El empleo de nuevas tecnologías en el campo de la agricultura: el proyecto Smart-Hydro, un ejemplo práctico.

El proyecto de investigación Smart-Hydro “sistema inteligente para optimizar el uso del agua en la agricultura” plantea un nuevo enfoque en el campo de la investigación para la gestión eficiente de los recursos hídricos. Una de las tareas previstas en el proyecto que desarrolla IMDEA Agua consiste en la caracterización del medio geológico e hidrogeológico y el estudio de los cambios en los factores ambientales que se producen como consecuencia de la actividad agrícola.

David Mostaza Colado, IMDEA agua.

La agricultura ha evolucionado a la par que las sociedades modernas. Desde su nacimiento en el periodo Neolítico hasta la actualidad son numerosos los avances tecnológicos que han facilitado y mejorado los trabajos de preparación del terreno, siembra, cuidado, cosecha y almacenamiento de los productos; todo ello encaminado a incrementar la productividad por hectárea de una superficie o tierra de cultivo. Superada esta fase, la agricultura moderna se enfrenta a nuevos retos como son la búsqueda de fitosanitarios, pesticidas o fertilizantes con menor impacto en el medio ambiente o ser humano, la mejora de las prácticas agrarias para reducir su impacto en el medio natural (agricultura ecológica), el uso sostenible de los recursos como el agua y el empleo de nuevas tecnologías como sensores para la captura de datos in situ o imágenes de satélite.

Entre los factores que condicionan el desarrollo social y económico de un país, además de la agricultura se encuentra el agua. Este recurso, además de ser  fundamental para la agricultura, es esencial para para la industria, el abastecimiento y sanidad de la población, y la preservación del medio ambiente. La FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura) estima que la mayor parte del agua que extraemos en España (FAO, 2016) se emplea en la agricultura, seguido de usos industriales y finalmente para el abastecimiento municipal. De la totalidad del agua que se emplea en agricultura el 22% es de origen subterráneo (acuíferos) y el restante 88% de origen superficial (ríos y/o embalses). Siendo el total estimado de recursos hídricos renovables (RHR) de 111,5 km³/año de media (FAO, 2016).

A nivel local, la Comunidad de Madrid aprovecha el 38% de su territorio con superficies de cultivo. El 54% de esta superficie se dedica a cultivos de secano y un 10% a regadío. La superficie restante acoge cultivos mixtos de regadío-secano y/o cultivos mezclados con vegetación natural o semi-natural. El cultivo predominante de las labores de regadío es el maíz y se localiza principalmente en las llanuras aluviales formadas por la deposición de materiales del Cuaternario (Martínez-Bastida et al., 2010). Las Vegas del río Jarama (municipios de Arganda del Rey, Mejorada del Campo, Velilla de San Antonio, San Martín de la Vega, Ciempozuelos, Titulcia, etc.) son un ejemplo de este tipo de agricultura. Se tratan de zonas llanas ubicadas a lo largo de las terrazas del río y muy próximas a este.

La disponibilidad del agua en la zona es muy alta, puesto que existen pozos que la extraen de la Masa de Agua Subterránea (MAS) Aluviales: Jarama-Tajuña (codificada como 030.007 por la Confederación Hidrográfica del Tajo) (Figura 1) y además una red de canales y acequias reparten el agua del río Jarama desde el azud de la Presa del Rey (Mejorada del Campo); haciendo que la comarca sea muy fértil y abunden las tierras para el cultivo (Figura 2) de variedades de verano como el maíz, alfalfa y arbóreos que son regados por inundación y/o aspersión y variedades de invierno que no son regadas generalmente. La mayoría de los puntos de captación de aguas subterráneas no cuentan con caudalímetro (o contador) para estimar el volumen de agua empleada y con las dotaciones a las comunidades de regantes solo se pueden estimar la cantidad de agua que destina a un área o parcela en concreto; por lo que no se disponen de datos sólidos del consumo de este recurso. Por la forma en la que se hace uso del agua para regadío en la zona sur de Las Vegas en la época estival, cuando las temperaturas son elevadas y las precipitaciones nulas o muy escasas, la MAS 030.007 ve incrementado el nivel piezométrico (el de la superficie de la lámina de agua) debido a la percolación profunda que se produce por el exceso de riego en superficie (Mostaza, 2013).

Figura 1. Masa de Agua Subterránea 030.007 (Aluviales: Jarama-Tajuña). La parcela piloto del proyecto Smart-Hydro se ubica en la Finca Experimental “La Isla” del IMIDRA (Arganda del Rey, Madrid).

Figura 2. Usos del suelo en la zona de Las Vegas de Madrid, desde San Fernando de Henares (norte del mapa) hasta Titulcia (sur del mapa).

A la vista de estos datos, se pone de manifiesto la importancia que tiene el realizar una gestión sostenible de un recurso como el agua cuando se trata de su uso en agricultura, de manera que se evite el sobreuso y la contaminación del mismo. Cuando pensamos en el riego de un cultivo (o de las planta que tenemos en casa o jardín) tendemos a imaginar que es algo tan simple como encender una bomba para extraer agua de un pozo, levantar una compuerta para que fluya el agua por un canal o pulsar el botón para que se conecte el riego automático; pero hay mucho más detrás de estos gestos. Cada uno de ellos lleva asociado un impacto sobre el medio ambiente que hay que valorar y cuantificar, puesto que deberá de tenerse en cuenta como externalidad del proceso productivo. La huella hídrica de un cultivo es un indicador que permite caracterizar el volumen de agua usado para la producción del mismo o de cualquier otro tipo de bienes o servicios. Para ello se tiene en cuenta el volumen de agua consumido (por ejemplo el que se toma del río o se extrae de un pozo) y contaminado (el agua que retorna al medio natural cargada de fertilizantes, fitosanitarios, o pesticidas) en el proceso. Actualmente la huella hídrica de los españoles es de unos 6.700 litros/día por habitante, estando el 43% de ésta originada en el exterior del país; mientras que nuestro impacto total se estima en aproximadamente 100.000 millones de metros cúbicos al año (Mekonnen & Hoekstra, 2011). El volumen total de agua estimado por la huella hídrica para un servicio o proceso productivo, se divide en tres partes: agua azul, agua verde y agua gris.

• El agua verde se define como el agua que procede de la precipitación y que es evaporada directamente durante el proceso productivo: es la que se almacena en el suelo en forma de humedad y más tarde evapotranspirada por las plantas o incorporada a su estructura (Hoekstra et al., 2011 en De Miguel, 2013).
• El agua azul se define como el volumen de agua superficial o subterráneo que se consume durante el proceso de producción y que necesita de una infraestructura para poder ser usada: es la que emplea la planta en la evapotranspiración o que se evapora del suelo durante el riego. No tiene en cuenta el volumen de agua que reingresa al sistema en forma de retorno de riego (por escorrentía o percolación profunda) (Hoekstra et al., 2011 en De Miguel, 2013).
• El agua gris hace referencia a la contaminación que el proceso productivo genera sobre el recurso: es el volumen de agua necesario para asimilar la concentración de contaminantes vertidos al medio, teniendo en cuenta la calidad intrínseca a éste y los límites máximos preestablecidos por la legislación vigente. En términos de volumen, cuanto más peligroso sea el vertido mayor será el volumen de agua necesario para dispersar el contaminante en el medio (Hoekstra et al., 2011 en De Miguel, 2013). Por ejemplo, en el caso de la agricultura sería el agua necesaria para diluir la concentración de fertilizantes, pesticidas, productos de uso agrario, etc., presente en las aguas que vuelven al medio natural por escorrentía o percolación.

¿Qué es Smart-Hydro?

El objetivo final del proyecto Smart-Hydro es crear un modelo de apoyo a la decisión y de gestión del agua en la agricultura en base a las necesidades del cultivo y de los factores ambientales y validarlo a través del ensayo piloto sobre una parcela real.

El proyecto de investigación Smart-Hydro contempla la sensorización de una parcela piloto en la Finca Experimental “La Isla” (Arganda del Rey, Madrid, perteneciente al Instituto Madrileño de Investigación y Desarrollo Rural, agrario y Alimentario-IMIDRA que colabora en la realización de éste proyecto) para la realización de una experiencia piloto. Se estudiará la evolución de unas parcelas de cultivo determinados y se analizarán los datos surgidos a lo largo de los meses de crecimiento. Los datos que se vayan recopilando se subirán a una plataforma, donde serán procesados junto con las imágenes obtenidas en los vuelos con dron por satélite. Puesto que con la tecnología actual es posible procesar los datos recopilados en campo y enviarlos a la nube de forma inmediata, las decisiones y cálculos relativos a un cultivo podrían hacerse de forma rápida y precisa con las técnicas de procesado big data.

Necesidades hídricas de un cultivo

Un cultivo necesita unos elementos básicos para crecer de manera saludable y productiva: agua, nutrientes y luz solar. Si alguno de estos falla, la planta no llegará a desarrollarse correctamente. La luz solar dependerá básicamente de la época del año y la latitud a la que se encuentre la parcela; los nutrientes dependerán de la composición del suelo y de los posibles aportes que se apliquen a lo largo del periodo vegetativo del cultivo; mientras que el agua dependerá de los aportes por lluvia o riego y del contenido en agua del suelo.

La estructura y textura de un suelo en éste proyecto es fundamental porque son las que determinan perteneciente al Instituto Madrileño de Investigación y Desarrollo Rural, agrario y Alimentario (IMIDRA) que colabora en la realización de éste proyecto el contenido de agua que contendrá éste. Cuando se produce un evento de lluvia o riego que satura el suelo con agua hay un rápido movimiento descendente de una parte del agua (drenaje) debido a la gravedad. Durante este proceso la humedad del suelo se va reduciendo continuamente hasta que el drenaje se hace insignificante; en este punto es cuando se ha alcanzado la “capacidad de campo” (CC) de un suelo. Si no hay nuevos episodios de lluvia o de riego que incrementen la humedad del suelo el agua contenida en la CC se irá evaporando y/o será tomada por la vegetación a través de su sistema radicular hasta alcanzar el “punto de marchitez permanente” (PMP); que se define como el contenido de humedad del suelo en el que la planta no tiene capacidad de absorber agua, haciendo que se marchite y muera. No es recomendable que un cultivo llegue a este punto, puesto que la mayoría de las plantas habrán sufrido un estrés hídrico significativo que puede afectar a su rendimiento. El agua total disponible para la planta (ADP) será la diferencia entre CC y PMP (Figura 3) y suele expresarse como volumen de agua por volumen de muestra de suelo. Así, para fines de riego, se define la “reducción máxima permisible” (RMP) como el rango operativo ideal de contenido de agua del suelo para la planificación del riego y para evitar que el cultivo vea afectado su rendimiento (antes de llegar al PMP). Lo ideal sería iniciar el riego cuando se alcance una cantidad de agua en el suelo sea baja (RMP) para detenerlo al saturar el suelo de agua sin llegar a rebasar la capacidad de campo (CC) del mismo (Zotarelli et al., 2013).

El sol como fuente de energía de un cultivo

La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas y cultivos convierten la materia inorgánica (como el CO₂ del aire o nutrientes del suelo y agua) en materia orgánica. La energía necesaria para este proceso se extrae de una fuente lumínica: la radiación solar. Y para ello, las plantas hacen uso de la clorofila, el único pigmento de la biosfera que emite fluorescencia en rojo (Moya et al., 2004). La emisión se produce después de que la luz haya sido absorbida por la clorofila y aunque sea muy baja (<1% de la luz absorbida) es ampliamente utilizada para el seguimiento de la actividad fotosintética de un cultivo (Moya et al., 2004). La clorofila absorbe con fuerza la luz visible para su uso en la fotosíntesis. La estructura celular de las hojas, por otro lado, refleja intensamente luz infrarroja cercana. Si hay mucha más radiación reflejada en el infrarrojo cercano que en las longitudes de onda visibles, es probable que la vegetación sea densa. Si hay muy poca diferencia en la intensidad reflejada de las longitudes de onda de luz visible y del infrarrojo cercano, la vegetación es probablemente escasa (ESA, 2016).

A partir de las imágenes que proporcionan diferentes sensores multiespectrales que miden en diferentes regiones del espectro (visible, infrarrojo, térmico) y que se instalan abordo de satélites y en los drones, se pueden obtener diferentes índices de vegetación con los que estimar el estado y desarrollo de un cultivo. Uno de los índices de vegetación es el NDVI (siglas en inglés del Índice de Vegetación Normalizado) que se calcula a partir del rojo visible  e infrarrojo cercano reflejados por la vegetación. El valor del NDVI puede variar entre -1 y +1; siendo cero cuando no hay vegetación, cercano a cero cuando el color de las hojas no es verde y próximo a uno cuando la densidad de hojas verdes es elevada.

¿Qué tecnologías nos permiten calcular el uso y aprovechamiento que hace del agua un cultivo?

El riego de un cultivo podría definirse como un ciclo cerrado que implica la extracción de agua de un acuífero (a través de un pozo), de un río o embalse (a través de canales o tuberías), el transporte del agua hasta el punto de riego, el suplemento de fertilizantes a ese agua para mejorar el crecimiento del vegetal o de fitosanitarios sobre la planta para evitar plagas o enfermedades, la escorrentía y/o percolación del excedente de riego al subsuelo y el retorno del agua no empleada a una masa subterránea o superficial.

Durante todo este ciclo el agua ve modificada sus cualidades físico-químicas, pudiendo arrastrar consigo compuestos contaminantes o peligrosos para la calidad del agua y para la fauna que habita en la zona subterránea. Es preciso conocer cómo afectan a ese agua los productos que se emplean en el cultivo y qué esta pasando desde el momento que se extrae o toma hasta que vuelve al medio natural; puesto que unida a la merma en cantidad (agua evaporada y empleada por las plantas) también puede producirse un deterioro de la calidad. En la actualidad existen numerosas herramientas y tecnologías que nos permiten tomar datos de consumo de agua, estado de la vegetación, calidad, parámetros físico-químicos, etc., para analizarlos y obtener una respuesta a la pregunta de qué procesos están teniendo lugar en el medio ambiente.

Mediante el uso de sensores (Tabla 1), instalados en el agua o en el suelo, se pueden registrar los valores de diversos parámetros de utilidad para el control de un cultivo y del estado de calidad de las aguas subterráneas.

Tabla 1. Relación de sensores y medio de instalación.

También existe la posibilidad de tomar datos ambientales mediante estaciones meteorológicas (temperatura, humedad, radiación solar, precipitación de lluvia, intensidad del viento) o con otros sistemas más avanzados.

En el ámbito de la agricultura, es importante contar con la evapotranspiración de referencia de un cultivo o región (ETo). Se calcula utilizando datos meteorológicos con el método de FAO Penman-Monteith (recomendado como el único método estándar para la definición y el cálculo de la evapotranspiración de referencia) y requiere de datos de radiación, temperatura del aire, humedad atmosférica y velocidad del viento. Conocido el valor de referencia, se multiplica por un factor corrector (Kc) específico del cultivo, obteniendo así la evapotranspiración (ET) del cultivo en concreto. La importancia cuantitativa de este valor es máxima, puesto que como promedio global el 57% de la precipitación anual es devuelta a la atmósfera por evapotranspiración (Domingo et al., 2002). Actualmente están adquiriendo importancia técnicas instrumentales que emplean imágenes por satélite o mediciones directas en campo, como las realizadas con escintilómetro (Figura 3). Este aparato emplea radiación laser ultravioleta para medir la dispersión producida por las moléculas de agua presentes en el aire por evaporación y ofrece medidas directas, que pueden emplearse para la validación de modelos y comparar entre valores reales y calculados.

Figura 3. Ejemplo de escintilómetro. Se coloca la parcela de interés sobre un trípode. Consta de un equipo emisor y otro receptor que han de estar enfrentados. Tomada de: http://www.kimberly.uidaho.edu/~rallen/equip/equip.htm

El uso de imágenes tomadas por satélite o drones con cámaras multiespectrales nos permite estimar y calcular cómo se comporta un cultivo y cuál es su evolución a lo largo del periodo de crecimiento. Mientras que con el vuelo de un dron obtenemos el estado del cultivo en un momento concreto con una gran resolución espacial (del orden de centímetros), con los pasos de los satélites se obtiene una menor resolución espacial pero podemos hacer un seguimiento en el tiempo (quincenal en el caso del LANDSAT o diario en el caso del MODIS).

La combinación de los datos recogidos por los sensores, instrumentos y herramientas mencionados con anterioridad permiten caracterizar el medio y conocer qué es lo que está pasando durante el periodo de crecimiento de un cultivo:

• Conocer de forma directa e inmediata cuáles son los factores ambientales que pueden afectar al cultivo (temperatura, radiación solar, escasa precipitación, etc.)
• Podremos saber si el contenido de agua del suelo es bajo y programar un riego hasta alcanzar el valor deseado sin llegar a saturar el suelo ni derrochar agua por percolación o escorrentía.
• Estimar la cantidad de agua que se evapora a través de la superficie foliar de la vegetación.
• Verificar que el cultivo crece sano a través de la comparación de los valores de NDVI.
• Prever enfermedades o situaciones desfavorables para el cultivo mediante el análisis de las datos NDVI.
• Se podrán programar enmiendas al suelo si el pH no es el adecuado.
• Determinar si el contenido en sales de un agua es elevado y puede incrementar la concentración de éstas en el suelo, lo que afectaría al crecimiento de ciertas especies.
• Estimar si estamos usando demasiado o poco fertilizante conociendo la concentración de nitratos o fosfatos en el agua que percola hacia el suelo.
• Permite conocer el impacto que la agricultura tiene sobre el medio ambiente a través la huella hídrica (agua verde, azul y gris).

Lectura de referencia:

De Miguel García, A. (2013). La huella hídrica como indicador de presiones: aplicación a la cuenca del Duero y al sector porcino español. Tesis Doctoral. Universidad de Alcalá, Facultad de Biología, Ciencias Ambientales y Química. Madrid.

Domingo, F., Villagarcia, L., Were, A. (2002). ¿Cómo se puede medir y estimar la evapotranspiración?: estado actual y evolución. Ecosistemas 2003/1.

ESA (2016). European Space Agency. Los índices de vegetación. Disponible en: https://www.esa.int/SPECIALS/Eduspace_Global_ES/SEMJH5TWT1H_0.html. <Consultado el 18 de febrero de 2016>

FAO. (2016). Sitio web AQUASTAT. Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura. Accedido el [2016/02/10].

Martínez-Bastida J. J., Arauzo M., Valladolid, M. (2010). Intrinsic and specific vulnerability of groundwater in central Spain: the risk of nitrate pollution. Hydrogeology Journal 18: 681-698.

Mekonnen, M.M., Hoekstra, A.Y. (2011) National Water Footprint Accounts: the Green, blue and grey water foorprint of production and consumption. UNESCO-IHE Institute for Water Education.

Mostaza D., (2013). Estudio de la evolución hidrogeológica de la Masa de Agua Subterránea (MAS) “Aluviales: Jarama-Tajuña” (030.007). Trabajo Fin de Máster, Universidad de Alcalá – Universidad Rey Juan Carlos. Alcalá de Henares, Madrid. ISBN: 978-84-616-8388-8.

Moya, I., Evain, S., Ounis, A., Moreno, J., Alonso, L. (2004). Teledetección pasiva de la actividad fotosintética. Revista de Teledetección 21: 107-111.

Zotarelli, L., Dukes, M. D., Morgan, K. T. (2013). Interpretación del contenido de la humedad del suelo para determinar la capacidad de campo y evitar el riego excesivo en suelos arenosos utilizando sensores de humedad. Institute of Food and Agricultural Sciences (IFAS). <Disponible en: https://edis.ifas.ufl.edu/pdffiles/AE/AE49600.pdf>