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Introducción
Con el reto de mantener la producción de cultivos con el menor uso posible de recursos, los sistemas de producción han evolucionado en el cálculo preciso del requerimiento de riego, sobre todo en regiones con escases de agua (Knox et al., 2012). A ello se suma la agricultura protegida, que además de mantener un ambiente en intervalos aptos para los cultivos, incrementa la productividad del agua. Para definir la lámina de riego existen métodos directos (lisímetro de pesada y de balance) e indirectos (micrometeorológicos y agronómicos), siendo los modelos de Pennman-Monteith, Medrano, Montero, Stanghellini, Fyn y otros los más usados dentro de los indirectos (Li et al., 2016; Ta et al., 2012; Tagliaferre et al., 2013; Tsitsimpelis et al., 2016), mientras que para definir el momento de riego y lámina de riego, las metodologías se pueden clasificar por las variables del suelo, climáticas y del cultivo (Cuellar-Murcia y Suárez-Salazar, 2018; Medrano et al., 2005; Nikolaou et al., 2019; Shin et al., 2014; Vence et al., 2013); no obstante, éstas tecnologías aún son inaccesibles para productores de baja y mediana tecnología porque implican inversiones costosas.
Rojas et al. (2003) propusieron el método del tiempo térmico acumulado, con el que pudieron calcular 12 riegos en promedio por día; también se ha usado el índice de estrés hídrico del cultivo (Crop Water Stress Index -CWSI), el cual expresa estrés en términos de balance energético y está incluido en el análisis de imágenes para determinar el momento de riego como parte de la agricultura 4.0 (Zhang et al., 2019). Smigaj et al (2017) indicaron que es posible detectar el estrés térmico mediante termografía utilizando minicámaras, siendo efectivo para diversos tipos de clima y con el mismo principio del balance térmico. Burke et al. (1990) propusieron un índice de estrés térmico para que reflejara la condición fisiológica del cultivo a lo largo del día, ya que el estrés por calor disminuye la actividad de la enzima Rubisco, la síntesis de clorofila y el transporte de electrones (Hermida-Carrera et al., 2016; Fahad et al., 2017), lo cual puede ocurrir aún con humedad suficiente (Lu et al., 2017; Yokoyama et al., 2019).
Entre los propósitos de cultivar en ambientes protegidos se incluye evitar estrés hídrico que impacte en la disminución del rendimiento (Golam et al., 2012; Yokoyama et al., 2019). El objetivo de este estudio fue proponer y evaluar un indicador con base en el estrés térmico (Índice de estrés térmico -IET) de bajo costo para calendarizar el riego diario de un cultivo de tomate en invernadero.
Materiales y métodos
El registro de variables se hizo en un invernadero tipo “diente de sierra” (0.8 ha) con cubierta de polietileno blanco lechoso, calibre 700 y 20 % sombra, ubicado en San Vicente Solís, Temascalcingo, Estado de México. El sistema de riego fue por goteo con gotero insertado de 4 LPH con dos estacas de 2 LPH, las cuales fueron colocadas una por planta. El sistema estaba semiautomatizado con un temporalizador industrial y electroválvulas que permitieron adecuar el riego de forma empírica durante el ciclo de 3 a 12 min en función de la etapa de máxima demanda.
El tomate comercial El Cid F1 (Harris Moran®) fue establecido en suelo de textura arcillo arenosa con 0.0914 m de humedad aprovechable el 18 de junio de 2017; el cultivo se condujo a doble tallo a una densidad de plantación de 2.7 tallos m-2 (40 cm entre matas y 1.65 m entre hileras). La temperatura del aire y la humedad relativa se registraron cada día con un termómetro de mercurio de máximas y mínimas de -30 a 50 °C (Herter®, Herter Instruments, Barcelona, España) y un termohigrómetro digital de -10 a 60 °C (TFA®, TFA Dostmann, Wertheim-Reicholzheim, Alemania), respectivamente. La temperatura de la planta se midió con un termómetro infrarrojo de pistola portátil con capacidad de medición de -20 a 350°C, y precisión de ± 2.5 °C, tiempo de respuesta 500 ms, longitud de onda 630-670 nm (Modelo Her-425®, San Diego, California, EUA) en el tercio superior de la planta en la hoja recientemente madura y expuesta a la radiación solar, haciendo un recorrido cercano al borde (1-2 cm del borde aproximadamente) del foliolo medio de la hoja (Righi et al., 2012). La temperatura del aire y planta se registró una vez por semana, considerando que la inercia de la radiación permanece invariable durante ese periodo y resultaría práctico para el productor. Se midió en 12 plantas al azar en la parte media y orillas, este y oeste del invernadero durante la hora de máxima insolación.
Cálculo de requerimiento de riego (Lámina de riego aplicada - Lra)
El cálculo de la Lra se estimó asumiendo una eficiencia del riego de 0.90 según Irmak et al. (2011), por lo que la lámina de riego se deriva de la Ec. 1.
Donde Lra es la lámina de riego aplicada (mm), Efr es la eficiencia de aplicación del sistema de riego por goteo 0.90 (adimensional) y RR es el requerimiento de riego o evapotranspiración real del cultivo, o ETc (mm).
Para estimar la evapotranspiración real del cultivo, se ajustó el modelo usado por Allen et al. (2006) de la Ec. 2.
Donde ETc es la evapotranspiración real del cultivo (mm), ETo es la evapotranspiración de referencia (mm dia-1) método tanque tipo B, FT es el factor de tanque, de tablas con factores climáticos (0.8) y Kc el coeficiente de cultivo (adimensional).
Se construyó un minievaporímetro tipo B con tapón de PVC sanitario clase norma M6, el cual fue colocado en el pasillo central del invernadero sobre una base de madera de 5 cm de altura para separarlo del suelo, que estaba cubierto con malla blanca (Figura 1). El agua se renovó cada 3 días para marcar el nivel inicial y final cada 24 horas (en mm) para ajustar la lámina de riego aplicada (Lra) diaria. El FT elegido fue de 0.8, correspondiente al caso B, caracterizado por viento ligero y humedad relativa media (Romero et al., 2009).
Figura 1 Ubicación del minievaporimetro tipo B (tapón de PVC sanitario clase norma M6) en el invernadero.
El Kc que se usó fue el valor máximo reportado por Valdés-Gómez et al. (2009), que corresponde a un invernadero con ventilación natural; este coeficiente se ajusta diariamente en función de la altura del cultivo y la humedad relativa mínima con la Ec. 3 (Čereković et al., 2010). El dato de la velocidad del viento se tomó de la bibliografía como un promedio máximo medido, reportado para invernaderos con ventilación natural, con valor promedio de 1.38 m s-1 (5 km h-1) (Kumar et al., 2009; Villagrán et al., 2012) debido a que no puede controlarse la velocidad del viento a 1 m s-1 como lo indica la ASABE (2003).
Donde Kc mid es el coeficiente del cultivo promedio, Kc mid (Tab) es 1.06 y 1.25 para el periodo muestreado, U2 es la velocidad del viento tabulada a 2 m de altura (1.38 m s-1), HRmin es la humedad relativa mínima diaria (%) y h es la altura del cultivo (m).
El Kc de la Ec. 2 se sustituyó por Kc mid (Ec.3) para calcular la evapotranspiración del tomate. Una vez obtenida la Lra en mm, ésta se expresó en mL m-2 usando 1 m2 de superficie de suelo (1,000,000 mm2) para calcular el volumen de riego por planta o tallo (Vr) como se indica en la Ec. 4. Con dichos valores y el caudal promedio (mL min-1) de los goteros medido en invernadero se calculó el tiempo de riego (Tr) en min, considerando dos goteros/planta (Ec. 5).
Donde Vr es el volumen de riego (mL), Lra es la lámina de riego aplicada (mL m-2, Dt es la densidad de plantas (2.7 plantas m-2).
Donde Tr es el tiempo de riego (min), Vr es el volumen de riego (mL), Qg es el gasto del gotero (mL min-1, 32 × 2 goteros en este caso).
Índice de estrés térmico
El índice de estrés térmico horario (IET h ) se calculó usando la Ec. 6. Se consideró el intervalo de temperatura de 18 a 25.5 °C como el óptimo para la fotosíntesis del cultivo de tomate (Shamshiri et al., 2018); con ello, se calcularon las relaciones Ta-25.5, Th-25.5, 18-Ta y 18-Th y se tomaron en cuenta sus valores positivos.
Donde IETh es el índice de estrés térmico horario (°C), Ta es la temperatura del aire horaria (°C), Th es la temperatura de la hoja horaria medida con termómetro infrarrojo (°C).
Sumando los valores del IETh se obtuvo el IET global (IETg); posteriormente, se definió en índice de estrés térmico estandarizado (IETh0-1), el cual se obtuvo dividiendo IETh entre IETh0-1 para obtener valores en una escala de 0-1 (Cuadro 1); con ello fue posible calcular el horario y tiempo de riego. El tiempo de riego se afina atendiendo el tiempo mínimo de riego y el estrés térmico detectado para reducir los eventos de riego, ya que se estima un incremento en el uso del sistema de bombeo (Flórez-Tuta et al., 2013). Para los datos del 8 de agosto de 2017 (Cuadro 1) se calculó un volumen de riego en 1.78 L por planta, equivalentes a un tiempo de riego de 27.81 min. Con estos datos se estima el tiempo de riego horario (Tr), del que se obtiene el tiempo de riego ajustado (Tra) en min, eliminando las fracciones (redondeo) y acumulando éstas al siguiente riego, como se muestra en Cuadro 1.
Cuadro 1 Horario y tiempo de riego calculados a partir del tiempo de riego diario.
| Hora del día | Ta | Th | IETh | IETh0-1 | Tr | Tra |
| °C | min | |||||
| 8:00 | 11.00 | 9.74 | 3.82 | 0.12 | 3.34 | 3 |
| 9:00 | 18.00 | 16.34 | 0.42 | 0.01 | 0.28 | |
| 10:00 | 23.00 | 18.36 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | |
| 11:00 | 27.00 | 23.63 | 1.72 | 0.05 | 1.39 | |
| 12:00 | 30.50 | 25.83 | 4.89 | 0.16 | 4.45 | 6 |
| 13:00 | 32.50 | 27.01 | 6.68 | 0.21 | 5.84 | 6 |
| 14:00 | 30.00 | 23.68 | 3.40 | 0.11 | 3.06 | 3 |
| 15:00 | 32.00 | 25.24 | 5.72 | 0.18 | 5.00 | 5 |
| 16:00 | 29.00 | 22.43 | 3.09 | 0.10 | 2.78 | 4 |
| 17:00 | 26.00 | 23.43 | 1.69 | 0.05 | 1.39 | |
| ƩIETh+= IETg | 31.43 | 1.00 | 27.53 | 27 | ||
Ta: temperatura del aire, Th: temperatura de la hoja, IETh: índice de estrés térmico horario (°C), IETh0-1: índice de estrés térmico estandarizado a 0-1, Tr: tiempo de riego, Tra: tiempo de riego ajustado.
Con esta metodología es factible estimar diariamente los momentos de riego en función de la variación del Kc y, en general, de las variables involucradas en el calculó de la ETo diaria. El horario del Cuadro 1 se estableció para el riego de toda la semana, detectándose variaciones únicamente en el volumen de riego en días nublados (Figura 3b), donde no había estrés y el riego de ese horario se suspendió.
Figura 2 A) Temperatura del aire, de frutos y hojas de tomate (n = 12), B) relación entre la temperatura del aire y de la hoja (n = 12) y C) fenología del jitomate en invernadero. Ta: temperatura del aire, Tfr: temperatura del fruto, Th: temperatura de la hoja.
Resultados y discusión
Al analizar la termometría de la planta pudo observarse que la temperatura del fruto fue mayor que la del ambiente (Figura 2a), por lo cual fue descartado como órgano de referencia. No obstante, la temperatura de la hoja (Th) y del aire (Ta) se incrementan siguiendo el mismo patrón; sin embargo, la Th alcanza un máximo a pesar de que la Ta continúa aumentando, registrándose gradientes térmicos de 3 a 7 °C (Figura 2b). A partir de ese momento, la planta utiliza mecanismos para mantener su temperatura (Buckley, 2005), ocurriendo el estrés térmico como se ha indicado en algodón (Burke et al., 1990). El registro fenológico permitió definir periodos de crecimiento del cultivo y el Kc, siendo el inicio de la floración, inicio de fructificación e inició de cosecha los más importantes. El número de hojas se incrementó de forma exponencial hasta 22 aproximadamente, realizando la primera poda a los 59 días después de trasplante (DDT), y de manera semanal a partir de esta fecha que se registró como los altibajos que se observan en la Figura 2c.
La evaporación registrada con el minievaporimetro tipo B mostró valores máximos de 6 mm d-1, siendo frecuente intervalos de ETc de 2 a 4 mm d-1. Estos valores son similares a los reportados por Čereković et al. (2010) y Ortega-Farias et al. (2000) en condiciones de invernadero, que corresponde a requerimientos hídricos de 0.9 a 1.82 L/planta. Valores similares fueron también indicados por Flores et al. (2007), quienes usaron sensores de flujo de savia, lisímetro de balance y Penman-Monteith modificado por FAO para tomate en invernadero. Otros investigadores han reportados valores similares en invernadero usando atmómetro, minievaporímetro UFV-1, modelo Penmann-Monteith y el tanque evaporímetro Tipo A (Blanco y Folegatti, 2004; Giambelluca et al., 1992; Ondrašek et al., 2007; Romero et al., 2009; Tagliaferre et al., 2013; Worth et al., 1994). La propuesta de este trabajo es un método de aplicación práctica para elegir el momento de aplicación del riego.
Cuadro 2 Estimación del momento y duración del riego en tomate en invernadero.
| Variables | Semanas de crecimiento | ||||||||||
| 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
| AP (cm) | 60.70 | 87.80 | 107.90 | 139.70 | 161.20 | 179.30 | 203.40 | 236.10 | 241.50 | 259.90 | 283.6 |
| Kc | 1.06 | 1.25 | 1.25 | 1.25 | 1.25 | 1.25 | 1.25 | 1.25 | 1.25 | 1.25 | 1.25 |
| ETc | 2.30 | 5.37 | 2.70 | 4.35 | 2.20 | 2.20 | 2.21 | 4.41 | 5.51 | 3.33 | 2.79 |
| HRm (%) | 20.00 | 25.00 | 25.00 | 38.00 | 40.00 | 50.00 | 44.00 | 51.00 | 48.00 | 50.00 | 39.00 |
AP: altura de planta, ETc: evapotranspiración del cultivo, HRm: humedad relativa mínima.
En el IETh de la Figura 3 se observa que el mayor estrés por temperaturas altas se presenta desde las 12:00 hasta las 16:00-17:00 horas. Investigaciones similares señalan que durante periodos de estrés la fisiología del tomate tiene mecanismos para tomar agua de sus frutos para la evapotranspiración, en casos extremos, afectando de manera negativa la calidad de los mismos (De Swaef et al., 2012). En un día con periodos nublados (Figura 3b) el estrés de la planta disminuye, como se observa en el horario de las 14:00 horas, pues se ha estimado que el tiempo de respuesta fisiológica del tomate a la falta de agua es de aproximadamente cinco min (Lee, 2013). En octubre el IETg disminuye (Figura 3d); sin embargo, el cultivo está sometido a estrés por temperaturas bajas y altas afectando la maduración y calidad de los frutos, como ya se ha indicado en otras investigaciones (Liu et al., 2013; Kacjan Maršić et al., 2011; Lizarraga et al., 2003;).
Con el IETh se determinaron de tres a siete eventos de riego, aunque se aplicaron hasta ocho; un número menor a los estimados por Rojas et al. (2003), lo cual significó un ahorro en el consumo de energía en comparación con los sistemas retroalimentados (Nikolaou et al., 2019). En tomate cultivado en tezontle y suelo, Ojodeagua et al. (2008) aplicaron de 8 a 15 riegos de 3 min por día y concluyeron que en suelo hay un ahorro de agua de 24 a 30 %. El 11 de septiembre a las 08:00 a.m. se determinó un tiempo de riego mayor a 12 min, para evitar sobre-riego se decidió fraccionarlo en dos aplicaciones, la mitad en el horario indicado y el resto con el siguiente horario de media hora (08:30 a.m.). Bajo las condiciones expuestas, se estimó la relación entre los mL de agua por grado centígrado que es necesario aplicar en tiempo real, la cual varía a lo largo del ciclo de cultivo, como se muestra en el Cuadro 3.
Cuadro 3 Eventos y tiempos de riego calculados en un día soleado de cuatro semanas.
| 26/07/2017 | 08/08/2017 | 11/09/2017 | 02/10/2017 | |||||||||
| Vr (mL/planta) | 950 | 1780 | 1820 | 1150 | ||||||||
| Tr (min) | 14.8 | 27.8 | 28.4 | 17.9 | ||||||||
| Horario | IETh0-1 | Tr0-1 | Tra | IETh0-1 | Tr0-1 | Tra | IETh0-1 | Tr0-1 | Tra | IETh0-1 | Tr0-1 | Tra |
| 08:00 | 0.066 | 0.97 | 0.121 | 3.36 | 3 | 0.286 | 8.12 | 8 | 0.385 | 6.89 | 6 | |
| 08:30 | ||||||||||||
| 09:00 | 0.036 | 0.53 | 0.013 | 0.36 | 0.199 | 5.56 | 5 | 0.381 | 6.82 | 7 | ||
| 10:00 | 0.003 | 0.04 | 0.000 | 0.00 | 0.036 | 1.02 | 0.175 | 3.13 | 4 | |||
| 11:00 | 0.000 | 0.00 | 0.055 | 1.53 | 0.000 | 0.00 | 0.059 | 1.05 | ||||
| 12:00 | 0.134 | 1.98 | 3 | 0.156 | 1.33 | 3 | 0.000 | 0.00 | 0.000 | 0.00 | ||
| 13:00 | 0.221 | 3.27 | 4 | 0.213 | 5.92 | 6 | 0.076 | 2.16 | 4 | 0.000 | 0.00 | |
| 14:00 | 0.309 | 4.57 | 4 | 0.108 | 3.00 | 3 | 0.113 | 3.21 | 3 | 0.000 | 0.00 | |
| 15:00 | 0.163 | 2.41 | 0.182 | 5.06 | 5 | 0.157 | 4.46 | 4 | 0.000 | 0.00 | ||
| 16:00 | 0.067 | 0.99 | 4 | 0.098 | 2.72 | 3 | 0.133 | 3.78 | 4 | 0.000 | 0.00 | |
| 17:00 | 0.000 | 0.00 | 0.054 | 1.50 | 3 | 0.000 | 0.00 | 0.000 | 0.00 | |||
| IETg (°C) | 22.38 | 31.43 | 13.23 | 5.78 | ||||||||
| mL °C-1 | 42.45 | 56.63 | 137.56 | 198.96 | ||||||||
Vr: volumen de riego, Tr: tiempo de riego estimado, IET0-1: índice de estrés térmico en escala 0-1, Tr0-1: tiempo de riego estandarizado en escala 0-1, Tr a : tiempo de riego ajustado sin fracciones y tiempo de riego ≥ 3 min y ≤ 12 min.
El rendimiento del cultivo se estimó en aproximadamente 165 t ha-1 (valor extrapolado), cuya calidad de frutos fue principalmente extra y primera (58.88 %), con aproximadamente 13.94 % de “canica” debido a la falta de polinización; mientras tanto, en la categoría de segunda y tercera se obtuvo 20.82 % y 6.34 %, respectivamente. La merma se debió principalmente a frutos con cicatriz carpelar y deformaciones del fruto. De acuerdo con datos del SIAP (2020), el rendimiento promedio nacional fue de 168.48 t ha-1, apenas 3.5 toneladas más que el registrado en el ciclo evaluado con el hibrido El Cid F1.
Conclusiones
Se contribuyó en el proceso de calendarización del riego en invernaderos de mediana-baja tecnología mediante el uso de un tanque evaporímetro Tipo B para estimar una lámina de riego diaria y mediciones de temperatura para definir el momento de la aplicación del riego. Con esta propuesta metodológica fue posible estimar volúmenes de riego, bajo las condiciones regionales de Temascalcingo, Estado de México, en el intervalo de 0.95 a 1.82 L/planta/día durante el ciclo. Mediante el Índice de Estrés Térmico horario (IET h ) propuesto fue posible proponer el horario y duración del riego. Utilizando el IETh se determinaron entre cinco y ocho eventos de riego diarios con duración entre tres y ocho minutos.
