significativas (p>0.05).
Por otro lado, la prueba f-Fisher mostró diferencia significativa respecto a la desviación estándar en las variables HRmed, Vv y Rs (p<0.05); por su parte, HRmax, HRmin, Tmed, Tmax y Tmin no presentaron diferencias significativas (p>0.05).
Por otra parte, en cuanto a la comparación de la ETo diaria, calculada con la ecuación de PM, con las variables medidas por las estaciones EC y ED en condiciones de campo abierto, se observó un r2 de 0.818 y una sobrestimación aproximada de la EC respecto a la ED de un 4 % (Figura 3A). Además, en los análisis estadísticos la prueba t-student y f-Fisher mostraron que los valores de ETo de ambas estaciones no presentaban diferencias significativas (p>0.05) a pesar de la baja correlación observada entre algunas de las variables que intervienen en la ecuación de Penman-Monteith (presentadas en la Tabla 1). Sin embargo, cuando se corrigen las variables de HR, Vv y Rs la correlación de la ETo mejora y la diferencia de los datos se reduce (menos del 1 %), como se aprecia en la Figura 3 B. Con esto podemos concluir que las estaciones no presentan problemas en sus sensores y muestran datos similares en ETo, lo que nos permite ir la siguiente fase en la que las estaciones se encuentran en ambientes diferentes (dentro y fuera de la casa de malla).
Fase II. Comparación de los entornos CM y campo abierto
Variables meteorológicas
En la Figura 4 se muestra el comportamiento de las variables meteorológicas evaluadas en el exterior y en el interior de la CM respecto al tiempo. Se observó que la variable de Tmed reportó un aumento de 2.8 % en el interior de la CM con relación a lo observado a campo abierto, con un valor medio de 24.2 °C para CM y 23.6 °C para el exterior. Según Tanny (2013), este aumento en la temperatura no siempre se presenta, ya que en ocasiones la temperatura suele disminuir dentro de la CM debido a que la temperatura es el resultado de la participación de múltiples procesos como la ventilación, la radiación y la evapotranspiración.
Figura 4 Comparación de las variables meteorológicas registradas con una EC (dentro de la CM) y una ED (fuera de la CM). (A) Comparación de la temperatura media (Tmed). (B) Comparación de la humedad relativa media (HRmed). (C) Comparación de la radiación solar (RS). (D) Comparación de la velocidad del viento (Vv).
Por otra parte, HRmed, Vv y Rs presentaron valores inferiores en el interior de la CM a lo largo de toda la campaña. Se observaron promedios de 75.31 % para HRmed, 0.01 ms-1 para Vv y 13.67 MJ m-2 día-1 para Rs en el interior de la CM, mientras que en el exterior fue de 78.31 % para HRmed, 0.61 ms-1 para Vv y 17.88 MJ m-2 día-1 para Rs. Esto nos permite concluir que la CM tiene un efecto importante en las variables meteorológicas, siendo Vv y Rs las variables más afectadas. Estas reducciones de Rs y Vv también fueron vistas por Tanny (2013), en una revisión sobre avances recientes respecto a la utilización de mallas porosas en la agricultura y por estudios realizados en Grecia central oriental (Kitta et al., 2014)in y costa sur del mar de Galilea (Haijun et al., 2015) y, según Mahmood et al., (2018) estas reducciones pueden estar asociadas al color y al tipo de mallas que son utilizadas.
Evapotranspiración de referencia (ETo).
En la comparación del parámetro ETo estimado dentro y fuera de la CM mediante datos meteorológicos con el modelo Penman-Montheit de FAO-56 (Figura 5A) se evidenció una correlación positiva de 0.78 entre las estaciones y una pendiente de 0.80, lo cual demostró que había una disminución de la ETo cercana al 20 % dentro de casa de malla respecto a la de campo abierto. En términos de la ETo diaria, se observó un valor promedio de 2.74 mm en la CM y 3.38 mm en exterior. Dicha reducción de la ETo también fue evidenciada por Haijun Cohen, Lemcoff, Israeli y Tanny en el (2015), además, es próxima a lo reportado por Kitta, Baille, Katsoulas y Rigakis, (2014)in) con un valor de 17 %. Por otro lado, según análisis realizados por Haijun et al., (2015); Kitta et al., (2014); Tanny, (2013) y Teitel et al., (2015), la reducción de la ETo en el interior está relacionada principalmente por las reducciones de la radiación solar y la velocidad del viento, como también se observó en este estudio.
Figura 5 (A) Comparación de la ETo diaria estimada con una meteorológica Campbeíí scientific (EC) ubicada dentro de la CM respecto a una estación meteorológica Daws (ED) a campo abierto. (B) Comparación de la evaporación del cenirrómetro de campo abierto (EVCca) y la evaporación de cenirrómetro de la CM (EVCcm).
Es necesario tener en cuenta que la ETo es la evapotranspiración de una superficie de grama o pasto (superficie de referencia), el método de PM para ETo calcula la evapotranspiración del pasto resolviendo el balance de energía y el modelo de resistencia en esta superficie. Según el modelo FAO-56, la evapotranspiración de los cultivos (ETc) es producto de la ETo y el coeficiente de cultivo (Kc). En este sentido, una reducción en la ETo (si el Kc no varía) indicaría una reducción de la ETc. Ahora bien, no todas las plantas responden igual a los cambios en las variables meteorológicas, algunas se afectan considerablemente, pero otras como la yuca (Manihot estulenta Crantz), responden de manera diferencial a la humedad relativa del aire según la disponibilidad de agua en el suelo, a la temperatura y a la intensidad de luz, afectando la tasa de fotosíntesis sin alterar de manera significativa el rendimiento final del cultivo, sin embargo, se presentan diferencias entre variedades de la misma especie. Esto también se ha encontrado en plantas jóvenes de eucalipto (Eucalyptus granáis W. Hill ex Maiden), las cuales responden a condiciones de temperatura, disponibilidad de agua en el suelo según las condiciones ambientales y el genotipo (De Tafur et al., 2017; El-Sharkawy, 2007, 2009).
De lo anterior se puede inferir que la reducción de la ETo en la CM puede ser una estrategia para un uso más eficiente del agua, sin embargo, la cuantificación del efecto de esta medida en los requerimientos hídricos de los cultivos debe ser posteriormente estudiada para cuantificarla en cada cultivo.
Evaporación de cenirrómetros
En la comparación de la evaporación registrada por los tanques cenirrómetros en la CM y exterior (Figura 5B) se observó un r2=0.98. Sin embargo, la diferencia entre la recta de mejor ajuste y la recta 1:1 es de aproximadamente un 27 %, siendo mayor en el exterior que en la CM. Este es un valor similar al reportado por Haijun et al., (2015), quienes encontraron una diferencia del 44 % con el tanque clase A bajo invernadero con cobertura de polietileno.
La reducción en la evaporación en el cenirrómetro de la CM en comparación con el de campo abierto, corrobora la reducción de la ETo PM a partir de los datos de las estaciones meteorológicas. Esto indica que realmente se presenta una reducción en la demanda hídrica al interior de la CM, lo que permitiría concluir que esta técnica (CM) podría ser utilizada para reducir el consumo de agua en los cultivos, además de ayudar en el control de plagas y su consecuente reducción de uso de agroquímicos.
Conclusiones
Las variables meteorológicas estudiadas se ven afectadas por la CM. En términos generales, en la CM la temperatura se incrementa, mientras que la humedad relativa, la radiación solar y la velocidad de viento se reducen. Este estudio muestra que la implementación de esta casa de malla puede reducir el consumo de agua para el cultivo, debido a que la evapotranspiración de referencia (ETo) dentro de la CM se reduce un 20 %. El método del cenirrómetro confirmó que la casa de malla tiene un efecto positivo en el ahorro del recurso hídrico, ya que la evaporación del cenirrométro se redujo un 27 % al interior de la CM. La reducción del consumo de agua del cultivo presentado en este estudio, ocasionado por la CM, podría sugerir que las CM pueden evaluarse como una opción de adaptación al cambio climático en zonas donde la tendencia de cambio sea la reducción de la oferta hídrica.
