Introducción

México es el segundo productor de chile (Capsicumm annuum L.) a nivel mundial (^{FAOSTAT 2008}, ^{Bancomext, 2008}). En la actualidad el chile es la tercera hortaliza en importancia en México, precedida únicamente por la papa y el tomate. Dicha importancia, se origina porque el chile ocupa el 15.3 % de la superficie cosechada entre las principales hortalizas y genera el 11.7% del volumen total hortícola. Los datos de ^{SAGARPA (2002)} muestran que la producción de pimiento tienen mayor presencia en los mercados de exportación, representa un 20% de la superficie dedicada a la producción de chiles, se requieren de 120 a 150 jornales por hectárea durante todo el ciclo agrícola y su exportación constituye una importante entrada de divisas al país (^{SAGARPA, 2002}).

El impacto generado por los constantes cambios climatológicos a través del tiempo está impulsando cada día más el desarrollo de una agricultura protegida (^{Gómez, 2008}). La implementación de las técnicas de plasticultura, entre las que se encuentran el acolchado plástico de suelos, el cual consiste en cubrir las camas o surcos de cultivo con películas plásticas, responden a la necesidad de incrementar el rendimiento de los cultivos así como hacer más eficiente el uso de los recursos naturales (agua y suelo) y mejorar la calidad de los productos (^{Kasperbauer, 2000}).

El acolchado plástico impacta directamente en el microclima que rodea a la planta debido a que modifica el balance de radiación absorbida y reflejada por la superficie acolchada además de reducir las pérdidas de la humedad de suelo por efecto de evaporación, el color del plástico determina en gran medida su comportamiento de energía radiante y su influencia en el microclima afectando la temperatura del aire y del suelo. (^{Lamont, 2005}). La mayoría de las investigaciones realizadas que demuestran los beneficios del acolchado plástico de suelo se han realizado en parcelas pequeñas y únicamente se ha medido la temperatura del suelo, o se han realizado mediciones puntuales de humedad en el suelo, para determinar los consumos de agua de los cultivos con acolchado plástico de suelos.

El balance de energía sobre una superficie determina en gran parte, el microclima sobre la misma. El balance de energía controla procesos biológicos e hidrológicos en dicha superficie. De acuerdo con ^{Oke (1978)} y ^{Twine et al. (2000)} los componentes principales de la ecuación del balance de energía se pueden representar como

Donde: Rn es la radiación neta (W m^-2); H es el flujo de calor sensible (W m^-2); LE es el flujo de calor latente (W m^-2); G es el flujo de calor en el suelo (W m^-2); S es el almacenamiento o liberación de energía (calor) por cambios de temperatura (W m^-2); y PH es la energía usada en el proceso de fotosíntesis, o liberada en el de respiración (W m^-2).

El método de la covarianza de remolinos para determinar los flujos de masa y energía como H, LE y flujo de bióxido de carbono (FCO₂) consiste en expresar el flujo vertical de una entidad transportada en un determinado punto como una covarianza entre las fluctuaciones de la concentración de esta entidad con las fluctuaciones de la velocidad vertical del viento (^{Itier y Brunet, 1996}).

Muchos estudios de intercambio de materia que se reportan están basados en técnicas de cámara cerrada. Los métodos micrometeorológicos proveen una forma alternativa de medir esas tasas de intercambio material entre la biosfera y la atmósfera y se espera que sean usadas cada vez más en futuros estudios ambientales, dado que tienen muchas ventajas sobre las técnicas de cámara: las mediciones se hacen in situ sin alterar ni perturbar el ambiente, permiten mediciones continuas y las mediciones promedio realizadas en un punto proporcionan el promedio de las tasas de intercambio entre la superficie y la atmósfera de un área integral de estudio (^{Baldocchi et al., 1988}). Además, se pueden obtener registros horarios de evapotranspiración y de asimilación de bióxido de carbono de los cultivos, de forma tal que es posible evaluar los efectos de las variaciones climáticas instantáneas en la tasa de evapotranspiración (ET) de los cultivos y los volúmenes de riego por aplicar en sistemas agrícolas de alta frecuencia de riego.

^{Papale et al. (2006)} afirman que el método de la covarianza de remolinos para medir el flujo de vapor de agua y de otros gases entre la biosfera y atmósfera es usada en varias redes regionales y que existen más de 250 sitios en el mundo en los que se hacen este tipo de mediciones para diferentes biomas y condiciones climáticas.

El método de la covarianza de remolinos es el más directo para medir los flujos superficiales de calor latente y calor sensible (^{Prueger et al., 1998}; ^{Jones, 1992}; ^{Kizer y Elliott, 1991}; ^{Drexler et al., 2004}). Por lo tanto ^{Kanemasu et al. (1979)} precisan que el método de la covarianza de remolinos debe ser más exacto que los métodos que confían en las mediciones de gradientes verticales. El principio del método de la covarianza de remolinos es detectar las contribuciones de todos los movimientos turbulentos responsables del transporte vertical de los flujos (^{Itier y Brunet, 1996}). Esto requiere mediciones de flujos a una tasa suficientemente alta (típicamente 10 - 20 Hz) y promediando las covarianzas en un periodo suficiente razonable (típicamente 15-30 min) (^{Villaman et al., 2001}).

La presencia del acolchado plástico en la superficie del suelo de cultivo tiene efecto en todos los componentes del balance de energía. En varios estudios se han medido los componentes del balance de energía en cultivos agrícolas sin acolchado plástico (^{Dugas et al., 1991}; ^{Malek et al., 1992}; ^{Mc Aneney et al., 1994}). La utilización de películas de polietileno para el acolchado de suelos cambia el albedo o el índice de reflectividad a la radiación solar, se reduce la superficie evaporativa e incrementa la temperatura del perfil superior del suelo (^{Ham et al., 1993}). Este cambio afectará la radiación neta (Rn), el flujo de calor latente (LE), el flujo de calor sensible (H) y el flujo de calor en el suelo (G).

El objetivo de esta investigación fue analizar el comportamiento de los componentes del balance de energía en el cultivo de pimiento bajo condiciones de 2 acolchados plásticos con diferentes propiedades ópticas.

Materiales y métodos

Instrumentación y Mediciones

El flujo de calor sensible y latente se obtuvieron con el método de la covarianza de remolinos, utilizando las siguientes ecuaciones:

H=ρaCpw'Ta'- (2)

LE=λw'ρwv'- (3)

Donde: ρa, Cp y Ta son la densidad, capacidad calorífica y temperatura del aire, respectivamente, ρ_wv es la densidad del vapor de agua en el aire, w es la velocidad vertical del viento, λ es el calor de vaporización del agua. Las variables con símbolo de prima significan desviaciones respecto a la media y la barra horizontal sobre 2 variables denota la covarianza entre las variables para un determinado segmento de tiempo (20 min). La frecuencia de las mediciones de w y Ta fue de 10 Hz, la velocidad vertical del viento se obtuvo con un 3-D anemómetro sónico y la temperatura del aire con un termopar de alambre fino de chromel-constantan de 12.7 mm de diámetro, que se colocaron a una altura de 1 m sobre el dosel de cultivo de pimiento. El sistema de la covarianza de remolinos se colocó en la parte sur del lote experimental (Figura 1). Para el análisis de datos se utilizó la integración de los valores instantáneos desde las 8 hasta las 20 h y, únicamente se consideraron vientos con dirección menor de 90o y mayor de 270o eliminado los datos de vientos que provenían de la parte posterior del sistema de la covarianza de remolinos (Figura 1). Las mediciones se realizaron durante todo el ciclo de cultivo.

Figura 1 Ubicación de los sistemas de la covarianza de remolinos en los dos tipos de acolchado plástico en el cultivo de chile pimiento. 

Para el registro de datos de todos los sensores se conectaron a 4 datalogger 23X (CampbellSci Inc.), 2 en cada tipo de plástico, que operaron a una frecuencia de 10 Hz en la toma de datos y generó promedios cada 20 min. Los datos se bajan a una computadora portátil cada 15 días.

Resultados y discusión

A toda la información recavada por los 2 sistemas de la covarianza de remolinos se le realizaron las correcciones correspondientes para cada uno de los flujos de los componentes del balance de energía. El flujo de calor en el suelo se midió a una profundidad de 8 cm (G₈), y se corrigió su valor correspondiente a la superficie del suelo G₀. La radiación neta (Rn) se corrigió por efecto de la velocidad del viento. Para el flujo de calor sensible y el flujo de calor latente se realizaron correcciones por cambio en la densidad del vapor de agua y absorción de oxígeno.

Con la finalidad de determinar la confiabilidad de los datos, se calculó el índice del balance de energía (E.B.), el cual se define como el resultado de la suma del flujo de calor latente más el flujo de calor sensible entre la radiación neta menos el flujo de calor en el suelo. Esto es la sumatoria de todos los elementos de la ecuación del balance de energía que representan un consumo entre los elementos de una fuente de energía:

Este índice se basa en el principio de conservación de la energía, que corresponde a la primera ley de la termodinámica, de tal manera que su valor es aproximadamente uno. En promedio, el error del cierre del balance de energía de los flujos integrados (Rn, H, LE, y G) desde las 8 hasta las 20 h fue menor de 15%, lo que indica que los datos son confiables (^{Foken et al., 2006}; ^{Foken, 2008}).

Para obtener el valor de la evapotranspiración real del cultivo a partir del los datos del flujo de calor latente (LE) se realizó la integral de los valores de LE durante todo el día para obtener el total de energía consumida de las 8 a las 20 h. Si esta cantidad de energía consumida se divide por el calor latente de vaporización del agua (λ = 2.44×10⁶ JKg^-1) se obtiene la tasa de evapotranspiración diaria en mm, lo cual se puede expresar de la siguiente manera:

Durante todo el ciclo de cultivo el componente domínante siempre fue la radiación neta y siempre mayor en el acolchado plástico de color negro con valores integrados diarios de hasta 16 MJ contra 15 MJ del acolchado plástico de color plata. Se esperaría que se tuviera valores más bajos en el acolchado de color plata dado que presenta un valor más alto de reflectancia a la radiación de onda corta (^{Ham et al., 1993}). ^{Ham et al. (1993)} reportan valores de reflectancia para el acolchado plástico aluminizado de ρ_sw= 0.39, mientras que el acolchado plástico de color negro presenta una reflectancia ρ_{sw =}0.03, valores significativamente muy diferentes pero que no reflejan su efecto en el comportamiento de la radiación neta, dado que el efecto mayor se dio en el flujo de calor latente (H) que presentó valores integrados máximos de 8 MJ por día para el acolchado plástico de color negro, mientras que para el acolchado plástico plata se registraron valores integrados máximos de 6 MJ por día.

El análisis diario de los componentes del balance de energía y el consumo de agua del cultivo de chile pimiento en los 2 tratamientos AN y AP fue graficado en los días 67 y 113 después del trasplante (DDT) (Figuras 2 y 3). En el día 67 DDT, para la etapa fenológica de desarrollo del cultivo, se presentan valores instantáneos mayores de radiación neta en el acolchado de color negro que en el acolchado de color plata (640 contra 627 Wm^-2, respectivamente), debido a que la superficie del acolchado de color negro se calienta más que el acolchado de color plata como consecuencia de sus propiedades ópticas de mayor absorción de radiación solar (α_sw = 0.96) y para el caso del acolchado plástico plata menor absorción de radiación salar (α_sw = 0.60) (^{Ham et al., 1993}). El componente del balance de energía que disipa mayor cantidad de radiación neta es el flujo de calor sensible se observan valores de 283.6 W m^-2 para el acolchado plástico negro y 202.3 W m^-2 para el acolchado plástico plata, esto debido a que el cultivo estaba en la etapa de desarrollo y su cobertura foliar era poca, por lo que la radiación solar cayó sobre el acolchado plástico, incrementando su temperatura. Los valores integrados de flujo de calor sensible para el día 67 DDT fueron también mayores para el acolchado plástico negro con 5.31 MJ por día y para el acolchado plástico plata 3.71 MJ por día, los que representa un 30 % menos energía en forma de calor sensible en el acolchado plástico plata que mejora las condiciones de desarrollo del cultivo evitando un estrés por golpe de calor en el cultivo.

Figura 2 Radiación neta (Rn), flujo de calor sensible (H), flujo de calor latente (LE), y flujo de calor en el suelo (G) a los 67 días después del transplante en el cultivo de chile pimiento con acolchado plástico negro y plata (p). 

Figura 3 Valores medidos de la radiación neta (Rn), flujo de calor sensible (H), flujo de calor latente LE, y flujo de calor en el suelo (G) a los 113 días después del transplante en el cultivo de chile pimiento con acolchado plástico negro y plata (p). 

El efecto del color de acolchado plástico en el flujo de calor latente no es significativo debido que presentan la misma tendencia y con valores máximos de 200.0 W m^-2 para el acolchado plástico negro y 183.6 W m^-2 para el acolchado plástico plata. La lámina evapotranspirada fue de 1.81 mm por día para AN y 1.79 mm por día para el AP. La mayor variación de los componentes del balance de energía se presentan en el flujo de calor sensible, debido a las propiedades ópticas de absorción y reflectancia que presentan los 2 tratamientos; mientras que para el acolchado negro el valor de la absorción a la radiación solar es de un 96%, en un acolchado plata es de un 60% (^{Ham et al., 1993}).

En la Figura 3 se observan las fluctuaciones de los componentes del balance de energía y la capacidad de respuesta del sistema de la covarianza de remolinos a las variaciones climáticas que permiten medir valores de los componentes del balance de energía en periodos cortos de tiempo de 20 ó 30 min. Se puede apreciar la presencia de nublado en el periodo de tiempo de las 15 a las 16 h debido a que caen los valores de los componentes del balance de energía y como se recuperan después de las 16 h.

A los 113 días después del transplante el cultivo estaba en la etapa fenológica de cosecha y de nuevo el componente domínate fue la radiación neta, con valores instantáneos de 600 W m^-2 aproximadamente a las 14 h y un valor integrado de 11.29 MJ para el acolchado plástico negro y 11.28 MJ para el acolchado plástico plata. Estos valores tan parecidos son debidos a la degradación del plástico y la acumulación de polvo sobre la superficie de los acolchados que no permite que se manifieste sus propiedades ópticas al final del ciclo de cultivo (^{Kluitenberg et al., 1993}), además se presentan valores instantáneos más altos para el flujo de calor sensible de 350 W m^-2 para el acolchado plástico negro y 250 W m^-2 para el acolchado plástico plata y con valores acumulados de 6.61 MJ para el acolchado plástico negro y 4.63 MJ para el acolchado plástico plata, debido la acumulación de calor por la presencia del acolchado plástico durante todo el ciclo de cultivo; además, se tuvo un sistema de riego por goteo que solo moja un fracción de la superficie de cultivo, de aproximadamente un 33%, por lo que una gran parte de la superficie del cultivo permaneció seca y caliente, siendo una fuente de calor sensible (^{Tarara, 2000}).

El efecto de los tratamientos en la variación estacional de los componentes del balance de energía presentó la misma tendencia para los 2 acolchados, y sólo se observó un incremento de los componentes del balance de energía por el cambio de estación del año, valores más bajos durante la primavera (10.7 MJ) y valores más altos en el verano (16 MJ) para radiación neta.

Los valores de flujo de calor sensible fueron mayores en la sección con acolchado plástico negro con respecto a la sección con acolchado plástico plata durante todo el ciclo de cultivo, lo cual indica que las propiedades espectrales de la película de polietileno negro utilizada en el acolchado plástico de suelos afecta el balance de radiación de onda corta y larga, los valores máximos de flujo de calor sensible en el acolchado plástico de color negro fue de 8 MJ por día mientras que en el acolchado plata el valor máximo fue de 6 MJ por día.

La partición de energía de los componentes del balance de energía (Cuadro 1 y 2 ) muestra que el consumo mayor de radiación neta es debida al flujo de calor sensible ya que en promedio en todo el ciclo de cultivo presentó un consumo de 51%, seguido por el flujo de calor latente con un consumo de un 28% para el acolchado plástico de color negro, mientras que para el acolchado plástico de color plata el consumo de flujo de calor sensible fue de un 41% y un 31% para el flujo de calor latente, lo que implica mejores condiciones para el cultivo bajo acolchado plástico de color plata (^{Tarara, 2000}).

^† int. = valores integrados, DDT = días después del transplante, H = flujo de calor sensible, LE = flujo de calor latente, Rn = radiación neta, G = flujo de calor en el suelo, Lam ET = lámina evapotranspiración.

Cuadro 1 Valores integrados de los componentes del balance de energía, evapotranspiración y la relación de flujo de calor sensible/ radiación neta (H/Rn), flujo de calor latente/ radiación neta (LE/Rn) y flujo de calor en el suelo/radición neta (G/Rn), para cinco periodos del ciclo de cultivo de chiles pimiento con acolchado plástico de suelos de color negro y riego por goteo en Ramos Arizpe, Coahuila. 

^† int. = valores integrados, DDT = días después del transplante, H = flujo de calor sensible, LE = flujo de calor latente, Rn = radiación neta, G = flujo de calor en el suelo, Lam ET = lámina evapotranspiración.

Cuadro 2 Valores integrados de los componentes del balance de energía, evapotranspiración y la relación de flujo de calor sensible/ radiación neta (H/Rn), flujo de calor latente/ radiación neta (LE/Rn) y flujo de calor en el suelo/radición neta (G/Rn), para cinco periodos del ciclo de cultivo de chiles pimiento con acolchado plástico de suelos de color negro y riego por goteo en Ramos Arizpe, Coahuila. 

Se esperaría que el flujo de calor latente se incremente conforme avance el ciclo de cultivo debido a que las necesidades hídricas aumentan conforme se desarrolla y alcanza su cobertura máxima, lo cual no sucedio en este trabajo dado que se tuvo valores de 4 a 5 MJ por día en los 2 acolchados en la mayor parte del ciclo de cultivo, lo que ocasionó condiciones de estrés en el cultivo. Los valores de evapotranspiración máxima que se presentaron en el cultivo fueron de 2.32 mm para el acolchado plástico negro y de 2.31 mm para el acolchado plástico plata, datos muy bajos debido a que se presentaron problemas de abatimiento de la fuente de agua de riego, por lo que se tuvo que reducir al 50% el tiempo de riego.

Conclusiones

- Los resultados de este estudio sugieren que las características espectrales de la película de polietileno utilizada en el acolchado afectaron significativamente el balance de radiación de onda corta y larga que incrementa la radiación neta sobre el cultivo de chile pimiento manifestándose en un mayor flujo de calor sensible en el acolchado plástico de color negro.

- El flujo de calor sensible es significativamente mayor en la sección con acolchado plástico negro que en el acolchado plástico plata debido a que la temperatura de la superficie del plástico negro es mayor que la temperatura de la superficie del acolchado plástico plata.

- El flujo de calor latente es igual en los 2 tratamientos de acolchado. La lámina evapotranspirada diaria máxima que se encontró fue de 2.3 mm en los 2 tratamientos, lo que indica que el cultivo estuvo bajo condiciones de déficit de humedad en el suelo durante todas las etapas del ciclo de cultivo.

- Cuando el cultivo alcanza su máximo desarrollo foliar, el flujo de calor latente es mayor que el flujo de calor en el suelo durante la mayor parte del día. Durante la etapa de senescencia, la mayor parte de la radiación neta se disipa en flujo de calor sensible y una magnitud mucho menor y en aproximadamente la misma proporción en flujo de calor en el suelo y en flujo de calor latente.