Cuantificación microlisimétrica del consumo de agua en la nochebuena (Euphorbia pulcherrima Willd.)*

Microlysimetric quantification of water consumption in poinsettia (Euphorbia pulcherrima Willd.)

Pedro Pacheco-Hernández^1§, Manuel de Jesús Sainz-Aispuro², Irán Alia-Tejacal², Ramón Arteaga-Ramírez³, Oscar Gabriel Villegas-Torres² y Helene Emmi Karin Unland-Weiss¹

¹ Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Paseo Cuauhnáhuac 8532 Progreso, Jiutepec, Morelos. C. P. 62550. ^§Autor para correspondencia: ppacheco@tlaloc.imta.mx.

³ Departamento de Irrigación, Universidad Autónoma Chapingo. Carretera México-Texcoco, km 35.6, Chapingo, Estado de México.

* Recibido: marzo de 2014
Aceptado: septiembre de 2014

Resumen

Se acondicionó un invernadero experimental en Jiutepec, Morelos, México, para llevar a cabo la producción de un cultivo de nochebuena bajo condiciones de ambiente protegido de agosto a noviembre de 2012. Se dio un seguimiento preciso tanto a las condiciones climáticas como al desarrollo fenológico del cultivo. Los siguientes parámetros meteorológicos se registraron en intervalos de 15 min, al interior y al exterior del invernadero: velocidad y dirección del viento, radiación solar, temperatura y humedad relativa. Como referencia, se midió también la precipitación fuera del invernadero. El requerimiento de riego o evapotranspiración (ET) real (ETr) de la nochebuena se midió con ocho microlisímetros de balance en macetas de polietileno de 15 cm de diámetro con sustrato hoja/tezontle/fibra de coco en proporción 60:20:20, resultando en 40, 70, 150 y 122 mL día^-1 en las semanas 1, 4, 10 y 13 después del trasplante (DDT), respectivamente. Con base en los datos de los sensores meteorológicos se estimó la ET de referencia (ETo) usando el algoritmo de Penman Monteith (PM) dentro y fuera del invernadero. Se calculó el coeficiente de cultivo (Kc), semanal y mensual de la nochebuena en invernadero, a partir de información climática dentro, resultando en Kc de 0.22, 0.44, 0.54 y 0.43 en las semanas 1, 5, 11 y 13 DDT y de 0.21, 0.36, 0.39 y 0.3 en los meses 1, 2, 3 y 4 DDT, respectivamente.

Palabras clave: agricultura protegida, coeficiente de cultivo, demanda hídrica.

An experimental greenhouse was conditioned in Cuernavaca, Morelos, Mexico, to carry out the production of poinsettia crop under protected ambient conditions, from August to November 2012. Giving an accurately follow for both, the climatic conditions and the phenological development of the crop. The following meteorological parameters were recorded every 15 min, inside and outside the greenhouse: Wind speed and direction, solar radiation, temperature and relative humidity. For reference, the precipitation was also measured outside the greenhouse. The irrigation requirement or evapotranspiration (ET) Real (ETr) of the poinsettia was measured with eight weighing microlysimeters in polyethylene pots 15 cm in diameter with leaf/tezontle/coir substrate in proportion of 60:20:20, resulting at 40, 70, 150 and 122 mL day^-1 at the weeks 1, 4, 10 and 13 after transplanting (DAT), respectively. Based on data from weather sensors reference ET (ETo) is estimated using the algorithm of Penman Monteith (PM) in and out of the greenhouse. The poinsettia crop coefficient (Kc) was weekly and monthly measured in the greenhouse based in the inside climate information, resulting in Kc of 0.22, 0.44, 0.54 and 0.43 at the weeks 1, 5, 11 and 13 DDT and 0.21, 0.36, 0.39 and 0.3 at months 1, 2, 3 and 4 DDT, respectively.

Keywords: crop coefficient, protected agriculture, water demand.

Introducción

El consumo de agua por las plantas siempre se ha tomado como un elemento del manejo del cultivo y en consecuencia del diseño y la operación de los sistemas de riego, el cual en general se estima de manera general; debido a que los métodos y equipos de medición son difíciles de manejar y de alto costo de adquisición y operación. Los métodos más precisos para medir el consumo de agua son los lisímetros, tanto de pesada como de balance o drenaje. También se pueden emplear métodos micrometeorológicos como el método del balance de energía o el método de la correlación turbulenta, ambos iguales o más caros que los lisímetros. Considerando lo anterior, un método intermedio y ampliamente aceptado es el de Penman Monteith, que se basa en datos agrometeorológicos.

La microlisimetría o minilisimetría ha sido ampliamente desarrollada para estudios de flujo de solutos y de evaporación del agua a suelo desnudo en los últimos años, sin embargo éstos no han sido consistentes en la cuantificación del consumo del agua por las plantas en general (Daamen et al., 1993; Wythers et al., 1995; Bremer, 2005) y en particular, en el cultivo de nochebuena bajo condiciones de agricultura protegida (Broembsen, 1994; Shuch et al., 1995; Morvant et al., 1998).

La ecuación general de balance hídrico en el sistema planta-suelo-atmósfera es:

P + Irr = ETr + ES + PP ± ΔӨ 1)

Donde: P= precipitación ocurrida durante el periodo de medición (mm); Irr= agua aplicada mediante el método definido (mm); ETr= evapotranspiración real del cultivo (mm); ES= Escurrimiento superficial (mm); PP= percolación profunda (mm); y ΔӨ= variación en el contenido de humedad en el suelo (mm).

ETr = Kc ETo 2)

Donde: Kc= coeficiente del cultivo, en función de sus característica fisiológicas y anatómicas; ETo= evapotranspiración del cultivo de referencia (mm).

El método aceptado como estándar por la FAO, Doorenbos y Pruitt (1990), para estimar la evapotranspiración de referencia (ETo) es el método de Penman Monteith. Este método se basa en la estimación de la evapotranspiración de un cultivo de referencia de cobertura completa, bien regado y con un albedo (reflectividad) de 0.23, similar al pasto corto (altura de 0.12 m). Para lo anterior se considera la energía radiante absorbida (la energía disponible para evaporación: radiación neta menos flujo de calor en el suelo), la velocidad del viento y el déficit de vapor atmosférico.

El algoritmo de Penman Monteith se presenta en la ecuación 3 (Allen et al., 2006):

Donde: ETo= evapotranspiración de referencia [mm s^-1]; se debe multiplicar por 3 600 para convertirlo a [mm h^-1]; Rn= radiación neta [kW m^-2]; G= densidad de flujo de calor del suelo [kW m^-2]; Mw= masa molecular del agua [0.018 kg mol^-1]; R= constante universal de los gases [8.31e^-3 kJ (mol K)^-1]; θ= temperatura estándar a 20 °C [293K]; D= déficit de presión de vapor del aire [kPa]; λ= calor latente de vaporización del agua [2 450 kJ kg^-1]; r_v= resistencia de la capa límite y superficie foliar al flujo de vapor [s m^-1]; ∆= pendiente de la función de presión de vapor a saturación [Pa ºC^-1]; γ*= constante psicométrica aparente [Pa ºC^-1].

El cálculo de la ETo con la ecuación de Penman Monteith usa datos climatológicos horarios obtenidos de estaciones agrometeorológicas automatizadas. El uso algoritmo de Penman Monteith en invernaderos para estimar la evapotranspiración es ampliamente revisado por Willits (2003), para el cultivo de jitomate; asimismo, Baille et al. (1994) reporta buenos niveles de precisión en la determinación de la evapotranspiración de nueve ornamentales en contenedor.

Fox et al. (1992) propusieron un modelo tipo sinusoidal para estimar el coeficiente de cultivo, sin embargo, su modelo iniciaba de cero en la primera etapa fenológica, subestimando la evaporación del suelo. Los coeficientes de cultivo (Kc) de la FAO, solo usados para calcular los requerimientos de riego de los cultivos, se publicaron por Doorenbos y Pruitt (1990). Sin embargo, es preferible y más preciso el uso de valores de Kc calibrados para las variedades locales de cultivos, y las condiciones locales de clima. Para los cultivos y las condiciones climáticas de la República Mexicana en general, no hay suficientes estudios de los coeficientes de cultivo, de ahí la importancia de desarrollos tecnológicos para cuantificar el consumo de agua por las plantas, mediante la lisimetría.

Un lisímetro mide en forma directa el consumo de agua por las plantas, y aun cuando no existe un modelo estándar, en general poseen un diámetro mayor a los 110 cm y una profundidad superior a los 130 cm; sin embargo, dificultades técnicas y económicas explican que muchos investigadores(as) hayan optado por el uso de lisímetros de menor tamaño los cuales se puedan denominar tanto "microlisímetros" como "minilisímetros." Dichos micro- o minilisímetros son de distintos tamaños y formas, con diámetros menores a 100 cm y una profundidad que no excede los 70 cm (Rockstrom et al., 1999; Wythers et al., 1999; Bremer, 2003).

Los conocimientos actuales permiten el desarrollo tecnológico de un microlisímetro de balance para cuantificar el consumo de agua por las plantas.

En cuanto al consumo de agua esperado por la nochebuena, Baille et al. (1994), al estudiar un modelo para predecir la ET en ornamentales, con coeficiente de determinación de R²= 0.69 respecto a la medición, calculó en la nochebuena una tasa evapotranspirativa de 0.11 kg m^-2 h^-1 en el día y 0.06 kg m^-2 h^-1 en la noche (promedio de 2 mm día^-1), y en comparación con las otras ocho ornamentales estudiadas, su consumo varió de 25 a 50%, para un índice de área foliar (IAF) de 0.43 a 2, una radiación neta de Rn= 350 W m^-2 y un déficit de presión de vapor del aire D= 1.6 kPa. Asimismo, Shuch (1995) en sus estudios de manejo de agua, utilizó un tratamiento de buen riego de 240 mL aplicados cada 2 días. En forma similar, Cabrera (2006) reporta que se aplican con bastón y cebolla cada tercer día aproximadamente de 240 a 250 mL de agua por maceta; asimismo, Alia et al. (2011) en un experimento donde también utilizó nochebuena 'Freedom red', fertirrigaba las macetas de 15 cm de diámetro aplicando de 100 a 300 mL cada tercer día. Es de esperarse una respuesta de la planta de nochebuena al consumo de agua y su manejo, de acuerdo con el método de riego utilizado (Broembsen, 1994; Morvant et al., 1998).

La producción de nochebuena en Morelos representa una de las actividades productivas de importancia económica, tiene una destacada contribución en el ingreso familiar y se cultiva en maceta utilizando sustratos con materiales como la tierra de hoja o pino (hojarasca u ocochal, respectivamente), tezontle, tepojal, agrolita, peat moss, fibra de coco, composta, entre otros, mezclados en distintas proporciones, materiales fácilmente obtenidos en el mercado y que han sido utilizadas con éxito (Cabrera, 2006), la más común es la mezcla tierra de hoja/tezontle/fibra de coco en proporción 60:20:20.

El objetivo del presente trabajo fue obtener el consumo de agua mediante microlisímetros de balance con el sustrato más común, para obtener los coeficientes de cultivo de la nochebuena en contenedor, con fines de calcular sus requerimientos de riego bajo condiciones de invernadero usando datos de estaciones climáticas automatizadas, en Jiutepec, Morelos.

Materiales y métodos

Ubicación del sitio experimental. El experimento se realizó en el invernadero del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), ubicado en Jiutepec, Morelos, localizado a 18° 52.73' de latitud norte y 99° 9.6' de longitud oeste, 1 352 msnm. de elevación. El clima local es cálido húmedo con lluvias en verano, de humedad moderada A(Wo).

Paquete tecnológico. Se realizó el manejo del cultivo de acuerdo con el paquete tecnológico local de la nochebuena reportado por Martínez (1995); Ecke et al. (2004) y Cabrera (2006), con adecuaciones de acuerdo con la fitosanidad presentada para un buen desarrollo de la variedad Freedom red, en maceta de polietileno de 15 cm de diámetro con sustrato hoja/tezontle/fibra de coco en proporción 60:20:20, del cual se obtuvo la distribución de partículas por diámetros, mediante la curva granulométrica antes de iniciar el experimento con promedio de tres muestras, y después del experimento con muestra compuesta. El esqueje de nochebuena se obtuvo de un proveedor local de Cuernavaca, Morelos.

El fertirriego se realizó con la solución de Steiner (12:1:7:7:9:4 NO₃^-:H₂PO₄^-:SO₄²⁺:K⁺:Ca²⁺:Mg²⁺ en meq L^-1) en concentración de 80%, 120% y 80% en las etapas de establecimiento, desarrollo vegetativo y floración, respectivamente. Se realizó un seguimiento al volumen de agua consumido con microlisimetría de balance; por destrucción de cuatro plantas, al final del experimento; es decir, al momento de llegar al punto comercial o de venta de la planta, también se midieron las variables altura y diámetro de la planta, diámetro del tallo, índice de área foliar, materia seca, el número de brotes, diámetro y número de ciatios, color (luminosidad, cromaticidad y matiz) de bráctea, concentración de clorofila (unidades SPAD) usando un medidor Minolta SPAD 502, la firmeza del tallo mediante perforación a 3 mm con puntal cónico de texturómetro Chatillon^®, y peso fresco y seco de órganos en balanza de 0.001 g de sensibilidad.

ETr = ETc = Irr - PP 4)

Para obtener la ETr en mm diarios se consideró un diámetro de sombreado promedio de 0.46 m para la planta de nochebuena en la etapa adulta, para obtener el área del cultivo que divide al volumen medido.

Análisis estadístico. Dentro del invernadero se distribuyeron completamente al azar microlisímetros de balance con nochebuena, con ocho repeticiones, siendo la unidad experimental o microlisímetro una maceta de nochebuena. Se obtuvieron los promedios semanales sumando las tres lecturas y dividiendo entre siete. Se obtuvieron promedio diarios cada cuatro semanas. Se determinaron sus desviaciones estándar, coeficiecientes de variación y coeficiente R².

Evapotranspiración de referencia. Dentro y fuera del invernadero se instalaron estaciones agroclimatológicas automatizadas para medir los parámetros de clima esenciales para calcular la evapotranspiración de referencia (ETo) usando el método de Penman Monteith (Allen et al., 2006), a partir de la ecuación (3) durante el ciclo de producción (del 20 de agosto a 18 de noviembre de 2012).

Coeficiente de cultivo. Con base en la ETo dentro y fuera del invernadero y la ETr medida con microlisímetría, se calculó el coeficiente de cultivo semanal y mensual para la nochebuena mediante la siguiente expresión obtenida de la ecuación 2:

Resultados y discusión

La granulometría prácticamente no cambió en el sustrato durante el experimento, como lo muestra la Figura 1, cuyas ecuaciones al inicio y fin del experimento son polinómicas de tercer orden:

y:

y= 0.6425x³ - 8.8357x² + 46.085x + 2.0331 con R² = 0.9967 (fin)

Donde: x= es el diámetro de las partículas (en mm); e y= el porcentaje acumulado de partículas de tamaño menor que el indicado (fracción acumulada en %).

Se aprecia un proceso de agregación de partículas a diámetros menores de 2 mm. En relación con sus valores promedios, se incrementó 10% el porcentaje de agregación, posiblemente debido al empaquetamiento de poros. El fraccionamiento de gránulos de diámetros mayores a 2 mm, dado que 80% del sustrato tiene origen orgánico (tierra de hoja y fibra de coco) muestra que el aumento en el tamaño de partículas (1-2 mm) tanto en materiales orgánicos como inorgánicos, aumenta su capacidad de retención de agua (Anicua et al., 2009; Gutiérrez et al., 2011).

El comportamiento agronómico del cultivo se muestra en el Cuadro 1, donde los resultados indican un buen desarrollo de la planta en relación con otras investigaciones similares, por ejemplo Osuna et al. (2012) reportaron para la misma variedad 'Freedom Red' una altura de planta media de 36.69 cm y color L*, C* y h de 32.36, 54.93, y 24.89, respectivamente; Alia et al. (2011) reportaron un diámetro de flor medio de 22.7 cm, diámetro y altura de planta de 33.6 cm y 24.8 cm, respectivamente, SPAD de 58.9 y color L*, C* y h de 29.3, 48.8 y 24.5, respectivamente. Considerando el diámetro de planta de 0.46 cm y el área foliar, resulta un índice de área foliar de 1.06 cm² cm^-2. En consecuencia, los resultados en el manejo del agua son consistentes con la literatura y pueden ser replicados en nochebuena 'Freedom red' con un manejo agronómico óptimo similar.

La evapotranspiración real o requerimiento de riego en mL día^-1 obtenidos a nivel semanal se muestra en el Cuadro 2, resultando en 41 mL día^-1 en la semana 1 con aumento gradual hasta 150 mL día^-1 en la semana 10, a partir de la cual empieza a decrecer. Estos datos coinciden con Shuch (1995) y Cabrera (2006), donde se reporta una ETr de 120 a 125 mL día^-1 en promedio durante el desarrollo de la nochebuena, y Alia et al. (2011) con resultados prácticamente iguales al suministrar de 50 a 150 mL día^-1 y de manera proporcional a lo reportado por Ku y Hershey (1997a y 1997b).

Previo al cálculo de la evapotranspiración de referencia se calculó la transmisividad del plástico del invernadero, mostrando que la radiación solar diaria recibida dentro del invernadero fue en promedio 51% más baja, que la medida afuera del invernadero para el periodo evaluado. La regresión lineal entre radiación solar medida al interior y al exterior del invernadero para todos los días despejados en el periodo de estudio (menos de 10% del total), con base en los datos de cada 15 min, se muestra en la Figura 2, indicando una transmisividad promedio del material de polietileno del invernadero de 49% aproximadamente, originada por el deterioro y el tipo de plástico utilizado, y el ángulo de incidencia de los rayos solares (Soriano et al., 2002). Cabe mencionar, que no se consideraron los datos tomados durante las noches.

La Figura 3 muestra la variación temporal de la evapotranspiración de referencia (ETo) promedio diaria calculada con el método de Penman-Monteith, correspondiente al periodo de 21 agosto al 15 de noviembre de 2012 (semanas (S) 1 a 13 DDT), para condiciones dentro (ETo PM dentro) y fuera (ETo PM fuera) del invernadero, así como la evapotranspiración real medida con microlisímetro de balance (ETr balance) dentro del invernadero. Para todo el periodo del estudio, la ETr balance fue más baja que la ETo PM dentro del invernadero y ésta diferencia disminuyó casi continuamente. Se aprecia que numéricamente, en el experimento, los valores de ETo PM dentro y ETr balance se mantuvieron inferiores a los reportados por Baille et al. (1994) de 2 mm día^-1 para un IAF menor o igual a 2, producto del IAF de 1.06 m² m^-2 reportado al fin de la prueba (Cuadro 1). Los menores valores de ETo PM Dentro con respecto a ETo PM Fuera del invernadero, corresponde con los autores revisados para diferentes ambientes por Fernandes et al. (2003) y su misma investigación, a nivel semanal y durante 13 semanas.

Aunque existe una alta correlación entre la radiación solar fuera y dentro del invernadero (Figura 2) y un comportamiento similar en las curvas de ET en el tiempo (Figura 3), al analizar las correlaciones de ETo PM con datos diarios resulta un R²= 0.0179 general, y separando los días con lluvia y sin lluvia en un R²= 0.0472 y R²= 0.0274, respectivamente. Estas bajas correlaciones llevan a la conclusión de que no se puede calcular la ETo con Penman-Monteith, dentro del invernadero solo contando con datos climáticos medidos fuera del invernadero, lo cual es reforzado al obtener un modelo de regresión de ETo PM Fuera= -0.7018 ETr balance + 3.5681 con un R²= 0.0474, en cambio, las correlaciones de la ETo PM dentro con la ETr balance a nivel diario, semanal y mensual, presentan coeficientes de determinación R² de 0.4155, 0.5855 y 0.7447, respectivamente, resultados muy similares al R²= 0.69 reportado por Baille et al. (1994), como muestra la gráfica de ET mensual (Figura 4). Este comportamiento numérico y temporal de la ET permite concluir que los Kc pueden obtenerse a nivel semanal y mensual, para información climática dentro del invernadero, tal como fue reafirmado por Fernandes et al. (2003) en la discusión de sus resultados de promedio diario semanales de la estimación de la evapotranspiración dentro de invernaderos.

El análisis a nivel mensual de la ET diaria ilustrada en la Figura 6, permite obtener una curva suavizada del Kc a nivel mensual, resultando en valores de Kc de 0.21, 0.36, 0.39 y 0.30, para los meses 1, 2, 3 y 4 DDT y ETr de 0.28, 0.42, 0.79 y 0.71 mm día^-1, respectivamente. El comportamiento en el tiempo del Kc mensual es similar a los reportados por Allen et al. (2006), para la mayoría de los cultivos, pero con valores numéricos similares a los cultivos del tipo de manejo semanal de riego en ambientes de alta demanda evaporativa, en la etapa inicial y en la etapa media o final parecido a los Kc de la piña, la alfalfa para semilla o la uva, en condiciones de cielo abierto.

Conclusiones

La evapotranspiración real o requerimiento de riego dentro del invernadero para nochebuena 'Freedom Red' en macetas de diámetro 15 cm, a nivel semanal es de 40 mL día^-1 (equivalente a 0.24 mm día^-1) en la semana 1 DDT con aumento gradual hasta alcanzar 150 mL día^-1 (equivalentes a 0.9 mm día^-1) en la semana 10 DDT. La evapotranspiración real para nochebuena dentro del invernadero no se puede obtener usando el método de Penman-Monteith, a partir de datos climáticos fuera del invernadero.

Se obtuvieron valores semanales del coeficiente de cultivo, variando de Kc= 0.2 en las primeras semanas DDT a Kc= 0.54 en la semana 11 DDT y Kc= 0.43 en la semana 13 DDT. Dichos Kc se calcularon a partir de la evapotranspiración de referencia de Penman-Monteith estimada con datos climáticos medidos dentro del invernadero y de la evapotranspiración real medida con microlisímetro de balance.

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