INTRODUCCIÓN

El requerimiento hídrico, se define como la cantidad de agua que necesita ser suministrada al cultivo para compensar las pérdidas por evapotranspiración (ET) (^{Allen et al. 2006}); sin embargo, este requerimiento es diferente durante cada fase de desarrollo de la planta, principalmente, por la estructura aérea de la planta o dosel, el tipo de raíces y las condiciones atmosféricas de la zona, de esta forma, la interacción entre la planta, el suelo y la atmósfera, determina la ET (^{Drerup et al. 2017}). Es por esto que, cuantificar las necesidades hídricas del cultivo por medio de la estimación de la ET es fundamental para aplicar el agua, necesaria al cultivo y hacer un uso eficiente del recurso hídrico (^{Alam et al. 2018}; ^{Anderson & French, 2019}).

La evapotranspiración del cultivo (ET_c), se puede determinar utilizando la metodología que ha sido estandarizada por la FAO-56 y descrita por ^{Allen et al. (2006)}, que emplea la evapotranspiración de referencia (ET_o) y el coeficiente de cultivo (K_c). Esta metodología ha demostrado que proporciona precisión y confiabilidad de, aproximadamente, el 95 %, en las estimaciones diarias de ET_c y en la determinación de las necesidades hídricas de los cultivos (^{Allen & Pereira, 2009}); además, se considera dentro del enfoque FAO-56, que los valores de ET_c son precisos, cuando se cuenta con los datos de las condiciones físicas del suelo y los reportes del seguimiento agronómico del cultivo (^{Olivera-Guerra et al. 2018}).

Por otra parte, ^{Bispo et al. (2022)} y ^{Pereira et al. (2015)} definen el K_c como una relación entre la ET_c y ET_o y este coeficiente lo describen como un indicador de la demanda hídrica del cultivo y se deriva de las características físicas de la vegetación y de las condiciones climáticas de la zona (^{Ko et al. 2009}); asimismo, el coeficiente se puede hallar con un enfoque único (K_c), que tiene en cuenta las pérdidas por evaporación del suelo y transpiración de la planta o también como un enfoque doble, donde se divide el K_c en el coeficiente basal de cultivo (K_cb) y el coeficiente de evaporación (K_e); el K_cb, se observa cuando la superficie evaporable del suelo es cero, lo cual, indica que representa solo la variación de la transpiración de la planta (^{Abrisqueta et al. 2013}); sin embargo, ^{Fenner et al. (2016)} afirman que K_c y K_cb tienen un comportamiento muy similar durante las fases de desarrollo del cultivo (inicial, media y final); por otro lado, K_cb varía por la altura de la planta, la fracción cubierta del suelo, el número de hojas, el funcionamiento de los estomas, la radiación de la superficie y la humedad en la zona radicular (^{Jamshidi et al. 2020}; ^{López-Urrea et al. 2009a}).

En estudios, como el de ^{Pôças et al. (2020)}, se presentan resultados significativos, que demuestra la estimación del K_cb y la programación de riego, basados en técnicas de teledetección (TT); estas TT, para el estudio de la vegetación, se basan en la respuesta espectral de las hojas, cuyas características varían por la morfología y la fisiología de cada especie (^{Calera et al. 2017}; ^{De la Casa et al. 2018}). De acuerdo con ^{Odi-Lara et al. (2013)}, existe una fuerte relación entre las características biofísicas del cultivo (área foliar, biomasa, altura y K_cb) con la respuesta espectral de la vegetación. Por otro lado, aplicar las TT para el monitoreo de la vegetación resulta ser un método eficiente en la toma de datos temporales, de tal forma, que las metodologías basadas en teledetección permiten estimar las necesidades hídricas de la planta, mediante el uso de índices de vegetación (IV), que se relacionan ampliamente con el coeficiente de cultivo (^{Campos et al. 2017}; ^{Er-Raki et al. 2010}). Por otra parte, estudios han demostrado que las relaciones K_cb-IV apoyadas con un balance de agua en el suelo establecen una combinación operativa para realizar modelos de programación de riego en diferentes tipos de cultivos, a escala regional y de campo (^{Garrido-Rubio et al. 2020}; ^{Pôças et al. 2015}; ^{Reyes-González et al. 2018}; ^{Toureiro et al. 2017}). Esta relación K_cb-IV, usando sensores remotos, el seguimiento de variables meteorológicas y la metodología FAO-56, han establecido estimaciones precisas de la ET_c y los requerimientos hídricos del cultivo (^{Campos et al. 2017}; ^{Odi-Lara et al. 2016}; ^{Ortiz & Torres, 2018}).

Otro enfoque de uso común es obtener los valores K_cb mediante el seguimiento de la fracción de cobertura vegetal (Fcv), con fotografía en el visible (^{Chianucci, 2016}; ^{Song et al. 2015}); por consiguiente, algunas investigaciones han demostrado resultados confiables con el enfoque K_cb-Fcv; por ejemplo, se tienen las aproximaciones de ^{López-Urrea et al. (2009b}; ²⁰¹²; ²⁰¹⁶) y ^{Trout & DeJonge (2018)}, en diversos cultivos; por tanto, la relación K_cb-Fcv puede ser usada para estimar las necesidades hídricas, en gran variedad de cultivos (^{Chianucci et al. 2018}).

Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue estimar la curva de coeficiente basal del cultivo (K_cb) de frijol (Phaseolus vulgaris), variedad “Diacol Calima” G4494, a partir de la fracción de cobertura vegetal (Fcv), utilizando imágenes fotográficas a baja altura. Este trabajo, se presenta como una metodología sencilla que adapta los valores de K_cb de FAO-56 a condiciones de campo.

MATERIALES Y MÉTODOS

Este estudio, se realizó en el Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT), en Palmira - Valle del Cauca, Colombia, N3°32’21,98” O 76°18’ 12,99”, 969 m s.n.m., entre septiembre y diciembre de 2019, temporada de altas precipitaciones.

Para este trabajo, se sembró un cultivo de frijol variedad “Diacol Calima”; el período de estudio tuvo una duración de 94 días y comprendió desde el 26 de septiembre hasta el 27 de diciembre de 2019. Para el estudio, se consideraron las diferentes etapas fenológicas del cultivo, presentadas en la tabla 1. Para el experimento, se utilizó una parcela de 236 m², donde se establecieron 5 surcos de siembra de 52,4 m de longitud y 0,5 m de ancho; la separación entre surcos fue de 0.9 m; la separación entre plantas fueron 10 cm, con lo que se obtuvo una densidad de plantas de 111.000 plantas ha^-1; para minimizar las pérdidas por evaporación, se utilizó acolchado plástico color plata/negro.

Por otra parte, el suelo para la siembra fue preparado con una mezcla de materia orgánica en proceso de humificación (humus de lombriz), arena y turba de coco, metodología usada por el Programa de Recursos Genéticos (PRG), del CIAT. El suelo resultante corresponde a una textura arcillosa, con valores de humedad a capacidad de campo (CC), de 35,5 % y punto de marchitez permanente (PMP), de 22,6 %.

El manejo nutricional lo realizó el PRG del CIAT, mediante fertirrigación semanal, con Hidranova, Calcimit y elementos menores, con una concentración promedio de 2 g l^-1, durante todo el desarrollo del cultivo, hasta los 81 DDS.

Se instaló un sistema de riego por goteo, que compensó la demanda hídrica del cultivo con goteros de 1l h^-1, distanciados a 20 cm entre goteros y con un bulbo de humedecimiento de 20 cm de ancho, aproximadamente; las aplicaciones fueron realizadas de acuerdo con la programación establecida por el PRG del CIAT, para todo el ciclo del cultivo.

Para estimar la necesidad hídrica del cultivo, se utilizó la metodología FAO-56, propuesta por ^{Allen et al. (2006)}. La ETc, se calculó con la ecuación 1.

Donde, ET_c es la evapotranspiración del cultivo (mm), ET_o la evapotranspiración de referencia (mm), K_cb es el coeficiente basal de cultivo (transpiración) y K_e el coeficiente de evaporación de suelo.

Para la estimación de la ET_o, se trabajó con una estación meteorológica de marca DAVIS, instalada sobre una superficie de referencia (pasto), que mide las variables de humedad relativa, velocidad de viento, temperatura del aire y radiación solar, las cuales, se integran en la ecuación de Penman-Monteith, que es proporcionada por la FAO-56, como una de las metodologías más utilizadas para la estimación de la ET_o (^{Pereira et al. 2015}).

La unidad experimental de este estudio fue la parcela de frijol (Diacol Calima), de 236 m². A esta parcela, se le realizó un seguimiento fotográfico (detallado más adelante), para el cual, se definieron cinco puntos al azar, distribuidos a lo largo de la parcela, como se observa en la figura 1. Los puntos de seguimiento, se marcaron con estacas y se mantuvieron fijos, durante el tiempo del cultivo.

El seguimiento, se realizó mediante una campaña fotográfica semanal (13 campañas en total), con una cámara digital Pentax, modelo Optio E85, de 12 megapíxeles, con un sensor CCD de 6,17 por 4,55 mm (sensible a las longitudes de onda del azul, verde y rojo) y un campo de visión de 53,13° (con una distancia focal de 32 mm). En cada uno de los cincos puntos de seguimiento, se tomaron tres repeticiones fotográficas; para la toma de las fotografías, la cámara se instaló en una pértiga de aluminio en forma de “T”, a una altura de 2,86 m del suelo y a una distancia horizontal (brazo), de 1,50 m. Esta altura de la cámara (en la pértiga), se estableció para seguir los tres surcos centrales de la parcela, dejando un surco a cada lado sin fotografiar, para reducir el efecto de borde en el muestreo. El área de muestreo en cada fotografía fue de 7,71 m² (3,20m x 2,41m), aproximadamente. En cada campaña, la pértiga se instalaba en cada uno de los cincos puntos de muestreo definidos, se nivelaba y se tomaban tres fotografías verticales por punto, para un total de 15 fotografías por campaña. La toma de las fotografías, se realizó siempre en horas de la mañana, entre las 10 a. m. y las 12 del mediodía.

Con la herramienta ArcGIS 10.4.1, se realizó el tratamiento de las fotografías, mediante un proceso de clasificación supervisada; esta herramienta permite diferenciar entre los pixeles de plástico, suelo y planta, obteniendo los porcentajes de Fcv, como se muestra en la figura 2. De esta forma, en cada campaña, se obtuvieron 15 datos de Fcv, con los cuales, se determinó el promedio y la desviación estándar, para cada fecha de la campaña de muestreo.

El tratamiento de los datos, se realizó semanalmente para cada campaña hasta la cosecha del cultivo (94 DDS). Luego, para la estimación del K_cb del frijol, se utilizaron varios modelos K_cb-Fcv, reportados en la literatura (Tabla 2). Para este trabajo, se utilizaron ocho aproximaciones matemáticas K_cb-Fcv, para realizar la curva de K_cb-Ajustado y determinar la duración de las etapas. Los valores de K_cb-Ajustado presentados son el resultado del promedio de todas las aproximaciones matemáticas K_cb-Fcv empleadas.

Por último, se realizaron dos modelaciones basadas en la metodología FAO-56, con el fin de observar los efectos del K_cb estimado en el cálculo del requerimiento hídrico del cultivo. En primer lugar, la modelación FAO-56, que adopta la programación de riego y los valores de K_cb del cultivo de frijol descritos por la FAO-56. En segundo lugar, la modelación FAO-56-K_cb-Ajustado, la cual, se basa en la programación de riego por FAO-56 con el K_cb-Ajustado, presentado en la figura 3c.

RESULTADOS Y DISCUSION

Usando los datos meteorológicos de la estación DAVIS, se calculó la ET_o, (^{Allen et al. 2006}), para el periodo del cultivo, como se muestra en la figura 3a. En esta figura, se observa una ET_o promedio de 3,8 mm, un valor máximo de 5,3 mm, a los 2 DDS y un valor mínimo de 2,5 mm, a los 80 DDS; por otro lado, se observa el comportamiento de la precipitación que muestra un ciclo lluvioso, con una lámina total de 256,8 mm, una precipitación máxima diaria de 82,5 mm, a los 6 DDS y una mínima de 0,5 mm, a los 45 DDS.

Por otra parte, en la figura 3b, se muestran los resultados de la evolución de la fracción de cobertura vegetal, obtenida por TT, basadas en el seguimiento fotográfico al cultivo.

Los resultados muestran una Fcv máxima de 93,8 % (42 DDS), correspondiente a la formación de vainas y una Fcv final, 34,6 % (94 DDS). La desviación estándar osciló entre 0,8 y 4,8, presentándose las desviaciones más altas entre las etapas de prefloración y floración (31-37 DDS), así como en cosecha (87-94 DDS), por los cambios de senescencia de las plantas en la última semana.

En la figura 3c, empleando los resultados de Fcv presentados en la figura 3b y los modelos K_cb-Fcv, presentados en la tabla 2, se estimó la evolución real del K_cb del cultivo (K_cb-Fcv, línea azul). En esta figura, también se muestra la curva de K_cb, que presenta la publicación FAO-56 (K_cb-FAO-56, línea roja) y la curva ajustada de K_cb (K_cb-Ajustada, línea verde), deducida de la curva K_cb-Fcv.

Al comparar la curva K_cb-FAO-56 (^{Allen et al. 2006}) con la curva K_cb-Fcv, en la figura 3c, se observó que presentan el mismo patrón de desarrollo vegetativo, pero diferente en la etapa inicial, desarrollo y final, aunque coinciden parcialmente en la etapa media. Esto mostró, la necesidad de trazar una nueva curva de K_cb, la cual, se denominó K_cb-Ajustada. Esta curva K_cb-Ajustada presentó un valor de K_cb de 0,24, en la etapa inicial, de 1,12, correspondiente a la etapa media y de 0,55, en la etapa final o de senescencia, diferentes a los presentados por la curva K_cb-FAO-56 (0,15, etapa inicial; 1,10, etapa media y de 0,25, etapa final). Los valores de K_cb duración de las etapas de la aproximación FAO-56 y la aproximación presentada en este estudio, se presentan en la tabla 3.

Por otra parte, referente a la duración de las etapas de crecimiento mostradas en la tabla 3, los resultados indican que, con respecto a las duraciones presentadas en FAO-56, el cultivo presenta una etapa inicial más corta, con una diferencia de 7 días, mientras que las etapas de desarrollo y medias fueron prácticamente iguales (etapa de desarrollo, un día menor y etapa media y final, un día más). Por lo anterior, se observa que el cultivo de frijol sembrado bajo estas condiciones de campo es más precoz (6 días menos), que el presentado por FAO-56.

Para entender el efecto de la curva de K_cb ajustada en las necesidades hídricas del cultivo, se realizaron las simulaciones FAO-56, con las dos curvas de K_cb. En estas simulaciones, para observar mejor las diferencias en necesidades hídricas (ET_c) de los dos escenarios y el riego aplicado, se eliminó la precipitación registrada durante la etapa de cultivo. Los resultados de las simulaciones, se presentan por etapa en la tabla 3. En términos generales, la ET_c total es muy similar en las dos simulaciones (solo difieren en un 2 %), a pesar de los 6 días de diferencia, en la duración total del cultivo. Las diferencias principales en ET_c, se presentan en la etapa media y final, donde, como consecuencia del K_cb (ajustado) más alto, la ET_c es mayor en la modelación FAO-56-K_cb-Ajustado, lo que indica, que no usar el K_cb-Ajustado, podría conducir a aplicar láminas de riego inferiores a las necesarias durante el llenado del grano, lo que podría generar la reducción de la producción. También, con el K_cb-Ajustado, se puede evitar el exceso de riego en la etapa inicial.

De la presente investigación, se concluye que el uso de la fotografía a baja altura permitió estimar la curva de K_cb-Ajustado para frijol, mediante Fcv y su consiguiente cuantificación de las necesidades hídricas del cultivo, para las condiciones del estudio en el Valle del Cauca. Esta curva de K_cb ajustada mostró diferencias con la curva publicada por FAO-56, en valores de K_cb y duraciones. A pesar de que la duración del cultivo de frijol en las condiciones del estudio, se redujo en 6 días, las necesidades hídricas se mantienen estables, debido a que los valores de K_cb, en las etapas media y final, son más altos, generando mayor consumo de agua del cultivo en estas etapas; sin embargo, esta curva de K_cb, estimada desde Fcv, permite aplicar, de forma precisa, el agua requerida por el cultivo, evitando el estrés del cultivo por bajas aplicaciones o la sobre irrigación en las etapas iniciales, por considerar K_cb más bajos de los reales.

Finalmente, la relación K_cb-Fcv se presenta como una alternativa sencilla, que permite a los agricultores estimar con precisión los requerimientos hídricos del cultivo y así, realizar un manejo eficiente del recurso hídrico.