Determinación de la huella hídrica y modelación de la producción de biomasa de cultivos forrajeros a partir del agua en la Sabana de Bogotá (Colombia)

Abstract

[EN] The main objective was aimed at determining the biomass production from water based on water relations, levels of water consumption of the species, and climate variables that affect the formation of biomass and soil present and specifically it focused on two forage crops which were Forage Oats (Avena sativa L.) and ryegrass (Lolium perenne).

The solution to the problem is based on AquaCrop model (FAO) Steduto et al, (2009) which was recently proposed for the determination of both biomass and agricultural production from water transpired by herbaceous species, this is gather scientific and technological advances on the effect of water in the estimation of crop production has been achieved in recent years.

In the present research we have identified key variables AquaCrop model input for the two species mentioned, through field research conducted using the methodology gradient Hanks et al., (1980), and a new methodology proposal for determining water stress.

A total of 18 major experiments were developed to generate the levels of biomass production of forage oats and ryegrass, determining 32 variables or parameters for each crop that requires the model to estimate the biomass produced by the forage and pasture.

The experiments were conducted mainly during the years 2008-2013 in "Centro de Investigación Tibaitatá (CORPOICA)" located in the savannah of Bogota (Colombia). For forage oats were developed five cycles and ryegrass crops three complete cycles, with seven, four and two cuts were made respectively.

Based on the information provided in the field, forage oats and ryegrass crops were calibrated and validated for AquaCrop model reaching adjustments R2=0.92, RMSE=1,86t.ha-1, NRMSE=17.67%, EF=0.91, d=0.97 for forage oat and R2=0.97, RMSE=0,47t.ha-1, NRMSE=13.6%, EF=0.88, d=0.98 for ryegrass. Two synthetic crops were determined one for each specie, which are "prototypes" for estimating biomass by the water use in different conditions of crops.

The total biomass was determined to forage oats at 22.2 t.ha-1 on average with peaks that can reach up to 27 t.ha-1 in the production environment of the savannah of Bogota. For ryegrass total biomass reached levels of up to 9 t.ha-1 on average with peaks that can reach up to 9,9 t.ha-1 for the period from planting to first cut, and 6 t.ha-1 for others cuts. The intrinsic water footprint for fodder oats was determined in 175 L.kg-1 and 442 ryegrass L.kg-1 and 431 L.Kg-1.

As alternative outcomes that support the calibration and validation of the model is also obtained, determining reference evapotranspiration in the region, the curves of Kc, Kcb and Ke determining the intrinsic water footprint of the two species, the development of canopy cover over the phenological cycles of the species studied, the curves of soil moisture and biomass in response to six levels of irrigation and various planting and production functions of both species.

The conservative parameters of forage oats and ryegrass crops were determined like a sample referenced parameters and local variables nonconservative of these species, which is globally in a significant advance in calibration and validation for AquaCrop model of forage crops.

[ES] El objetivo principal estuvo orientado a la determinación de la producción de biomasa a partir del agua con base en las relaciones hídricas, los niveles de consumo de agua de las especies, y las variables del clima que inciden en la formación de biomasa y el suelo presentes y se centró específicamente en dos cultivos forrajeros los cuales fueron Avena Forrajera (Avena sativa, L.) y Raigrás (Lolium perenne).

La solución al problema se basa en el modelo AquaCrop (FAO) Steduto et al, (2009) el cual fue propuesto recientemente para la determinación tanto de la biomasa como de la producción agrícola a partir del agua transpirada por las especies herbáceas, en este se reúnen los avances científicos y tecnológicos que sobre el efecto del agua en la estimación de la producción de cultivos se ha logrado en los últimos años.

En el presente trabajo de investigación se han determinado las principales variables de entrada al modelo AquaCrop, para las dos especies mencionadas, por medio de investigación de campo realizada con la metodología del gradiente de Hanks et al, (1980), y con una nueva metodología propuesta para la determinación del estrés hídrico.

Se desarrollaron un total de 18 experimentos principales generando los niveles de producción de biomasa de avena forrajera y raigrás, determinando 32 variables o parámetros para cada uno de los cultivos que requiere el modelo para la estimación de la biomasa producida por las especies forrajeras y pastos.

Los experimentos fueron realizados principalmente durante los años 2008 a 2013 en el Centro de Investigación Tibaitatá (CORPOICA) ubicado en la Sabana de Bogotá (Colombia). Para avena forrajera se desarrollaron cinco ciclos del cultivo y para raigrás se hicieron tres ciclos completos con siete, cuatro y dos cortes respectivamente.

Con base en la información establecida en campo se calibraron y validaron los cultivos de avena forrajera y raigrás para el modelo AquaCrop alcanzando ajustes de R2=0,92, RMSE=1,86t.ha-1, NRMSE=17,67%, EF=0,91, y d=0,97 para avena forrajera y de R2=0,97, RMSE=0,47t.ha-1, NRMSE=13,6%, EF=0,88, y d=0,98 para raigrás. Se determinaron dos cultivos sintéticos uno para cada especie, los cuales constituyen los "prototipos" que son el punto de partida para la estimación de la biomasa a partir del uso del agua en diferentes condiciones de los cultivos mencionados.

La biomasa total para avena forrajera fue determinada en 22,2t.ha-1 en promedio con valores máximos que pueden llegar a alcanzar hasta 27t.ha-1 en el entorno productivo de la sabana de Bogotá. Para raigrás la biomasa total alcanzó niveles de hasta 9t.ha-1, para el período de siembra a primer corte, y de 6t.ha-1 para los cortes posteriores al primero. La huella hídrica intrínseca para avena forrajera fue determinada en 175L.kg-1 y para raigrás en 442L.kg-1 y 431L.Kg-1.

Como resultados alternativos que fundamentan la calibración y validación del modelo se obtuvieron además, la determinación de la evapotranspiración de referencia de la región, las curvas de Kc, Kcb y Ke que determinan la huella hídrica de las dos especies, los desarrollos de las coberturas del dosel a través de los ciclos fenológicos de las especies estudiadas, las curvas de humedad del suelo y de biomasa en respuesta a seis niveles de riego y varias épocas de siembra y las funciones de producción de ambas especies.

Se determinaron los parámetros conservativos de los cultivos de avena forrajera y raigrás, así como una muestra referenciada localmente de los parámetros y variables no conservativos de estas especies, lo que constituye a nivel mundial en un avance significativo en la calibración y validación del modelo AquaCrop para cultivos forrajeros.

[CA] L'objectiu principal va estar orientat a la determinació de la producció de biomassa a partir de l'aigua amb base en les relacions hídriques, els nivells de consum d'aigua de les espècies, i les variables del clima que incideixen en la formació de biomassa i el sòl presents i es va centrar específicament en dos cultius forrajeros els quals van ser Civada Forrajera (Avena sativa, L.) i Raigrás (Lolium perenne).

La solució al problema es basa en el model AquaCrop (FAO) Steduto et al, (2009) el qual va ser proposat recentment per a la determinació tant de la biomassa com de la producció agrícola a partir de l'aigua transpirada per les espècies herbàcies, en aquest es reuneixen els avanços científics i tecnològics que sobre l'efecte de l'aigua en l'estimació de la producció de cultius s'ha aconseguit en els últims anys.

En el present treball de recerca s'han determinat les principals variables d'entrada al model AquaCrop, per a les dues espècies esmentades, per mitjà de recerca de camp realitzada amb la metodologia del gradient d'Hanks et al, (1980), i amb una nova metodologia proposada per a la determinació de l'estrès hídric.

Es van desenvolupar un total de 18 experiments principals generant els nivells de producció de biomassa de civada forrajera i raigrás, determinant 32 variables o paràmetres per a cadascun dels cultius que requereix el model per a l'estimació de la biomassa produïda per les espècies forrajeras i pastures.

Els experiments van ser realitzats principalment durant els anys 2008 a 2013 en el Centre de Recerca Tibaitatá (CORPOICA) situat en la Sabana de Bogotà (Colòmbia). Per a civada forrajera es van desenvolupar cinc cicles del cultiu i per a raigrás es van fer tres cicles complets amb set, quatre i dues corts respectivament.

Amb base en la informació establida en camp es van calibrar i van validar els cultius de civada forrajera i raigrás per al model AquaCrop aconseguint ajustos de R2=0,92, RMSE=1,86t.ha-1, NRMSE=17,67%, EF=0,91, i d=0,97 per a civada forrajera i de R2=0,97, RMSE=0,47t.ha-1, NRMSE=13,6%, EF=0,88, i d=0,98 per a raigrás. Es van determinar dos cultius sintètics un per a cada espècie, els quals constitueixen els "prototips" que són el punt de partida per a l'estimació de la biomassa a partir de l'ús de l'aigua en diferents condicions dels cultius esmentats.

La biomassa total per a civada forrajera va ser determinada en 22,2t.ha-1 en mitjana amb valors màxims que poden arribar a aconseguir fins a 27t.ha-1 en l'entorn productiu de la sabana de Bogotà. Per a raigrás la biomassa total va aconseguir nivells de fins a 9t.ha-1, per al període de sembra a primer tall, i de 6t.ha-1 per als corts posteriors al primer. La petjada hídrica intrínseca per a civada forrajera va ser determinada en 175L.kg-1 i per a raigrás en 442L.kg-1 i 431L.kg-1.

Com a resultats alternatius que fonamenten el calibratge i validació del model es van obtenir a més, la determinació de la evapotranspiración de referència de la regió, les corbes de Kc, Kcb i Ke que determinen la petjada hídrica de les dues espècies, els desenvolupaments de les cobertures del dosel a través dels cicles fenológicos de les espècies estudiades, les corbes d'humitat del sòl i de biomassa en resposta a sis nivells de reg i diverses èpoques de sembra i les funcions de producció d'ambdues espècies.

Es van determinar els paràmetres conservatius dels cultius de civada forrajera i raigrás, així com una mostra referenciada localment dels paràmetres i variables no conservatius d'aquestes espècies, la qual cosa constitueix a nivell mundial en un avanç significatiu en el calibratge i validació del model AquaCrop per a cultius forrajeros.