Riego de precisión para la eficiencia hídrica en la agricultura Mediterránea

Abstract

[EN] The present Doctoral Thesis is framed around the three axes of the efficient irrigation: water distribution system selection, determination of irrigation water needs and plant water status assessment. The experiment detailed in Chapter II is focused on the selection of the drip irrigation system better adapted to the peculiarities of citrus crops. The possible advantages of subsurface drip irrigation and the installation of irrigation laterals with higher density of emitters per plant were evaluated. Specifically, in the study was assessed the performance of the mandarin (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina') under a surface (SI) and subsurface drip irrigation (SSI) with 7 (SI7, SSI7) or 14 emitters (SI14, SSI14) per plant, as well as a third SS treatment (SSIA), identical to SSI7 but equipped with an additional drip line buried between the tree rows. Treatments were assessed in terms of yield, fruit composition, water productivity (WP) and water savings. Results showed that, on average, water savings were 23.0% in the SSI treatment compared to the SI treatment without significant differences in either yield or fruit composition. SSIA was the treatment with the lowest irrigation volumes and the highest yield. Chapter III proposes a methodology for estimating irrigation water needs for mandarins based on the use of capacitance water content probes (e.f. FDR). The calculation procedure is defined in three sequential parts: i) soil water content thresholds determination adapted to plants requirements for different phenological stages; ii) standardizing measurements from capacitance probes by using a hydrological simulation software to minimize equipment uncertainty; and finally iii) an extrapolation procedure for adapting critical soil water content thresholds to different soil conditions. Validating this strategy in a citrus orchard (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina') a water saving of 26% was reached without significant differences in yield and increasing the WP by 33%. In the experiments described in the Chapter IV a leaf turgor pressure sensor (Yara ZIM-probe) was evaluated as plant water status indicator in order to further asses the possibility to implement water status determinations in a more holistic irrigation scheduling approach. This technology, through a patch of an intact leaf and a pressure transductor, provides a signal (Pp) which is inversely correlated with the turgor pressure. The first experiment was made in Persimmon trees (Diospyros kaki L.f.). The turgor pressure sensor was assessed in an experimental plot with different irrigation doses and rootstocks with different drought tolerance [Diospyros lotus (L) and Diospyros virginiana (V)]. The information provided by the sensor was compared with concomitant measurements of midday stem water potential (¿stem) and trunk diameter variations. Three states of leaf turgor associated with specific plant water status were established from the study of the Pp signal evolution together with the ¿stem. Persimmon trees exhibited the inversed Pp curve phenomena under water stress (maximum values at night). Using the information from the sensors, it was possible to differentiate plant water status between rootstocks, pointing L as the most sensitive to the water deficit. The second experiment was made in mandarin (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina'). Similarly, Pp values were compared with ¿stem measurements. In this case, the curves practically did not suffer inversions when the plant water status was inadequate, but an increase in the minimum and maximum Pp values was recorded at night and at noon, respectively. There was a good correlation between the concomitant hourly spot measurements of ¿stem and Pp that were taken at midday during two drought periods (coefficient of determination, r2 = 0.40 - 0.74). The analysed strategies and technologies have demonstrated that water use efficiency can be optimized at the plot level. Consumptive water use can be reduced using subsurface irrigation systems, achieving net savings in water consumption. By estimating the irrigation dose by means of capacitance soil water content probes, the efficiency in the application of the irrigation is improved and the water losses due to deep percolation are reduced, minimizing the leaching of nutrients and with it, the risk of aquifer contamination. In any case, it would be advisable to study the viability of these proposals in the global and integral context of water resources management at watershed and irrigation district level.

[ES] La presente Tesis Doctoral se enmarca en torno a los tres ejes que requiere cualquier riego para considerarse eficiente: 1) selección del sistema de distribución de agua, 2) determinación de las necesidades de riego y 3) control del estado hídrico de la planta. El ensayo detallado en el Capítulo II se centró en la selección del sistema de riego por goteo que mejor se adaptara a las particularidades del cultivo de los cítricos. Se estudió la respuesta productiva de mandarino (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina') en función de diversos sistemas de riego superficial (SI) y subterráneo (SSI) con 7 (SI7, SSI7) y 14 emisores (SI14, SSI14) por planta dispuestos en doble línea, así como un tercer tratamiento subterráneo (SSIA), idéntico a SSI7, pero equipado con una línea adicional subterránea situada entre filas de árboles. Los resultados mostraron que el ahorro de agua empleando el sistema SSI, en comparación con SI, puede llegar a ser del 23% sin mermas en la producción ni en la calidad de la fruta, incrementando por lo tanto la WP. El sistema SSIA fue el tratamiento que empleó menor volumen de agua de riego y obtuvo mayor rendimiento productivo. En el Capítulo III se propone una metodología de cálculo de las necesidades de riego para mandarinos basada en el uso de sondas de humedad de tipo capacitivo (e.f. FDR). El procedimiento de cálculo se define en tres fases secuenciales: i) determinación de umbrales de humedad de suelo adaptados a los requerimientos de las plantas en distintas fases fenológicas; ii) estandarización de las lecturas de las sondas capacitivas mediante un programa de simulación hidrológica que permita reducir los efectos de la variabilidad intrínseca de los equipos; y, por último, iii) un procedimiento para extrapolar los umbrales de humedad definidos en el trabajo a cualquier parcela con distintas características edáficas. La validación de esta estrategia en una parcela de cítricos (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina') supuso un ahorro de agua del 26% sin reducciones significativas en la producción, mejorando la WP un 33%. En los ensayos descritos en el Capítulo IV se realiza la evaluación de los sensores de turgencia de hojas (Yara ZIM-probe) como indicadores del estado hídrico de la planta. Un primer experimento se realizó en caqui (Diospyros kaki L.f.), evaluando los sensores de turgencia en un ensayo de campo con distintas dosis de riego y portainjertos con diferente tolerancia a la sequía [Diospyros lotus (L) y Diospyros virginiana (V)]. La información que proporcionaba el sensor se comparó con medidas de potencial hídrico de tallo al mediodía solar (¿stem) y variaciones del diámetro del tronco. La evolución del Pp junto con los valores de ¿stem, permitió establecer tres estados de turgencia asociados a estados hídricos concretos. Los árboles insuficientemente regados con ¿stem por debajo de los -0.8 MPa, mostraron curvas Pp con signos de inversión (valores máximos durante la noche). Así mismo, con la información procedente de los sensores, fue posible diferenciar el estado hídrico entre patrones, señalando a L como el portainjerto más sensible al déficit hídrico. El segundo experimento se realizó en mandarino (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina'). Del mismo modo, los valores de Pp se compararon con las medidas de ¿stem. En este caso, las curvas prácticamente no sufrieron inversiones cuando el estado hídrico de la planta era inadecuado, pero sí se determinó un aumento de los valores de Pp mínimos y máximos registrados por la noche y al mediodía, respectivamente. Así mismo, se realizaron dos ciclos de medidas horarias que mostraron que existe una buena correlación entre Pp y ¿stem (coeficiente de determinación, r2 = 0.40 - 0.74). Las estrategias y tecnologías investigadas han demostrado que es posible optimizar la eficiencia del uso del agua en parcela. Con la implementación de sistemas de riego subterráneo se puede reducir el uso consuntivo de agua, obteniendo ahorros netos en el consumo hídrico. Mediante la estimación de la dosis de riego a través de sensores de humedad, se mejora la eficiencia en la aplicación del riego y se reducen así las pérdidas por percolación profunda, minimizando el lavado de nutrientes y, con ello, el riesgo de contaminación de los acuíferos. En todo caso, sería recomendable estudiar la viabilidad de estas propuestas en el contexto global e integral de la gestión de los recursos hídricos a nivel de un distrito de riego y cuenca hidrográfica.

[CA] La present Tesi Doctoral s'emmarca al voltant de tres eixos que requerix qualsevol reg per a considerar-se eficient: 1) selecció del sistema de distribució d'aigua, 2) determinació de les necessitats de reg i, 3) control de l'estat hídric de la planta. L'assaig detallat al Capítol II es centrà en la selecció del sistema de reg per degoteig que millor s'adaptara a les particularitats del cultiu dels cítrics. S'estudià la resposta productiva del mandarí (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina') en funció dels diversos sistemes de reg superficial (SI) i subterrani (SSI) amb 7 (SI7, SSI7) i 14 emissors (SI14, SSI14) per planta disposats en doble línia, així com un tercer tractament subterrani (SSIA), idèntic a SSI7, però equipat amb una línia addicional subterrània col·locada entre fileres d'arbres. L'efecte dels tractaments s'avaluà en xifres de producció, qualitat de la fruita, productivitat de l'aigua (WP) i estalvi d'aigua. Els resultats mostraren que l'estalvi d'aigua amb el sistema SSI poden arribar a ser del 23% en comparació amb SI, sense minves en la producció ni en la qualitat de la fruita, incrementant per tant la WP. El sistema SSIA fou el tractament que emprà menys volum d'aigua de reg i obtingué un major rendiment productiu. Al Capítol III es proposa una metodologia de càlcul de les necessitats de reg per a mandarins basada en l'ús de sondes d'humitat de tipus capacitiu (e.f. FDR). El procediment de càlcul es definix en tres fases seqüencials: i) determinació de límits d'humitat de sòl adaptats als requeriments de les plantes en diverses fases fenològiques; ii) estandardització de les lectures de les sondes capacitives mitjançant un programa de simulació hidrològica que permet reduir els efectes de la variabilitat intrínseca dels equips; i, per últim, iii) un procediment per a extrapolar els límits d'humitat definits al treball a qualsevol parcel·la amb diferents característiques edàfiques. La validació d'aquesta estratègia en una parcel·la de cítrics (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina') suposà un estalvi d'aigua del 26% sense reduccions significatives en la producció, millorant la WP un 33%. Als assajos descrits al Capítol IV es realitza l'avaluació dels sensors de turgència de fulles (Yara ZIM-probe) com a indicadors de l'estat hídric de la planta. Un primer experiment es realitzà en caqui (Diospyros kaki L.f.), avaluant els sensors de turgència en un assaig de camp amb diverses dosis de reg i portaempelts amb diferent tolerància a la sequera [Diospyros lotus (L) i Diospyros virginiana (V)]. La informació que proporcionava el sensor es comparà amb mesures de potencial hídric de tija al migdia solar (¿stem) i variacions del diàmetre de tronc. L'estudi determinà que l'anàlisi visual de les corbes dels valors diaris de Pp és un bon indicador de l'estat hídric de la planta. L'evolució de Pp juntament amb els valors de ¿stem, permeté establir tres estats de turgència associats a estats hídrics concrets. Els arbres insuficientment regats amb ¿stem per baix dels -0.8 MPa, mostraren corbes Pp amb signes d'inversió (valors màxims durant la nit). Així mateix, amb la informació procedent dels sensors fou possible diferenciar l'estat hídric entre patrons, assenyalant a L com el portaempelt més sensible al dèficit hídric. El segon experiment es realitzà en mandarí (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina'). Els valors de Pp es compararen amb les mesures de ¿stem. En aquest cas, les corbes pràcticament no sofriren inversions quan l'estat hídric era inadequat, però sí es determinà un augment dels valors de Pp mínims i màxims registrats a la nit i al migdia, respectivament. Així mateix, es realitzaren dos cicles de mesures horàries que mostraren que existix una bona correlació entre Pp i ¿stem (coeficient de determinació, r2 = 0.40 -0.74 ). Les estratègies i tecnologies investigades han demostrat que és possible optimitzar l’eficiència de l’ús de l’aigua en parcel·la. Amb la implementació de sistemes de reg subterrani es pot reduir l’ús consumptiu d’aigua, obtenint estalvis nets en el consum hídric. Amb l’estimació de la dosi de reg mitjançant sensors d’humitat, es millora l’eficiència en l’aplicació del reg i es reduix així les pèrdues per percolació profunda, minimitzant el llavat de nutrients, i amb això, el risc de contaminació dels aqüífers. En tot cas, seria recomanable estudiar la viabilitat d’aquestes propostes al context global i integral de la gestió dels recursos hídrics a nivell de districte de reg i conca hidrogràfica.