evaluación de la productividad y la dinámica del agua y el

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE AGRONOMÍA

Evaluación de la productividad y la dinámica del agua y el nitrógeno en

cultivos hortícolas bajo invernadero, con el modelo EU-Rotate_N

Tesis Doctoral

Freddy Soto Bravo

Directores:

Dra. María Luisa Gallardo Pino

Dr. Rodney B. Thompson

Almería, mayo de 2013

Universidad de Almería

Departamento de Agronomía

Carretera Sacramento s/n

La Cañada de San Urbano 04120 Almería, España

Dra. Doña. María Luisa Gallardo Pino, Catedrática de Producción vegetal, del Departamento de

Agronomía de la Universidad de Almería, y Dr. Rodney B. Thompson, Profesor Titular de

Universidad, del Departamento de Agronomía de la Universidad de Almería.

INFORMAN QUE:

La presente Tesis Doctoral titulada “Evaluación de la productividad y la dinámica del agua y el

nitrógeno en cultivos hortícolas bajo invernadero, con el modelo EU-Rotate_N”, presentada por

Freddy Soto Bravo, ha sido realizada bajo su dirección y cumple con las condiciones exigidas para

optar al grado de Doctor por la Universidad de Almería, por lo que autorizan su presentación para

que sea juzgada por el tribunal correspondiente.

Y para que así conste y surta los efectos oportunos, firman el presente documento en Almería a 8

de mayo de 2013.

Fdo.: Dra. María Luisa Gallardo Pino Fdo.: Dr. Rodney B. Thompson

Catedrática de Universidad Profesor Titular de Universidad Dpto. Producción Vegetal Dpto. Producción Vegetal Universidad de Almería Universidad de Almería

Almería, 08 de mayo de 2013

A mis dos ángeles: Kattia y Kamila

A mi cariñosa madre.

A la memoria de mi padre: que me heredó el espíritu de lucha, esfuerzo y superación.

Agradecimientos

A la Universidad de Costa Rica, representada por todas aquellos funcionarios de la Oficina

de Asuntos Internacionales, Escuela de Agronomía y Estación experimental Fabio Baudrit Moreno,

que con su trabajo hacen posible el crecimiento y superación profesional del personal Docente.

A mis tutores Marisa Gallardo y Rodney Thompson, por su gran dedicación y pasión al

trabajo, por guiarme y darme esa formación científica durante el proceso de elaboración de esta

tesis doctoral.

A mi familia de Costa Rica, que siempre me mostraron su apoyo, y especialmente a mi

hermano Wilberth por su gran apoyo.

A Isabel Rojas, Jan van der Bloom y familia, por el gran apoyo y cariño en esta etapa de mi

vida.

A las compañeras del equipo de trabajo Carolina Martínez, Tere Peña y Anabel Padilla, por

su gran trabajo de campo y el manejo de datos experimentales.

A mi compañero y amigo Carlos Méndez, por su gran ayuda y apoyo para dar el salto al

mundo académico.

A la Estación Experimental de la Fundación Cajamar por apoyar y colaborar con las

instalaciones e invernaderos, y a María Rosa Granados por el trabajo de campo realizado como

parte de esta tesis doctoral.

A todas aquellas personas de la Fundación UAL-Anecop, que con su trabajo colaboraron

en esta tesis, como Fernando, Natalio y el personal de campo.

A Antonio Lidón de la Universidad Politécnica de Valencia, por su valiosa ayuda durante

parte del proceso de investigación.

Este trabajo ha sido financiado con el proyecto RTA2008-00081-C5-04 del Instituto

Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA) y con el proyecto AGL2008-

03774/AGR del Ministerio de Ciencia e Innovación cofinanciado con fondos FEDER

Índice

Índice General

Descripción Página

Índice de Tablas i

Índice de Figuras iii

Resumen general v

Abstract vii

Justificación y objetivos ix

Capítulo 1 Nitrógeno y agricultura: Antecedentes y problemática, uso de modelos de

simulación de la dinámica del agua y N en cultivos hortícolas

1. Nitrógeno y agricultura, antecedentes 2

2. Problemática del nitrógeno en la agricultura 3

2.1. Contaminación de recursos hídricos 3

2.2. Riesgos para la salud humana 4

2.3. Contaminación con nitratos en España 5

2.4. Contaminación con nitratos en Almería 5

3. Alternativas a la problemática del N en la agricultura 7

4. Legislación ambiental de nitratos 8

5. Modelos de simulación de cultivos hortícolas 9

5.1. Tipos de modelos en cultivos hortícolas 10

5.2. Evaluación de modelos de simulación 10

5.3. Importancia agronómica de los modelos de simulación 13

5.4. Modelos de simulación en cultivos hortícolas bajo invernadero 14

5.5. Modelos que simulan la dinámica del N en cultivos 14

6. El modelo de simulación EU-Rotate_N 15

6.1. Entradas del modelo 16

6.2. Crecimiento y productividad 19

6.3. El enfoque del suelo 21

6.4. Módulo de raíces 21

6.5. Extracción de N 22

6.6. Módulo de agua 23

6.7. Módulo de mineralización 25

6.8. Aplicaciones del Modelo EU-Rotate_N 26

Referencias 28

Capítulo 2 Simulación del crecimiento y la dinámica del agua y el N utilizando el

modelo de simulación EU-Rotate_N, en cultivo de tomate bajo

invernadero Mediterráneo con riego por goteo y fertirrigación

Resumen 38

1. Introducción 39

2. Materiales y métodos 42

2.1. Sitio experimental 42

Índice

2.2. Cultivos y tratamientos 43

2.3. Parámetros de clima 46

2.4. Propiedades de suelo 46

2.5. Humedad volumétrica y nitrógeno mineral del suelo 47

2.6. Volumen y concentración de N en el riego aplicado y en drenaje 47

2.7. Evapotranspiración del cultivo 48

2.8. Materia seca, rendimiento y extracción de nitrógeno 48

2.9. EU-Rotate_N, configuración y entradas del modelo 49

2.9.1. Calibración del modelo EU-Rotate_N 50

2.9.1.1. Calibración del crecimiento, extracción de

nitrógeno y producción de frutos 51

2.9.1.2. Calibración de la Evapotranspiración 52

2.9.2. Evaluación del funcionamiento del modelo 53

3. Resultados 54

3.1. Producción de materia seca, extracción de N y producción de fruto 54

3.2. Simulación de la evapotranspiración, drenaje y lixiviación de nitratos 58

3.3. Dinámica del agua y nitrógeno mineral en el suelo 61

4. Discusión 65

Referencias 71

Capítulo 3 Evaluación del modelo de simulación EU-Rotate_N en una secuencia de cultivos melón-pimiento bajo invernadero mediterráneo

Resumen 77

1. Introducción 78


2.1. Localización 81

2.2. Descripción de cultivos 81

2.3. Descripción de estrategias de manejo de cultivos 83

2.4. Determinaciones 84

2.4.1. Clima 84

2.4.2. Propiedades del suelo experimental 85

2.4.3. Contenido de humedad y nitrógeno mineral en el suelo 86

2.4.4. Volúmenes de riego, drenaje y lixiviación de nitratos 87

2.4.5. Evapotranspiración 87

2.4.6. Materia seca, producción de frutos y extracción de N 88

2.5. El modelo de simulación EU-Rotate_N 89

2.5.1. Entradas del modelo 89

2.5.2. Calibración del modelo 90

2.5.2.1. Calibración de la Evapotranspiración 91

2.5.2.2. Calibración de crecimiento, extracción de N y rendimiento

92

2.5.3. Validación del modelo 92

Índice

3. Resultados 94

3.1. Calibración del modelo 94

3.1.1. Crecimiento, extracción de nitrógeno y producción comercial 94

3.1.2. Evapotranspiración, drenaje y lixiviación de nitratos 96

3.1.3. Dinámica del agua y nitrógeno mineral en el suelo 98

3.2. Validación del modelo 99

3.2.1. Crecimiento, extracción de N y productividad 99

3.2.2. Evapotranspiración, drenaje y lixiviación de nitratos 102

3.2.3. Dinámica del agua y nitrógeno mineral en el suelo 105

4. Discusión 108

Referencias 113

Capítulo 4 Efecto de niveles crecientes de nitrógeno sobre la productividad y

lixiviación de nitratos en el cultivo de tomate en suelo enarenado

bajo invernadero mediterráneo.

Resumen 118

1. Introducción 119


2.1. Sitio experimental 121

2.2. Experimentos y tratamientos 122

2.3. Parámetros de clima 124

2.4. Propiedades físicas, químicas e hidráulicas del suelo 125

2.5. Contenido de humedad y nitrógeno mineral del suelo 125

2.6. Volúmenes de riego y drenaje, y lixiviación de nitratos 126

2.7. Evapotranspiración 126

2.8. Materia seca, producción de frutos y extracción de nitrógeno 126

2.9. Determinación de N crítico 128

2.10. Producción y calidad de frutos 128

2.11. Diseño experimental y análisis estadístico 129

3. Resultados 130

3.1. Crecimiento del cultivo 130

3.2. Extracción de nitrógeno 132

3.3. Relación entre extracción de nitrógeno y N disponible para el cultivo 135

3.4. Rendimiento 136

3.5. Rendimiento, N disponible para el cultivo y extracción de nitrógeno 136

3.6. Calidad de fruto 137

3.7. Drenaje, lixiviación de nitratos y nitrógeno mineral en el suelo 138

4. Discusión 140

Referencias 145

Conclusiones generales 148

Índice de Tablas

i

Índice de Tablas

Capítulo 1 Página

Tabla 1. Valores promedios de materia seca (MS), concentración de N en planta, riego

y N aportado, producción comercial, eficiencia de uso de agua (EUA) y extracción de N

en los cultivos de tomate, pimiento y melón bajo invernadero mediterráneo.

7

Tabla 2. Descripción de variables requeridas en el archivo de entrada (archivo dia),

para la ejecución del modelo.

17

Tabla 3. Descripción de parámetros de cultivo, en la Tabla de cultivo (crop table) del

modelo EU-Rotate_N, para cada módulo de simulación.

18

Capítulo 2

Tabla 1. Propiedades del suelo experimental utilizadas en el archivo de entrada, en las

simulaciones con EU-Rotate_N.

43

Tabla 2. Para los cuatro experimentos y diez tratamientos, concentración media de N

(N-NO3- + N-NH4

+) y cantidad total de N aplicado, volumen total de riego, N mineral al

trasplante y materia seca objetivo del cultivo de tomate, utilizados en el estudio.

44

Tabla 3. Para cada cultivo, valores promedios estacionales de temperatura del aire y

humedad relativa máxima, mínima y media, radiación solar (RS) y evapotranspiración

de referencia (ETo) de periodos de 24 horas, en el interior del invernadero.

45

Tabla 4. Concentración de macronutrientes en la solución nutritiva aplicada en el

fertiriego, según etapa fenológica de los cultivos de tomate de 2008, 2009, 2010 y

2011.

46

Tabla 5. Parámetros de cultivo en la Tabla de cultivo de EU-Rotate_N para tomate al

aire libre (por defecto) y los obtenidos para el cultivo de tomate bajo invernadero, en

ciclos de otoño-invierno (O-I) y primavera (P).

51

Tabla 6. Índices estadísticos utilizados para evaluar el comportamiento del modelo en

la simulación de las distintas variables de cultivo y suelo consideradas en el estudio.

55

Capítulo 3

Tabla 1. Descripción de las cuatro secuencias experimentales de cultivos melón-

pimiento, incluyendo fechas de cultivo, datos de manejo del riego y fertilización N,

materia seca (MS) y N mineral (Nmin) en el suelo al trasplante.

82

Tabla 2. Para cada cultivo, valores promedio estacionales de temperatura del aire y

humedad relativa máxima, mínima y media, radiación solar (RS) y evapotranspiración

de referencia (ETo) de periodos de 24 horas, en el interior del invernadero.

85

Tabla 3. Propiedades del suelo experimental, utilizadas como entradas en la ejecución

del modelo EU-Rotate_N.

85

Tabla 4. Parámetros agronómicos en la Tabla de cultivos de EU-Rotate_N para cultivos

de melón y pimiento al aire libre (valores por defecto), y los obtenidos en el proceso de

calibración para ambos cultivos bajo invernadero.

91

Índice de Tablas

ii

Tabla 5. Índices estadísticos utilizados para evaluar el comportamiento del modelo

para simular las distintas variables analizadas en la secuencia de calibración melón y

pimiento MC-06, sin calibrar y calibrado.

95

Tabla 6. Valores simulados y medidos de producción comercial en los cultivos melón y

pimiento de las secuencias MC-05, MM-05, MC-06 y MM-06, una vez calibrado el

modelo.

96

Tabla 7. Índices estadísticos utilizados para evaluar el comportamiento del modelo

para simular materia seca, extracción de N, ETc, drenaje y lixiviación de N-NO3- en los

cultivos de melón y pimiento de las secuencias de validación MC-05, MM-05 y MC-06.

100

Tabla 8. Índices estadísticos utilizados para evaluar la capacidad del modelo para

simular la humedad volumétrica y el N mineral en el suelo, desde el trasplante del

cultivo de melón hasta el final del ciclo de pimiento, y el drenaje y lixiviación de N-NO3-

durante los periodos entre cultivos (PEC), en las secuencias MC-05, MM-05 y MC-06.

105

Capítulo 4

Tabla 1. Principales propiedades físicas, químicas e hidráulicas del perfil de suelo de 0-

60 cm al inicio del estudio.

121

Tabla 2. Para cada ensayo y tratamiento, valores totales de volumen de riego y

cantidad de N mineral en el suelo al trasplante, concentración media de N (N-NO3- + N-

NH4+) aplicado, cantidad de N aplicado en fertiriego, mineralización aparente de N de la

materia orgánica del suelo (MAN) y N disponible para el cultivo (NDC).

122

Tabla 3. Para cada experimento, valores promedio estacionales de temperatura del

aire y déficit de presión de vapor (DPV), máxima, mínima y media, radiación solar (RS) y

evapotranspiración de referencia (ETo) de periodos de 24 horas, en el interior del

invernadero.

123

Tabla 4. Concentración de macronutrientes en solución nutritiva aplicada en el

fertiriego por etapa fenológica, en los cultivos OI-2010 y P-2011.

124

Tabla 5. Producción de materia seca en tallos, hojas, frutos y total, índice generativo

vegetativo (IGV) e índice de área foliar (IAF), para cada tratamiento y experimentos OI-

2010 y P-2011.

131

Tabla 6. Extracción de nitrógeno en tallos, hojas, frutos y total por tratamiento y

experimentos OI-2010 y P-2011.

134

Tabla 7. Valores promedios de producción de fruto por categorías (G, M, MM), destrío

(D), producción comercial (PC) y total (PT) para cada tratamiento y experimento OI-

2010 y P-2011.

136

Tabla 8. Parámetros de calidad en frutos, incluyendo número total de frutos por m2 (Nº

FT), peso medio de fruto (PMF), materia seca (MS), firmeza, grados brix y pH, para cada

tratamiento y experimentos OI-2010 y P-2011.

137

Índice de Figuras

iii

Índice de Figuras

Capítulo 2 Página

Figura 1. Relación entre valores medidos y simulados de producción de MS (a, b) y

extracción de N (c, d); para los tratamientos bajo condiciones no limitantes (a, c) y

limitantes de N (b, d). La línea discontinua corresponde a la línea 1.

54

Figura 2. Evolución estacional de valores medidos y simulados de producción de MS y

extracción de N para los tratamientos P-08-NC (a, b), OI-09-N3 (c, d) y P-11-N2 (e, f)

57

Figura 3. Valores medidos y simulados de producción de fruto comercial bajo

condiciones de (a) N no limitante y (b) N limitante.

58

Figura 4. Relación entre valores medidos y simulados de (a) evapotranspiración, (b)

drenaje y (c) lixiviación de N-NO3- para los datos agrupados de todos los tratamientos.

La línea discontinua corresponde a la línea 1:1.

59

Figura 5. Evolución estacional de valores medidos y simulados de evapotranspiración

(ETc), drenaje y lixiviación de N-NO3- para los tratamientos P-08-NC (a, d, g), OI-09-N3 (b,

e, h) y OI-11-N2 (c, f, i).

60

Figura 6. Comparación entre valores medidos y simulados de humedad volumétrica del

suelo (Hv) en los perfiles (a) 0-30 cm y (b) 30-60 cm, y N mineral del suelo en los

perfiles (c) 0-30 cm y (d) 0-60 cm, para los datos agrupados de todos los tratamientos.

En las figuras c y d no se incluyen los tratamientos del 2009 (OI-09-N2, OI-09-N3) en la

ecuación de regresión lineal. La línea discontinua corresponde a la línea 1:1.

62

Figura 7. Evolución estacional de valores simulados y medidos de la humedad

volumétrica del suelo (Hv) en los perfiles de 0-30 cm y 30-60 cm, y N mineral en los

perfiles de 0-30 cm y 0-60 cm, para los cultivos de tomate P-08-CN, (a, b), OI-09-N3 (c,

d) y P-11-N2 (e, f)

64

Capítulo 3

Figura 1. Evolución estacional de valores medidos y simulados de materia seca (MS) y

extracción de N para los cultivos de melón y pimiento MC-06 con el modelo sin

calibración (a y c) y calibrado (b y d). Las barras indican el error estándar de las

medias.

94

Figura 2. Evolución estacional de valores medidos y simulados de evapotranspiración

(a, b), drenaje (c, d) y lixiviación de N-NO3- (e, f) en la secuencia de cultivos melón-PEC-

pimiento MC-06, con el modelo sin calibración (a y c) y calibrado (b y d). Las barras

indican el error estándar de las medias, PEC= periodo entre cultivos.

97

Índice de Figuras

iv

Figura 3. Evolución estacional de valores medidos y simulados de humedad volumétrica y

contenido de N mineral en diferentes perfiles de suelo en la secuencia de cultivos melón-

PEC-pimiento MC-06, con el modelo sin calibrar (a, c) y calibrado (b, d). PEC: periodo

entre cultivos. Las barras indican el error estándar de las medias.

99


contenido de N mineral en diferentes perfiles de suelo en la secuencia de cultivos melón-

PEC-pimiento MC-06, con el modelo sin calibrar (a, c) y calibrado (b, d). PEC: periodo

entre cultivos. Las barras indican el error estándar de las medias.

101

Figura 5. Evolución estacional de valores medidos y simulados de ETc, drenaje y lixiviación

de N-NO3- para los cultivos de melón y pimiento en las secuencias de validación CM-05 (a,

d, g), IM-05 (b, e, h) y IM-06 (c, f, i). Las barras indican el error estándar de las medias.

103


N mineral en diferentes perfiles de suelo, en las secuencias melón-PEC-pimiento bajo (a)

MC-05, (b) MM-05 y (c) MM-06. PEC: periodo entre cultivos. Las barras indican el error

estándar de las medias.

107

Capítulo 4

Figura 1. Evolución estacional de valores acumulados de materia seca (MS) e índice de

área foliar (IAF) por tratamiento y experimento, (a) MS en OI-2010, (b) MS en P-2011, (c)

IAF en OI-2010 y (c) IAF en P-2011. Las siglas ds indican diferencias significativas (P<0.05)

entre medias de tratamientos, según el procedimiento de diferencia mínima significativa

(LSD) de Fisher.

130

Figura 2. Curvas de dilución de N crítico para el cultivo de tomate (a) OI-2010 y (b) P-2011,

comparadas con las curvas de N crítico de Tei et al., (2010) y Lemaire et al., (1997); y

evolución estacional de valores promedios de extracción de N acumulado en (a) OI-2010 y

(b) P-2011, donde las líneas de puntos corresponden a las curvas de extracción de N

crítico obtenidas en cada experimento.

133

Figura 3. Relación entre (a) N extraído y N disponible para el cultivo en los ensayos OI-

2010 y P-2011; y la relación entre rendimiento (total y comercial) del ensayo P-2011 con

(b) el N disponible para el cultivo y (c) el N extraído. Los marcadores representan valores

promedios de rendimiento para cada tratamiento. Las líneas continuas y de puntos

corresponden a las líneas de regresión polinomial.

135

Figura 4. Para cada tratamiento de los experimentos OI-2010 y P-2011, valores promedios

(símbolos) de (a, d) volumen total de riego, evapotranspiración (ETc) y drenaje; (b,

e)concentración de N en solución nutritiva aplicada y en drenaje y (c, f) cantidad de N

disponible para el cultivo (NDC), N aplicado en fertiriego, N mineral en el suelo al final del

cultivo (N residual) y nitrato lixiviado (N-NO3- lix).

139

Resumen general

v

Resumen general

En el presente estudio se evaluó el comportamiento del modelo EU-Rotate_N para

simular varios parámetros de cultivo y la dinámica del agua y N en suelo y planta, en los cultivos

de melón y pimiento en secuencia, incluyendo el periodo de manejo del suelo entre cultivos

(PEC), y en cultivo de tomate en suelo bajo invernadero mediterráneo. Considerando las

diferencias existentes entre cultivos bajo invernadero y al aire libre, algunos parámetros del

modelo fueron calibrados. Adicionalmente, se evaluó el efecto de niveles crecientes de N

aplicado en fertiriego, considerando también otras fuentes de N en el suelo, sobre el crecimiento,

producción comercial, lixiviación de nitratos y acumulación de N en el suelo en el cultivo de

tomate. En todos los cultivos se utilizó riego por goteo y fertirrigación frecuente, aplicando N en

todos los riegos.

En tomate, el modelo fue calibrado y validado, utilizando datos experimentales de diez

tratamientos realizados en cuatro años diferentes (2008-2011), con diferentes aportes de riego y

N fertilizante, y diferentes cantidades de N mineral en suelo en trasplante. En los cultivos de

melón y pimiento se realizó un estudio en cuatro secuencias de melón-pimiento (2005-2006) bajo

un manejo convencional (MC) y un manejo mejorado (MM) del riego y abonado N. El modelo se

calibró para cada cultivo, a partir de datos experimentales de una secuencia melón-pimiento bajo

MC (MC-06); y seguidamente se validó en una secuencia bajo MC (MC-05) y en dos secuencias

bajo MM (MM-05, MM-06). En los cultivos bajo MC, el volumen, la frecuencia y el aporte de N,

correspondieron a las prácticas de MC de la zona. Bajo MM, el riego y el aporte de N tuvieron un

manejo prescriptivo- correctivo basado en técnicas de modelización y monitorización.

Bajo condiciones no limitantes de N, el modelo una vez calibrado, simuló con exactitud en

cultivos de melón-pimiento en secuencia y en tomate, la producción de materia seca, la

extracción de N, la producción comercial de fruto, la evapotranspiración (ETc) y el contenido

humedad volumétrica en el suelo (Hv). De forma general para los tres cultivos evaluados, la

simulación del drenaje, aunque menos exacta, tuvo un comportamiento aceptable. La simulación

del N-NO3- lixiviado tuvo un comportamiento más errático, con una tendencia a la subestimación.

El N mineral del suelo fue bien simulado en cultivos con niveles moderados de N en el suelo,

siendo subestimado en cultivos con niveles elevados de N en el suelo.

En tomate, bajo condiciones limitantes de N en el suelo, la producción de materia seca,

extracción de N y producción de fruto comercial, fueron subestimados por el modelo.

Considerando todos los tratamientos evaluados, la simulación del drenaje tuvo un

comportamiento aceptable para cultivos con drenaje <60 mm. El N mineral del suelo fue bien

simulado en la mayoría de cultivos, excepto en los tratamientos del 2009, donde fue

Resumen general

vi

apreciablemente subestimado. En las secuencias de cultivo melón-pimiento, la ETc y el drenaje

fueron correctamente simuladas en ambos cultivos bajo MC-06 y MM-06; mientras que en las

secuencias pimiento MC-05 y MM-05, la ETc y el drenaje fueron ligeramente sub y sobre

estimados respectivamente. La simulación del N mineral del suelo fue aceptable en las secuencias

del 2006, y subestimado en las secuencias del 2005. La tendencia del modelo a subestimar el N

mineral del suelo, estuvo probablemente relacionada con una simulación deficiente del N

mineralizado de la materia orgánica en condiciones mediterráneas, que afectó la concentración

de N mineral en el suelo y consecuentemente al N-NO3- lixiviado. Como herramienta de

evaluación en los diferentes cultivos evaluados, el modelo simuló una reducción apreciable del

drenaje, N-NO3- lixiviado y N mineral acumulado en el suelo, en los cultivos bajo un buen manejo

del riego y del abonado nitrogenado, respecto a los cultivos bajo excesos de N y agua.

En el cultivo de tomate se evaluó el efecto del N disponible en el suelo sobre la

producción de materia seca (MS), extracción de N, producción de fruto, calidad de fruto, drenaje,

lixiviación de N-NO3- y contenido de N mineral del suelo. Para ello, se realizó un ensayo en un

cultivo de otoño-invierno (2010) y otro de primavera (2011), con cuatro dosis crecientes de N (de

N1 a N4) y diferentes cantidades de N en el suelo al trasplante. Los resultados de este estudio

sugieren que la aplicación de dosis crecientes de N en fertiriego En cultivo de tomate bajo

invernadero, considerando además del fertiriego, otras fuentes de N del suelo, tales como el N

mineral del suelo en el trasplante y el N mineralizado de la materia orgánica del suelo tuvo

distinta respuesta entre ciclos de cultivo en las distintas estaciones. En el ciclo de tomate de

otoño-iniverno, no hubo diferencias entre tratamientos en producción de MS, N extraído y

rendimiento de frutos, mientras que si hubo diferencias en el ciclo de tomate de primavera. En

tomate de primavera, el tratamiento N1 (1 mmol L-1) presentó la menor producción de MS,

extracción de N y rendimiento. El tratamiento N2 (5.1 mmol L-1) no presentó diferencias en MS,

extracción de N y en producción comercial con los tratamientos N3 (13.5 mmol L-1) y N4 (22 mmol

L-1). El tratamiento N2 obtuvo la mayor producción de MS en fruto por kg de MS vegetativa. La

cantidad de N-NO3- lixiviado y la acumulación de N mineral en el suelo al final de ciclo,

incrementaron con el aumento en la concentración de N aplicado en fertiriego y la cantidad de N

disponible (N fertilizante aplicado, el N mineral del suelo al trasplante y N mineralizado de la

materia orgánica).

Abstract

vii

Abstract

This thesis evaluated the capacity of the EU-Rotate_N model to simulate various crop

parameters and the dynamics of water and N in soil, in crops of melon and pepper grown in

sequence including a period of soil management between crops, and in crops of tomato. All crops

were grown in soil in Mediterranean greenhouses. All crops were grown with combined high

frequency drip irrigation and fertigation in which N was applied in all irrigations. Because of some

notable differences between crops grown in Mediterranean greenhouses and in open fields, it

was necessary to calibrate a number of model parameters. Additionally, the effects of adding

increasing amounts of N through fertigation, while also considering sources of soil N (soil mineral

N at transplanting, N mineralized from organic materials), on growth, commercial production,

NO3- leaching and accumulation of soil mineral N at the end of the crop were evaluated in tomato.

For tomato, the model was calibrated and validated using experimental data from ten

different treatments conducted in four different years (2008-2011); the treatments provided

different amounts of N fertilizer and irrigation and different amounts of soil mineral N at

transplanting. In the crops of melon and pepper, a study was conducted examining four

sequences of melon and pepper (2005-2006) under conventional management (CM) and

improved management (MM) of both irrigation and fertilization N. The EU-Rotate_N model was

calibrated for melon and pepper, with experimental data from a CM melon-pepper sequence

(MC-06) and validated in a sequence with CM (MC-05) and in two sequences with MM (MM-05,

MM-06). In the crops in the CM sequences, irrigation volume and frequency, and N supply

corresponded to established commercial practices in the region. Under MM, irrigation and N

supply had a prescriptive-corrective management system, with the prescriptive management

component being based on modeled crop requirements and the corrective management

component being based on the use of monitoring techniques.

In general, once calibrated and when N was not limiting crop growth, the EU-Rotate_N

model accurately simulated dry matter (DM) production, crop N uptake, commercial fruit

production, crop evapotranspiration (ETc), and the volumetric soil water content (Hv) for melon,

pepper and tomato crops. As general observations for all crops, (i) drainage simulation although

less accurate than the previously mentioned parameters was generally acceptable, (ii) simulation

of NO3- leaching was comparatively more erratic, with a tendency to under estimation, and (iii)

soil mineral N was accurately simulated in crops with moderate levels of soil mineral N and

underestimated in crops with high amounts of soil mineral N.

In the tomato treatments where N was limiting, DM production, crop N uptake, and

commercial fruit production were underestimated by the model. Considering all tomato

Abstract

viii

treatments, (i) simulation of drainage was acceptable for total volumes of <60 mm, and (ii) soil

mineral N was well simulated in most crops, except in treatments of 2009, which was significantly

underestimated.

In cropping sequences of melon and pepper, ETc and drainage were accurately simulated

in both crops in the sequences MC-06 and MM-06, and slightly under and overestimated,

respectively, in the pepper crops in the sequences MC-05 and MM-05. Simulation of soil mineral

N was acceptable in 2006 sequences, and was underestimated in the sequences of 2005. The

generalized tendency to underestimate the soil mineral N was probably related to poor simulation

of N mineralized from soil organic matter in Mediterranean conditions, which affected the

content of mineral N in the soil and consequently the NO3- leaching.

As an assessment tool in the different crops examined, the model simulated appreciable

reduction in drainage, NO3- leaching and mineral N accumulated in the soil in crops with good

management of irrigation and N fertilization compared to crops receiving excessive N and

irrigation.

In two soil-grown tomato crops, the effects of available N (applied fertilizer N, soil mineral

N at transplanting, N mineralized during the crop) on the production of dry matter, crop N uptake,

commercial fruit production, fruit quality, drainage, NO3- leaching, and soil mineral N were

evaluated. The crops used were an autumn-winter (2010) and a spring (2011) crop, each with

four increasing doses of N (N1 to N4) and different amounts of N in the soil at transplanting. The

results suggested that the application of increasing doses of N through fertigation when also

considering soil mineral N in the transplant and the N mineralized soil from organic material had

different responses between the two different seasonal crop cycles. In the autumn-winter

tomato, there was no difference between treatments in DM production, crop N uptake, and

commercial fruit production, while there were differences in the tomato grown with a spring

cycle. In the spring cycle tomato, treatment N1 (1 mmol L-1) had the lowest DM production, crop

N uptake, and commercial fruit production. Treatment N2 (5.1 mmol L-1) was not different to

treatments N3 (13.5 mmol L-1) and N4 (22 mmol L-1) in DM production, crop N uptake and

commercial fruit production. Treatment N2 had the highest ratio of DM production in fruit (1.73

kg) to DM production in vegetative biomass. The total amount of NO3- leached and the

accumulation of mineral N in soil at the end of the crop, increased with increasing amounts of N

applied in nutrient solution and the amount of N available to the crop (applied N, soil mineral N at

transplanting, mineralized N).

Justificación y objetivos

ix


El uso del N en la agricultura ha sido uno de los principales contribuyentes al incremento

de la productividad (Keeney y Hatfield, 2001), que ha permitido abastecer la creciente demanda

de alimentos ante el crecimiento demográfico mundial en el último siglo. Según Stewart et al.,

(2005), entre un 26 y un 40% del incremento en la producción agrícola, es atribuible a los

fertilizantes nitrogenados. Sin embargo, el uso de N en agricultura ha sido reiteradamente

asociado con la contaminación ambiental (Costa et al., 2002) y sus consecuentes efectos en la

salud humana (Greer et al., 2005). En los últimos años, dicha problemática es un tema que ha

cobrado mucha relevancia en la investigación y legislación ambiental a nivel mundial, y

específicamente en la Unión Europea.

Los problemas del uso del N relacionados con la contaminación ambiental y la salud

humana, tienen su origen en la aplicación excesiva de N mediante fuentes inorgánicos y

orgánicas, que usualmente superan los requerimientos de los cultivos (Vázquez et al., 2006).

Otros factores como la precipitación (Nyamangara et al., 2003), y el manejo del riego (Bonachela

et al., 2006), influyen apreciablemente en la magnitud del problema.

El N aplicado en exceso, bajo condiciones de buen manejo del riego, bajo invernadero y

en zonas de baja precipitación, se acumula en el suelo representando un riesgo potencial de

contaminación por medio de la lixiviación de nitratos. En condiciones de alta precipitación y/o

elevados aportes de agua en el riego, el exceso de nitrato acumulado en el suelo se lixivia,

contaminando las fuentes de agua potable en acuíferos subterráneos. Elevados aportes de N

mediante el abonado, sin considerar otras fuentes adicionales de N, tienen como consecuencia

altas concentraciones de N disponible para el cultivo. Las hortalizas cuya parte comestible son las

hojas y tallos, pueden acumular altas concentraciones de nitratos, representando un peligro para

el consumidor (Du et al., 2011).

Los efectos del N asociados con la salud son una consecuencia de la contaminación

ambiental debido a los aportes excesivos de N. El consumo de nitratos por medio del agua

potable (Smith, 2009) y de alimentos vegetales (Santamaría, 2006) con altas concentraciones de

nitratos, ha sido relacionada con la enfermedad denominada metahemoglobinemia en lactantes

(Greer et al., 2005) y con el riesgo de cáncer gástrico en seres humanos (Oniyesom y Okoh, 2006).

En condiciones de alta precipitación, el N aplicado en exceso es transportado por

escorrentía hasta los acuíferos superficiales, causando la eutrofización (Nyenje et al., 2010), que

destruye los ecosistemas naturales y pone en peligro de extinción la flora y fauna autóctona

(Wladis, 1999). En un estudio de los acuíferos superficiales de la zona, Pulido-Bosch, (2005)

determinó concentraciones de nitrato de hasta 300 mg L-1.


x

Al sur-este (SE) de España, en Almería se ubica la mayor concentración de producción

intensiva de hortalizas bajo invernadero del mundo, con 27,500 has (Sanjuán, 2007),

caracterizado por un uso intensivo del N mediante fertilizantes y estiércol (Thompson et al.,

2007). En este sistema productivo coinciden una serie de prácticas de manejo que contribuyen a

la lixiviación de nitratos, tales como la tendencia a aplicar excesos de agua y de N (Thompson et

al., 2007a), que en la mayoría de los casos superan los requerimientos de los cultivos. La

aplicación de N usualmente se realiza mediante programas de fertiriego estándar basados en la

experiencia (Thompson et al., 2007a), y por elevados aportes de estiércol que superan los límites

de N orgánico establecidos por la legislación española (BOE, 1996). Habitualmente, en los

programas de abonado nitrogenado, no se consideran otras fuentes adicionales de N, como el N

mineralizado de la materia orgánica y el N mineral en el suelo al trasplante (Thompson et al.,

2007a).

Como consecuencia de elevados aportes de riego, se han determinado volúmenes de

drenaje en algunos cultivos en suelo, de hasta 130 mm por ciclo (Gallardo et al., 2006; Thompson

et al., 2006), los cuales contribuyen al ascenso del nivel piezómetro de acuíferos subterráneos

superiores, que causan inundaciones en zonas bajas de descarga (Pulido-Bosch, 2005). En Almería,

un ejemplo de estos, lo representa la formación de la laguna de la “balsa del sapo” a partir de los

años 90, donde el nivel del agua y la concentración de nitratos continua aumentando. En estudios

realizados en los drenajes de cultivos, se han detectado concentraciones de nitratos que variaron

entre 520 y 1,000 mg L-1 (Gallardo et al., 2006; Thompson et al., 2006), cuyos flujos alcanzan los

acuíferos subterráneos superiores, que luego se desplazan hacia los acuíferos subterráneos

inferiores, contaminando las fuentes de agua potable (Pulido-Bosch, 2005). Otras prácticas como

la aplicación de riegos excesivos en la fase de establecimiento y en el periodo entre cultivos,

producen altos volúmenes de drenaje que contribuyen a la contaminación (Bonachela et al., 2006;

Thompson et al., 2007), mediante la lixiviación del exceso de los nitratos acumulados en el suelo,

tras finalizar el cultivo.

En la Unión Europea (UE), la Directiva de Nitratos 91/676/CEE (Anon., 1991), establece

que los países miembros deben alcanzar una contaminación mínima de los recursos hídricos para

el 2015, y procedimientos de penalización en casos de incumplimiento. En España, 21 regiones

han sido declaradas zonas vulnerables a la contaminación por nitratos, debido a que en diferentes

estudios (Menció et al., 2011, Moratalla et al., 2009, Causapé et al., 2004, Consellería de Medio

Ambiente, 1999), se han detectado concentraciones de nitrato en acuíferos subterráneos, que

superan el límite de 50 mg L-1 establecido en la Directiva 98/83/EC de la Unión Europea (Anon.,

1998). En la comunidad de Andalucía, destacan como zona vulnerable, el Bajo de Andarax, Campo

de Níjar y Campo de Dalias, que representan el 98% de la superficie invernada de la provincia

Almería.


xi

El pronóstico de crecimiento de la población mundial a 9,284 millones en el año 2050

(U.S. Census Bureau, 2013), supone un incremento en la demanda de alimentos y

consecuentemente en el uso de fertilizantes nitrogenados (Galloway et al., 2004). Por tanto, para

reducir los posibles efectos sobre el ambiente y la salud humana, es indispensable realizar un uso

eficiente del N, lo cual requiere de la investigación y disponibilidad de herramientas de

monitorización del N en suelo y planta. El coste de la investigación en invernadero es alto, la

demanda de mano de obra muy intensiva, y el financiamiento se ha reducido significativamente

debido a la crisis económica nacional. Además, para evaluar el impacto ambiental, muy pocos

invernaderos tienen lisímetros para medir drenaje y lixiviación de nitratos. Los métodos

convencionales de monitorización del N en suelo y planta, son costosos y demandan mucho

tiempo (Rahn et al., 2007).

Una alternativa económica e inmediata como herramienta de investigación y/o apoyo a la

decisión, son los modelos de simulación de la dinámica del N en suelo y planta, que permiten

realizar una evaluación previa y rápida del impacto ambiental de diversas alternativas de manejo

del N, reduciendo el riesgo (Meinke et al., 2008), el tiempo de respuesta y los costes. Aunque

existen muchos modelos que simulan la dinámica del N, la mayoría se limitan a un solo cultivo

extensivo y al aire libre, principalmente cereales (Cannavo et al., 2008). A diferencia, el modelo

de simulación EU-Rotate_N, (i) incluye 70 especies hortícolas, con la posibilidad de incluir nuevos

cultivos (ii) se adapta al sistema de fertiriego por goteo permitiendo fraccionar los requerimientos

de agua y N hasta en 500 aplicaciones durante el ciclo, (iii) considera las condiciones climáticas y

de suelo del invernadero y (iv) permite modificar muchos parámetros de cultivo, en la base de

datos del modelo.

El modelo fue desarrollado para cultivos en rotación al aire libre, con una amplia base de

datos experimentales del Norte de Europa. En el SE de España, existen características

relacionadas con el cultivo y clima bajo invernadero que lo diferencian del cultivo al aire libre.

Algunos ejemplos son: (1) el N se aplica frecuentemente, utilizando una solución de nutrientes,

mediante riego por goteo (2) los cultivos se soportan verticalmente, con podas frecuentes de

sanidad y formación (3) se utiliza una cobertura de grava sobre la superficie del suelo y (4) hay

una disminución apreciable de la demanda evaporativa debido a una mayor humedad y a una

reducción en la radiación y velocidad del viento. Por tanto, antes de utilizar el modelo en cultivos

bajo invernadero, puede ser necesaria la calibración de algunos parámetros agronómicos. Una

vez calibrado, es fundamental realizar una validación rigurosa del modelo a partir de datos

experimentales, para poder usarlo como herramienta de toma de decisiones en el manejo del

riego y N en sistemas hortícolas.

En el presente estudio se evaluó el comportamiento del modelo EU-Rotate_N en tres de

los principales cultivos (melón, pimiento y tomate) bajo invernadero mediterráneo, en diferentes


xii

años, épocas de siembra, y estrategias de manejo del riego y del N. Adicionalmente, se realizó

una evaluación agronómica del cultivo de tomate bajo dosis crecientes de N en fertiriego y

diferentes cantidades de N mineral en el suelo al trasplante. El objetivo general de esta tesis fue

(i) calibrar y validar el modelo EU-Rotate_N en los cultivos de melón, pimiento y tomate en suelo,

bajo invernadero mediterráneo y (ii) evaluar el uso del modelo como herramienta de diagnóstico

del efecto de las prácticas del riego y abonado nitrogenado sobre las pérdidas de agua y N al

medio ambiente. La tesis se compone de 4 capítulos cuyos objetivos son descritos a continuación.

El objetivo del primer capítulo fue revisar el estado del conocimiento sobre la

problemática del N en los sistemas hortícolas intensivos y el uso de modelos de simulación de la

dinámica del N en suelo y planta, para el manejo del agua y el abonado nitrogenado.

En el capítulo 2, el objetivo fue calibrar y validar el modelo EU-Rotate_N, para simular

valores estacionales de (i) materia seca, (ii) extracción de N, (iii) producción comercial, (iv)

evapotranspiración, drenaje y lixiviación de nitratos, y (iv) la humedad y el N mineral en el suelo,

en un cultivo de tomate bajo condiciones limitantes y no limitantes de N en invernadero

mediterráneo. Un objetivo adicional fue evaluar el uso del modelo como herramienta de

diagnóstico del efecto de las diferentes prácticas del riego y el abonado nitrogenado sobre el

drenaje, la lixiviación de N y la acumulación de N en suelo en el cultivo de tomate bajo

invernadero mediterráneo.

El objetivo del tercer capítulo fue calibrar y validar el modelo EU-Rotate_N, para simular el

(i) crecimiento, (ii) extracción de N, (iii) producción comercial, (iv) evapotranspiración, (v) drenaje,

(vi) lixiviación de N-NO3- y (vii) la dinámica del agua y el N mineral del suelo, en una secuencia de

cultivos melón-pimiento bajo invernadero mediterráneo. Así mismo, se ha analizado el

comportamiento del modelo para simular el drenaje y la lixiviación de nitratos durante el periodo

entre cultivos. Para ello, se calibraron algunos parámetros de cultivo y uso de agua en el modelo,

con datos experimentales de una secuencia de cultivos melón-pimiento bajo manejo convencional

del riego y abonado N, y una vez calibrado se ha validado usando tres secuencias de cultivos

melón-pimiento, bajo diferentes estrategias de manejo del riego y el abonado N.

En el capítulo 4 el objetivo fue evaluar el efecto de cuatro niveles crecientes de N

aplicados en fertiriego, sobre la producción de materia seca, rendimiento y calidad del fruto,

extracción de nitrógeno, drenaje y lixiviación de nitratos y contenido de N mineral del suelo. El

estudio se realizó en cultivo de tomate en ciclos de otoño-invierno y de primavera en condiciones

de invernadero en suelo, similares a las comerciales, donde es común la aplicación de estiércol y

la existencia de N mineral residual del cultivo precedente en el suelo al comienzo del ciclo. Por

ello, se consideró adicionalmente al N aplicado como fertilizante, el N mineral del suelo en

trasplante y el N mineralizado de la materia orgánica durante el ciclo de cultivo.

Capítulo 1

Nitrógeno y agricultura: Antecedentes y problemática, uso de modelos de

simulación de la dinámica del agua y nitrógeno en cultivos hortícolas

Nitrógeno y agricultura: Antecedentes y problemática, modelos de simulación de la dinámica del agua y N

2

1. Nitrógeno y agricultura, antecedentes

El nitrógeno (N) es el nutriente mineral requerido en mayor cantidad por los cultivos y su

disponibilidad es un factor importante que condiciona el crecimiento y el desarrollo de las

plantas, ya que está estrechamente relacionado con el metabolismo del carbono de las plantas

(Kraiser et al., 2011). Además, es un componente estructural de los ácidos nucleicos (ADN y ARN),

de aminoácidos y enzimas esenciales en el metabolismo de los seres vivos (Smil, 2002).

En los inicios de la agricultura, las principales fuentes de N utilizadas en la producción de

alimentos fueron el estiércol de origen animal y el uso de plantas fijadoras de N. Sin embargo,

con el crecimiento demográfico mundial estas fuentes no fueron suficientes para abastecer la

creciente demanda de alimentos, agotando las reservas naturales tales como los depósitos de

Guano y de Nitrato en Sur-América (Galloway, 2004). En 1913 se inicia la era de los fertilizantes N

(amonio, nitrato y ureas) con la aparición del proceso Haber-Bosh, mediante la síntesis de

amoniaco (NH3+) a partir de N2 y H2 (Smil, 2002, Galloway et al., 2003). Se inicia así, la denominada

“cascada de N” con un uso intensivo del N de fertilizantes inorgánicos, y una reducción del uso de

N a partir de fuentes naturales. Galloway et al., (2004) señalan que en el periodo de 1860 a 1990,

la cantidad de N de fuentes naturales disminuyó de 120 a 107 Tg N-NO3- año-1, mientras que la

producción de N antropogénico aumentó de 15 a 156 Tg N-NO3- año-1. Por otra parte, Smil (1999),

estimó que la producción mundial de N aumentó de 3,7 millones de toneladas en 1950 a unos 133

millones de toneladas en 2010, del cual aproximadamente el 75% fue utilizado como fertilizante.

FAOSTAT (2005), estima que la producción mundial de fertilizantes N para los años 2015 y

2030, será de 115 y 137 millones de toneladas, respectivamente. Para el 2050 se proyecta un

crecimiento del 50% de la población mundial actual (9000 millones) (Tilman et al., 2002; Galloway,

2004). Esto implica un incremento estimado del consumo de fertilizantes de 135 Tg yr-1 con unas

emisiones de NOx- y NH3

+ a la atmósfera de 189 Tg año-1 y flujos de N a los ríos de 75 Tg año-1

(Galloway, 2004).

Según Smil, (1999), los aportes estimados desde fertilizantes inorgánicos alcanza las 85 Tg

N año-1, comparado con 20 Tg N año-1 de cultivos fijadores y entre 28-36 Tg N año-1 de residuos

orgánicos. De los aportes totales de N antropogénico, aproximadamente 170 Tg N año-1 alcanzan

las tierras cultivables, donde aproximadamente el 50% (85 Tg N año-1) es absorbido por los

cultivos mientras que el resto se pierde. La cuantificación de estas pérdidas se estiman

aproximadamente en 26-60 Tg N año-1 a la atmósfera y de 32 a 45 Tg N año-1 en lixiviación y

erosión.

No obstante, los fertilizantes nitrogenados han sido un componente importante en la

intensificación de la agricultura, y es el factor que más ha contribuido al incremento de la

Capítulo 1

3

producción por unidad de área cultivada (Keeney y Hatfield, 2001). En EE.UU, Stewart et al.,

(2005), en un análisis realizado en 362 estudios de fertilización en diferentes cultivos,

demostraron que el promedio de rendimiento atribuible a los fertilizantes N, osciló entre 26 y

40%.

2. Problemática del nitrógeno en la agricultura

La problemática actual del uso del N en la agricultura está relacionada con (i) la

contaminación ambiental de acuíferos subterráneos y superficiales con nitratos y las emisiones

gaseosas a la atmosfera y (ii) el consecuente riesgo para la salud humana. Aunque los fertilizantes

sintéticos constituyen la principal fuente de N en la agricultura, de igual forma, la utilización

excesiva de fuentes orgánicas de N en forma de estiércol, puede contribuir a la contaminación

ambiental (Thompson et al., 2007a).

2.1. Contaminación de recursos hídricos

La contaminación de recursos hídricos por nitrato es un problema mundial ampliamente

documentado (Almasri, 2007; Oenema et al., 2009; Lu et al., 2011), que ocurre bajo aportes

excesivos de (i) de agua y (ii) nitratos (Thompson et al., 2007a; Fernández et al., 2007; Vázquez et

al., 2006), donde influyen otros factores tales como el clima y las características físicas del suelo

(Nyamangara et al., 2003). Howarth et al., (1996), señalan que en las regiones más perturbadas

del mundo, los flujos de N en los ríos han aumentado de 6 a 20 veces, mostrando una fuerte

correlación lineal con los aportes de nitrógeno desde la agricultura.

En cultivos bajo invernadero o en climas con baja precipitación, con un buen manejo del

riego y un aporte excesivo de N, ocurre una acumulación de N en el perfil del suelo al final del

cultivo, que potencia la lixiviación de nitratos (Vázquez et al., 2006; Lu et al., 2011). Entre los

principales cambios en el ecosistema provocados por la aplicación de N están los apreciables

incrementos en la lixiviación de nitratos (461%) y en la concentración nitrato (429%) y amonio

(47%) en el suelo (Lu et al., 2011). La lixiviación del nitratos acumulado en el suelo, como

consecuencia de elevados aportes de N en los cultivos, representa la principal vía por la cual

ocurre la contaminación de acuíferos subterráneos (Costa et al., 2002; De Paz y Ramos, 2002).

La escorrentía superficial de nitratos y la descarga de agua desde acuíferos subterráneos

contaminados, constituyen las principales fuentes de contaminación de aguas superficiales

(Jaworski, 1997; Mayer et al., 2002). El incremento en el contenido de nitratos en los acuíferos

superficiales genera un proceso de eutrofización debido al crecimiento de bacterias, algas y otros


4

microorganismos, que consumen el oxígeno disuelto, generando un ambiente anaeróbico donde

se producen sustancias tóxicas como sulfuros, nitritos y amoniaco (Nyenje et al., 2010; Smolders

et al., 2010). La eutrofización de embalses, estuarios y aguas litorales es un proceso irreversible

que afecta la flora y fauna acuática (Wladis, 1999).

2.2. Riesgos para la salud humana

Los riesgos del nitrato para la salud son una consecuencia de la contaminación ambiental,

ya que los nitratos se incorporan a la cadena alimenticia a través del agua de consumo (Smith,

2009), y de los alimentos de origen vegetal (Du et al., 2011). El consumo de nitrato en la dieta

diaria puede tener efectos positivos en la salud humana (Archer, 2002), sin embargo, un exceso

en el agua potable, en los vegetales, frutas y alimentos procesados, supone riesgos en la salud a

largo plazo (Santamaría, 2006). Altos niveles de nitrato y nitrito en el agua potable han sido

relacionados con la enfermedad denominada metahemoglobinemia en lactantes (Smith, 2009;

Knobeloch, 2000; Greer y Shannon, 2005). En su estado natural, la concentración de nitrato suele

ser menor de 2 mg L-1 en aguas subterráneas y menos de 0,6 mg L-1 en aguas superficiales

(Mueller y Helsel, 1996). El peligro potencial de los nitratos y nitritos ocurre a partir de su

conversión a metahemoglobina-nitritos antes y/o después de la ingestión. El ión nitrito oxida el

hierro ferroso de la hemoglobina al estado férrico, formando la metahemoglobina, que es incapaz

de unir el oxígeno molecular, lo que resulta en hipoxemia (Greer y Shannon, 2005).

Por esta razón, la Comunidad Europea, la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU. y la

Organización mundial de la salud (OMS) han establecido que la concentración máxima de nitrato

en el agua de consumo humano ha de ser entre 44 y 50 mg L-1 (Anon., 1991; EPA EE.UU., 2011;

OMS, 2006). Como medida de prevención en lactantes, la OMS (2006) ha establecido niveles de

referencia de nitritos en el agua de 3 mg L-1 cuando la exposición es a corto plazo y 0,2 mg L-1 con

exposiciones prolongadas. Como medida de prevención es recomendable que los alimentos

utilizados como complemento alimenticio en lactantes, contengan menos de 100 mg L-1 de

nitritos (Greer y Shannon, 2005).

Por otra parte, altas concentraciones de nitrato en productos vegetales y en el agua han

sido relacionados con cáncer gástrico (Oniyesom y Okoh, 2006). El nitrito se ha considerado un

precursor potencial pre-cancerígeno, ya que puede reaccionar con aminas y formar especies N-

nitrosas como las nitrosaminas, con efectos cancerígenos demostrado en animales (Combet et al.,

2010; Krul et al., 2004). Sin embargo, la relación directa con la incidencia de cáncer aún no está

del todo clara y el tema aún está siendo investigado y discutido (Archer, 2002).

Capítulo 1

5

Bajo condiciones de baja radiación solar y altas concentraciones de nitrato disponible en

el suelo, las especies hortícolas de hoja pueden acumular nitratos. El Reglamento (CE) Nº

563/2002, de 02 de abril 2002, establece que las concentraciones máximas de nitrato en espinaca

fresca y procesada deben ser 2,000 y 2,500 mg kg-1, respectivamente; mientras que en lechuga se

permite de 2,500 a 4,500 mg kg-1, dependiendo del sistema de producción (aire libre o protegida)

y tipo de lechuga (Anon., 2002). En China, en estudios realizados por Du et al., (2011), se

determinó que los niveles de nitrato en diferentes hortalizas fueron superiores a los estándares

establecidos por la legislación, variando la concentración según la parte comestible, con 2,685,

1,873, 1,349, y 490 mg kg-1 en hojas, rizomas o raíces, coles y frutos, respectivamente.

2.3. Contaminación con nitratos en España

En España, diferentes estudios han demostrado que la concentración de nitrato en aguas

subterráneas, en muchos casos supera el límite establecido por la UE (50 mg L-1), por lo que en

cumplimiento del Real Decreto 261/1996 (Anon., 1996), 21 regiones han sido declaradas zonas

vulnerables a la contaminación por nitratos. En Osona, Cataluña, en un estudio de los recursos

hídricos, se encontró que en el 73% de los casos la concentración de nitrato superó los 50 mg L-1,

alcanzando hasta 438 mg L-1 (Menció et al., 2011). En el Sistema Oriental de La Mancha, se

detectaron concentraciones de nitrato de hasta 125 mg L-1, estando la mayoría ubicadas en zonas

con grandes áreas de cultivos de regadío (Moratalla et al., 2009). En Bardenas de Aragón, en

zonas con altos aportes de N se detectaron concentraciones de nitrato en drenaje superiores a

195 mg L-1 (Causapé et al., 2004). En otros estudios en la comunidad Valenciana, se encontró que

el 8% de la población consumía agua con más de 50 mg L-1 de nitrato (Consellería de Medio

Ambiente, 1999), mientras que Ramos et al., (2002), encontraron que en la mayoría de cultivos las

cantidades de nitrato lixiviadas estuvieron entre 150-300 kg ha-1.

2.4. Contaminación con nitratos en Almería

En la agricultura intensiva bajo invernadero de Almería, diferentes estudios han

demostrado su relación con la contaminación de acuíferos por nitrato (Gallardo et al., 2006;

Thompson et al., 2007a), debido a la tendencia a aplicar un exceso de N durante el cultivo

(Granados et al., 2013) y riegos excesivos en determinadas etapas del cultivo (Bonachela et al.,

2006). En dicho sistema productivo, en general se asume que existe un buen manejo del riego; sin

embargo, estudios realizados demostraron que el problema es que el riego no es bien distribuido

durante el ciclo de cultivo, con una apreciable tendencia a regar en exceso durante la etapa de


6

establecimiento y en los periodos entre cultivos (Bonachela et al., 2006; Fernández et al., 2007;

Thompson et al., 2007a). Fernández et al., (2007), demostraron que el aporte de agua en los

principales cultivos, en promedio excedió un 12 % los requerimientos del cultivo, lo cual se

considera un valor aceptable para abastecer las necesidades de lavado del bulbo húmedo cuando

se utilizan aguas salinas. Sin embargo, los autores reportaron que el aporte de agua durante la

etapa de establecimiento fue en promedio 3.7 veces la evapotranspiración (ETc) estimada.

Análogamente, en otro estudio realizado por Thompson et al., (2007a), se determinó que

durante el establecimiento del cultivo, el riego fue en promedio 340% superior a la ETc calculada

en el 68% de los casos; sin embargo cuando se consideró todo el ciclo, solo el 20% de los

invernaderos excedió la ETc calculada. En una secuencia de cultivos de melón y pimiento bajo

manejo convencional, Granados, (2011), determinó que el volumen de drenaje durante el periodo

entre cultivos, representó el 22% en melón y el 85% en pimiento, del volumen total de agua

aplicada. En la Tabla 1, se observa que la eficiencia promedio del uso de agua en los cultivos de

tomate, pimiento y melón del sistema productivo de Almería (34 kg m-3), fue superior a los valores

reportados en Francia (25 kg m-3), e inferior al cultivo en sustrato en ambientes controlados en

Holanda (66 kg m-3) (Van Os, 2001).

Paralelo al manejo del agua expuesto antes, otros estudios han demostrado que en el

sistema productivo de Almería, existe una tendencia a aplicar un exceso de N en los cultivos,

mediante soluciones nutritivas, sin considerar el N aplicado en el estiércol, el N mineral del suelo y

el N mineralizado de la materia orgánica del suelo. Thompson et al., (2007a), demostraron que el

manejo del N y el riego se basa en la experiencia adquirida siguiendo recetas estándar, donde las

aplicaciones promedio de N fueron 1.5 y 2 veces la cantidad de N absorbido en el 42 y 21% de los

casos, respectivamente. Las cantidades de N aportadas con el estiércol fueron muy superiores al

límite establecido (170 kg N ha-1) en la Directiva Europea 91/676/EEC (Anon., 1991), alcanzando

valores promedios de 3,046 kg N ha-1 al momento de construir el invernadero y 947 kg N ha-1 en

aplicaciones periódicas.

En la Tabla 1, se presentan valores medios de N extraído y N aportado en fertiriego para

los cultivos de tomate, pimiento y melón bajo invernadero, obtenidos de diferentes estudios

realizados en Almería. Se observa que el N aportado en fertiriego excede la demanda de N desde

un 20% en melón hasta 58% en pimiento de otoño-invierno, con un promedio general de 37%. Lo

anterior sin considerar el N aplicado en el estiércol, el N mineral del suelo y el N mineralizado de

la materia orgánica.

El efecto combinado de regar en exceso durante el establecimiento y periodo entre

cultivos y la aplicación excesiva de N, podrían contribuir considerablemente a las pérdidas de

nitratos por lixiviación tras finalizar el cultivo. Granados, (2011), en una secuencia de cultivos

Capítulo 1

7

melón y pimiento bajo manejo convencional del riego y abonado N, determinó que en el periodo

entre cultivos la cantidad total de N-NO3- lixiviado representó un 40% (147 kg ha-1) del N total

aplicado en melón (371 kg ha-1). En estudios realizados en diferentes cultivos, se han detectado

cantidades apreciables de nitrato lixiviado durante el ciclo de cultivo. En tomate sin suelo, en dos

ciclos de primavera y otro de otoño-invierno, las cantidades de nitrato lixiviado fueron 178, 70 y

145 kg ha-1, respectivamente (Thompson et al., 2013). En cultivos de melón y pimiento en suelo

bajo manejo convencional del riego y abonado N, Granados et al., (2013), obtuvieron 215 kg ha-1 y

111 kg ha-1 de nitrato lixiviado, respectivamente. En la zona del Campo de Dalias, Pulido-Bosch,

(2005), determinó que una proporción considerable de los acuíferos superficiales presentaron

concentraciones de nitrato superiores a 300 mg L-1.

Tabla 1. Valores promedios de materia seca (MS), concentración de N [N] en planta, riego y N

aportado, producción comercial, eficiencia de uso de agua (EUA) y extracción de N en los cultivos

de tomate, pimiento y melón bajo invernadero mediterráneo.

Cultivo Ciclo MS Nitrógeno Riego aportado

Producción comercial

EUA Extracción de N

N aportado

Kg ha-1 % L m-2 t ha-1 kg m-3 kg ha-1 Kg ha-1

Tomate AS 13,6801 2.71 2001 135.71 671 3711 3671

AS 18,8502 2.71 4192 169.92 40.52 510.85 707.36

Pimiento AW - - 3113 - 213 - 481.26

AS - - 3633 - 173 - 561.76

AW 11,7421 2.71 3401 91.21 26.81 3151 497.01

AS 12,5802 2.71 2882 8.52 40.32 339.75 445.66

AS 16,2404 2.71 3894 9.24 254 438.55 601.96

Melón S 8,5851 3.11 2001 68.31 311 2651 337.61

S 9,2701 3.11 2161 75.31 34.91 2831 287.01

S 10,2602 3.11 1462 5.72 43.82 318.15 246.56

S - - 1893 - 233 - 292.56

AS: otoño-primavera, AW: otoño-invierno, S: primavera, 1

Granados, (2011) bajo MC, 2Bonachela et al.,

(2006), 3Fernández et al., (2007),

4Fernández et al., (2005),

5valor estimado (MS x %N),

6valor estimado

(riego x [N]) obtenido de datos experimentales de cultivos bajo manejo convencional (12 mmol N L-1

) de Gallardo et al., (2009), Giménez et al., (2012) y Gallardo et al., (2011) para tomate, pimiento y melón, respectivamente.

3. Alternativas a la problemática del N en la agricultura

Ante este panorama del mal uso del N en la agricultura, es urgente implementar prácticas

de manejo que permitan reducir la contaminación y asegurar la sostenibilidad de los sistemas

agrícolas. Considerando que la lixiviación de nitratos ocurre bajo aportes excesivos de agua y de

N, para aumentar la eficiencia del uso del N, el manejo debe enfocarse en optimizar el uso del


8

agua y el N en los cultivos (Cassman et al., 2002; Oenema et al., 2009). Además, es importante un

mayor entendimiento del ciclo del N (Lu et al., 2011; Galloway et al., 2004), para establecer un

equilibrio entre rendimientos, rentabilidad y protección ambiental (Cassman et al., 2002).

Los métodos tradicionales de laboratorio, tales como el análisis de suelo y hoja, para el

manejo y seguimiento del N en horticultura, tienen sus limitaciones en tiempo de respuesta y

costes. Por esto han sido propuestas una serie de alternativas directas (manejo agronómico) e

indirectas (legislación). Dentro de las primeras están (i) mantener un equilibrio entre aportes y

requerimientos de N por el cultivo (Casman et al., 2002) combinado con cultivos mejoradores de

suelo y una buena gestión del uso de estiércol (Oenema et al., 2009), (ii) técnicas de

monitorización del estado nutricional del cultivo (Thompson et al., 2009), (iii) inhibidores de la

nitrificación (Subbarao et al., 2006), (iv) reducción del pH del suelo como inhibidor de la

nitrificación junto al uso de variedades tolerantes a la acidez (Kemmitt, et al., 2005), (v) rotación

de vegetales con cereales en el periodo entre cultivos con el objetivo de aumentar la relación C/N

y recuperar parte del N lixiviado a mayor profundidad (Guo et al., 2010). Dentro de las medidas

indirectas están, (i) legislación ambiental de nitrato, (ii) impuestos al uso de fertilizantes N y (iii) el

uso de modelos de simulación como herramientas de apoyo en la toma de decisión (Moratalla et

al., 2009).

El manejo correctivo basado en el monitoreo del contenido de agua y N en el suelo y

planta, permiten un uso más eficiente del agua y N en la producción hortícola (Giller et al., 2004;

Granados et al., 2013). Otra alternativa es el manejo “prescriptivo-correctivo”, mediante el uso

combinado de modelos de simulación (componente prescriptivo) y técnicas de monitorización

(correctivo) mediante instrumentos portátiles (Thompson et al., 2009). Un ejemplo es la

combinación de (i) monitorización del contenido de nitrato en la solución del suelo extraído con

sondas de succión y (ii) tensiómetros para el manejo del riego en los cultivos (Granados et al.,

2013). Thompson et al., (2007b), demostraron que el uso de sensores de humedad del suelo, son

herramientas prácticas para el manejo del riego en los cultivos de tomate y melón bajo

invernadero.

4. Legislación ambiental de nitratos

Aunque existe legislación referente a la protección de aguas por nitrato, esto no ha sido

suficiente para disminuir la contaminación nítrica desde la agricultura. Actualmente la legislación

Europea, establece que los estados miembros deberán presentar en el año 2015, una

contaminación mínima en sus recursos hídricos. La legislación se establece en los siguientes

directivas (i) Directiva Marco del Agua 2000/60/CE (Anon., 2000), (ii) Directiva de Nitratos

Capítulo 1

9

91/676/CEE (Anon., 1991), (iii) Directiva sobre aguas subterráneas 2006/118/EC (Anon., 2006) y

(iv) Directiva 98/83/EC para el agua de consumo humano (Anon., 1998).

La Directiva 91/676/CEE establece que los países miembros deberán: (i) identificar zonas

vulnerables a la contaminación por nitrato, (ii) establecer planes de actuación para dichas zonas y

(iii) establecer buenas prácticas agrícolas para protección contra la contaminación. La Directiva

98/83/EC establece que las áreas con aguas subterráneas con niveles de nitrato por encima de 50

mg L-1 sean declaradas zonas vulnerables a la contaminación con nitratos. El incumplimiento de la

Directiva de Nitratos de la UE establece sanciones a las autoridades relevantes (Anon., 1991).

En España, la Directiva del Real Decreto 261/1996 de 16 de febrero, establece que es

competencia de las Comunidades Autónomas diagnosticar, identificar y dar seguimiento a las

zonas vulnerables, establecer buenas prácticas agrarias y elaborar Planes de Actuación (Anón.,

1996). En Andalucía, en los Decretos 261/1998 (Anón., 1999) y 36/2008 (Anón., 2008) y orden

posterior del Boja Nº 157 de 7 de julio (Anón., 2009), se establecen 24 zonas vulnerables a la

contaminación por nitratos (ZVN) de origen agrícola. En el contexto de Almería, destacan como

ZVN el Campo de Dalias-Albufera de Adra, el Bajo Andarax y el Campo de Níjar; que representan

el 95% (24,510 ha) de la superficie total invernada (Sanjuán, 2007). En el Decreto 36/2008 (Anón.,

2008) y ordenes posteriores, se establecen los programas de actuación aplicables a las ZVN.

Dentro de las obligaciones establecidas destacan: el límite de aplicación de N de origen orgánico

en 170 kg ha-1 año-1, cumplimentar una serie de registros de fertilización nitrogenada (orgánica y

mineral) y no aplicar fertilizantes nitrogenados en periodos de lluvia, suelos con nieve y con

pendientes mayores al 10%, entre otras.

5. Modelos de simulación en cultivos hortícolas

Un modelo es una representación simplificada de los procesos que ocurren en un sistema

real. Los modelos se enmarcan dentro del enfoque de sistemas, donde hay un conjunto de

variables de estado que interactúan entre sí y manifiestan una evolución dinámica real de

comportamiento en el tiempo. Esto se puede expresar mediante un modelo matemático de

ecuaciones diferenciales y así simular virtualmente una realidad bajo condiciones determinadas.

La simulación digital es una técnica en constante evolución, aunque como metodología de

trabajo es una actividad muy antigua. Los científicos han utilizado durante décadas, el análisis de

sistemas y la modelización para investigar la ecofisiología de los cultivos. Los modelos dinámicos

para simular el crecimiento de los cultivos surgieron a mediados de 1960 con el trabajo pionero

de De Wit, quien introdujo la teoría de sistemas de Von Bertalanffy y el método de modelos de

simulación dinámica de Forrester en la ciencia de los cultivos (Yin y Struik, 2008).


10

5.1. Tipos de modelos en cultivos hortícolas

A través de su historia los modelos de simulación han evolucionado desde los más simples

hasta modelos cada vez más complejos, favorecido por el desarrollo tecnológico de lenguajes de

programación y los ordenadores. Según Cannavo et al., (2008) la tendencia principal en el

modelado de cultivos en los últimos 15 años ha sido el cambio de los modelos mecanicistas a los

modelos funcionales, con una simplificación de las ecuaciones involucradas y una integración de

módulos de acuerdo a objetivos específicos.

Según Thornley, (2006), en la modelización de plantas y cultivos, básicamente se utilizan

modelos empíricos y mecanicistas. Los modelos empíricos son descripciones directas de datos

observados que proporcionan relaciones observables entre las variables involucradas, sin

considerar las interrelaciones con otros componentes del sistema como el clima y el suelo. Son

muy utilizados para relacionar la respuesta de los cultivos a técnicas de manejo o a la aplicación

de fertilizantes.

Los modelos mecanicistas son más complejos, y describen el comportamiento de un

sistema biológico, bioquímico o físico, relacionando los mecanismos esenciales de cada proceso.

Por representar los sistemas agrícolas procesos biológicos por naturaleza, éstos se enmarcan

dentro de los modelos de simulación dinámicos. En el modelado de un sistema biológico de un

cultivo se establece un nivel jerárquico desde el más bajo nivel (organelas y células) hasta el nivel

de planta y cultivo; se utilizan una serie de algoritmos matemáticos y ecuaciones diferenciales no

lineales que explican el comportamiento de las variables de estado a cada nivel. Finalmente,

integrando el conjunto de ecuaciones se define y resume el sistema biológico a nivel de toda la

planta.

5.2. Evaluación de modelos de simulación de cultivos

El objetivo principal al evaluar el comportamiento de un modelo de simulación de cultivo,

es valorar su utilidad práctica como herramienta de investigación y/o apoyo a la decisión en

aspectos de manejo y planificación a nivel de finca, regional o nacional. El proceso de evaluación

involucra la calibración y validación del modelo. La calibración es el proceso mediante el cual los

parámetros de la base de datos del modelo, son (i) ajustados a través de una serie de escenarios

de simulación hasta obtener un mejor ajuste entre valores simulados y experimentales y/o (ii)

estimados a partir de datos experimentales o de la literatura, para el sitio o región donde se va a

validar. La validación es el procedimiento mediante el cual se avalúa el funcionamiento del

Capítulo 1

11

modelo, contrastando los valores simulados de una determinada variable con datos

experimentales distintos a los utilizados en la calibración.

En el proceso de evaluación del modelo, lo más recomendable es realizar un análisis de

sensibilidad, para identificar los parámetros más sensibles y posteriormente calibrarlos. Sin

embargo, el análisis de sensibilidad es laborioso y complejo, por lo que desde el punto de vista

práctico, lo común es realizar una validación previa sin calibrar (por defecto), y posteriormente

reparametrizar las variables que afectan el buen comportamiento del modelo. La validación

requiere datos experimentales para cada variable, realizados en diferentes años y épocas de

siembra, los cuales no siempre son disponibles. Para que los modelos de simulación sean un

reflejo de la realidad, estos deben ser calibrados y validados, considerando las diferencias entre

sistemas de cultivo, suelos, clima y prácticas de manejo, entre otros, ya que sino las conclusiones

pueden ser especulativas y erróneas (Thornley y Johnson, 2005; Cannavo et al., 2008).

En la evaluación del modelo de simulación, se valora el error entre valores simulados y

medidos experimentalmente en un número de muestreos representativos, asumiendo que los

datos medidos son correctos (variable independiente) y por tanto los valores simulados van a ser

sometidos a prueba. Los métodos de evaluación más utilizados se basan en el análisis de (1) las

diferencias y (2) de regresión, entre valores medidos y simulados (Yang et al., 2000; Willmott,

1982). En el primer caso, los índices estadísticos comúnmente utilizados son (1) raíz cuadrada del

error medio estándar (RMSE), (2) error medio absoluto (EMA), (4) índice de ajuste (d) y (5) sesgo

medio del error (MBE) descritos por Willmott, (1982); y (3) el error relativo (ER) (Stockley, et al.,

2004) y (6) la eficiencia del modelo (EM) (Nash y Sutcliffe, 1970). En el análisis de regresión

comúnmente se han utilizado como índices de evaluación (1) el intercepto, (2) el coeficiente de

regresión lineal (pendiente) y (3) el coeficiente de determinación.

Otros métodos descriptivos utilizados, como los gráficos, donde se comparan la evolución

estacional de valores medidos y simulados, pueden inducir a errores de apreciación potenciado

por la tendencia a manipular la escala del gráfico, para ajustar ambas líneas. Otros trabajos, han

utilizado el porcentaje de diferencia del valor total simulado respecto al medido, lo cual puede

ocultar la verdadera capacidad de simulación del modelo, ya que solo considera una observación

y no evalúa las diferencias entre valores observados y simulados en el tiempo.

El coeficiente de determinación (R2) mide la proporción del error entre valores simulados

y medidos que es explicado por el modelo de regresión lineal, indicando el grado de ajuste de los

puntos del diagrama de dispersión (x,y) a la recta de regresión (y= a+bx). En la evaluación del

funcionamiento de un modelo de simulación, el R2 por sí solo no es útil, debido a que en este caso

el objetivo de la regresión es evaluar el modelo de simulación, no el modelo de regresión lineal

obtenido. La magnitud del R2 no refleja necesariamente si los datos simulados por el modelo


12

representan bien a los datos observados, ya que no está relacionado consistentemente con la

exactitud de la predicción (Willmott, 1982). Eso se debe a que se puede obtener una línea con un

R2 cercano a 1.0, pero muy por debajo o muy por encima de la línea 1:1, sobreestimando o

subestimando, respectivamente. Por tanto, el error entre valores medidos y simulados no lo mide

el R2. Un buen ajuste entre observado y simulado se da cuando la línea de regresión concuerda

mucho con la línea 1:1, pero además se cumplen los supuestos 0.9>b<1.1 y 0.85>R2<1.0

propuestos por Stockley, et al., (2004). Evaluar la simulación solo en base a la pendiente y R2,

pueden conducir a conclusiones erróneas, puesto que los supuestos 0.9>b<1.1 y 0.85>R2<1.0

pueden cumplirse, y sin embargo, la línea de regresión alejarse mucho por encima o por debajo

de la recta 1:1, sobreestimando o subestimando, respectivamente, los valores medidos.

Otra herramienta, que potencia el análisis de regresión es la comparación estadística de

las pendientes e interceptos de la línea de regresión respecto a la línea 1:1. Se realiza un análisis

de varianza donde se evalúa la significancia estadística entre los coeficientes de regresión de

ambas líneas. Si no existen diferencias estadísticas entre las pendientes e interceptos de ambas

líneas, la línea de regresión puede ser forzada a partir de 0, y la pendiente y el coeficiente de

determinación (R2) representan índices de evaluación muy confiables. En general, cuando se

fuerza la línea a partir del origen 0, se modifica la pendiente aproximándola a 1 y se disminuye el

R2.

En el análisis de diferencias, el objetivo es valorar el error promedio entre valores

simulados y experimentales, de un número de muestreos representativos. La raíz cuadrada del

error medio estándar (RMSE, ecuación 1) y el error medio absoluto (EMA, ecuación 2), miden el

error promedio entre los valores medidos y simulados (Wilmott, 1982), por lo que serían muy

útiles cuando se dispone de valores de RMSE de otros estudios que utilizan el modelo. El RMSE se

asemeja más a una medida de varianza; por tanto, podría ser muy útil cuando se compara entre

modelos diferentes. El EMA es una medida más real y fácil de interpretar, puesto que es un

promedio de las desviaciones absolutas de lo simulado respecto a lo medido. Además, según

Wilmott, (1982), el EMA tiene ventaja porque es menos sensible a valores extremos que el RMSE.

El error relativo (ER, ecuación 3) es similar a un coeficiente de variación, puesto que

relaciona el error (RMSE) entre valores simulados y medidos, respecto al promedio medido. A

diferencia del RMSE y el MAE, representa el tamaño relativo del error promedio (Wilmott, 1982),

expresando la magnitud del RMSE. Lo deseable es que el ER sea lo suficientemente bajo para

considerar que el modelo es confiable. La principal desventaja del ER es que en algunos casos

puede verse afectado por valores extremos. Puede darse el caso que dos grupos de datos con

valores altos y bajos, respectivamente, presenten un RMSE idéntico, sin embargo, al tener

diferentes promedios, los valores de ER de ambos grupos serán diferentes.

Capítulo 1

13

El índice de ajuste (d, ecuación 4), representa la relación entre el cuadrado medio del

error (CME) y el error potencial de valores simulados y medidos respecto al promedio observado.

El sesgo medio del error (MBE, ecuación 5) representa la diferencia entre los promedios

observado y simulado; y la eficiencia del modelo (EM, ecuación 6) compara las diferencias (CME)

entre valores observados y simulados, respecto al error entre valores observados. Según Liew et

al., (2003), cuando 0.36>EM<1.0 y 0.7>d<1.0 la simulación del modelo es aceptable.

RMSE = �∑ (��)��

�� (1)

EMA = │��│�� (2)

ER = ��ō (3)

d = 1 − � ∑ (��)�� !∑ (|#ō|$|�#ō|)�� !

% (4)

MBE = ∑ (��)� !� o MBE = ∑ (��)� !

∑ (�)� ! (5)

EM = '∑ (��)�� !∑ (�#ō)�� !

( (6)

donde n es el número de observaciones, yi, representa los valores simulados, oi los valores

medidos, y ō es la media de los datos medidos.

5.3. Importancia agronómica de los modelos

Los métodos tradicionales utilizados para el manejo del N, basados en la monitorización

del N en suelo y planta mediante análisis de laboratorio, demandan mucho tiempo, son costosos,

no consideran el aporte del N mineralizado de residuos de cultivo y de la materia orgánica del

suelo, ni las pérdidas de N por lixiviación (Guo et al., 2010).

Desde sus inicios, los modelos de simulación en agricultura han tenido su aplicación en (i)

investigación y educación, (ii) apoyo a la decisión en planificación y legislación a nivel regional o

nacional y (iii) como herramienta de apoyo de decisión en la planificación y manejo de la

producción (Gary et al., 1998). Los modelos son útiles en muchas especialidades como fisiología

vegetal, nutrición mineral, edafología, irrigación, mejora genética, hidrología, etc.

Tradicionalmente se han utilizado en cultivos hortícolas para simular el crecimiento y producción,

el balance de agua, balance de nutrientes y análisis económicos. Aquellos que simulan

producción representan una herramienta para la planificación de proveedores y compradores,

mientras que los que simulan crecimiento sirven para planificar las estrategias de manejo y mano

de obra.


14

Los modelos permiten la experimentación en condiciones que podrían ser de elevado

coste económico en la vida real, sustituyendo los métodos tradicionales de investigación basados

en experimentos de campo, y permitiendo una evaluación previa y rápida de diferentes

escenarios. Permiten responder a preguntas, como “¿qué ocurriría si realizamos un cambio

en...?”, necesarias para investigar el impacto de prácticas de manejo de los agro-ecosistemas,

reduciendo el riesgo inherente a la toma de decisiones (Meinke et al., 2008).

Los modelos son útiles para la evaluación del impacto futuro de políticas legislativas, tales

como la implementación de buenas prácticas agrícolas, en algunas regiones, subregiones y fincas

(Nendel et al., 2009; Overloop et al., 2001). Como herramienta en la toma de decisión y manejo

de cultivos permiten la estimación de la demanda de N por el cultivo, planificar fechas de

plantación, evaluar distintas densidades de plantación, escenarios de clima, riego, tipos de suelo y

fertilización, entre otros.

5.4. Modelos de simulación de cultivos hortícolas en invernadero

Existen varios modelos de simulación para cultivos hortícolas en invernadero, sin

embargo, la mayoría han sido desarrollados para el cultivo en sustratos y por tanto no consideran

la dinámica del agua y el N en el suelo. Han sido utilizados fundamentalmente para simular el

crecimiento, la producción y en algunos casos el uso de agua. Para tomate en invernadero se han

utilizado modelos para simular el crecimiento, tales como el TOMGRO (Jones et al., 1999),

TOMSIM (Heuvelink, 1999) y TOMPOUSSE (Abreu et al., 2000). Además, se ha utilizado el

SIMULSERRE (Gary et al., 1998) como herramienta para el manejo del cultivo de tomate. Otros

modelos han sido adaptados para simular crecimiento de cultivos en sustrato, tales como el

FRUGRO para pepino (Marcelis, 1994) y el modelo NICOLET (Seginer et al., 2003) para simular el

crecimiento y predecir los contenidos de nitrato en lechuga.

5.5. Modelos que simulan la dinámica del N en cultivos

La mayoría de modelos que simulan la dinámica del N en el sistema suelo-planta, han sido

creados para cultivos extensivos al aire libre, principalmente cereales. Cannavo et al., (2008), al

analizar 62 modelos que simulan la dinámica de nitrógeno, encontraron que sólo dos modelos son

capaces de simular el ciclo de N en cuatro familias de cultivos, mientras que el resto se limitan a

un solo cultivo. Algunos de estos modelos son: NLEAP (Shaffer et al., 1991), N_ABLE (Greenwwod,

et al., 1996), STICS (Brisson et al., 2003), APSIM (Keating et al., 2003), CropSyst (Stöckle et al.,

Capítulo 1

15

2003), NDICEA (Van der Burgt et al., 2006), EU-Rotate_N (Rahn et al., 2010) y SMCR_N (Zhang et

al., 2010).

Algunos modelos han sido evaluados en diferentes cultivos como herramienta de apoyo a

la decisión en el manejo del N, con resultados aceptables, tales como WELL_N (Rahn et al., 1996),

N_LEAP (Karaman et al., 2005) y el LEACHN en el cultivo de patata (Ünlü et al., 1999). Otros

modelos, han sido utilizados para evaluar el efecto de las prácticas de manejo del abonado N

sobre la lixiviación de nitratos, como es el caso de LEACHN (Mahmood, 2005). Otros estudios, han

utilizado los modelos para estimar el consumo de N, el contenido de N mineral en el suelo y las

pérdidas de N por lixiviación, tales como el modelo EPIC (Cavero, 1999). El modelo CropSyst ha

sido utilizado, para evaluar la dinámica del N en trigo (Djumaniyazova et al., 2010) y en rotaciones

de patata, trigo y maíz (Peralta y Stockle, 2001), obteniendo resultados aceptables.

En cultivos en suelo bajo invernadero mediterráneo, el uso de modelos simples ha

demostrado un buen comportamiento para estimar la ETc y la extracción de N en los cultivos de

melón (Gallardo et al., 2011) y pimiento (Giménez et al., 2012). En cultivos de melón y pimiento,

Granados et al., (2013), han demostrado que los modelos simples son herramientas útiles para el

diseño de prácticas de manejo del riego y fertilización N bajo un enfoque predictivo, que permiten

reducir la lixiviación de nitratos sin afectar el rendimiento, principalmente cuando se combinan

con prácticas de manejo correctivo.

6. El modelo de simulación EU-Rotate_N

El modelo EU-Rotate_N, ha sido desarrollado dentro del marco de un proyecto de la

comunidad Europea (QLK5-2002-01100) como herramienta de apoyo a la decisión para el manejo

del N en un amplio rango de cultivos hortícolas en rotación al aire libre en distintos países de

Europa. Es una herramienta útil para evaluar los efectos agronómicos, ambientales y económicos

de las prácticas de manejo del agua y abonado N; apoyando en la definición e implementación de

leyes, planes de actuación y buenas prácticas agrarias, en el uso del N en la agricultura (Rahn et

al., 2010).

El modelo EU-Rotate_N, descrito por Rahn et al., (2010), se basa en un proceso dinámico

que simula la interacción cultivo-suelo-ambiente, basado en el modelo N_ABLE (Greenwood et al.,

2001). Consta de una serie de módulos que simulan el crecimiento de la planta, crecimiento y

distribución de raíces, extracción de N, ETc, drenaje, lixiviación de nitratos, humedad volumétrica

y N mineral del suelo, entre otros. En otros módulos se simula la dinámica de mineralización del

N desde la materia orgánica y se realiza un análisis económico de las prácticas de manejo del N en

rotaciones de cultivos (Rahn et al., 2010).


16

6.1. Entradas del modelo

Para la simulación, el modelo requiere una serie de datos de entrada organizados en

varios archivos: (ii) el archivo de entrada (archivo dia), que incluye datos del sitio experimental,

características físicas, hidráulicas y químicas del suelo, manejo del riego, manejo de la fertilización

N y datos de los cultivos; (iii) la Tabla de cultivo (Crop Table), que incluye parámetros agronómicos

de 70 especies hortícolas y (iv) el archivo clima, con valores diarios de temperatura y humedad

relativa (máximos, promedios y mínimos), velocidad de viento, integral de radiación solar y

evapotranspiración de referencia (ETO). Además, el modelo requiere otros archivos de entrada

denominados “Fertilizantes orgánicos”, “Fertilizantes minerales”, “Residuos de cultivos” y

“Parámetros de mineralización de la materia orgánica”.

En la Tabla 2, se presenta la descripción de las variables requeridas en el archivo de

entrada (archivo dia), para la ejecución del modelo. De los parámetros de entrada necesarios

para ejecutar el modelo, incluidos en el archivo día (Tabla 2), algunos son definidos por el usuario,

y otros pueden ser obtenidos experimentalmente o de la literatura disponible en la región. Los

contenidos de humedad del suelo a capacidad de campo, punto de marchitez permanente y a

saturación, pueden ser estimados a partir de la textura del suelo, densidad aparente y contenido

de materia orgánica del suelo (Saxton et al., 1998). El coeficiente de drenaje es calculado según

Ritchie, (1998), y regula el flujo descendente del agua en el perfil del suelo.

En la tabla 3, se describen los parámetros de cultivo incluidos en la Tabla de cultivo (crop

table) del modelo, para simular las diferentes variables de crecimiento, y dinámica de N y agua en

el sistema suelo y planta.

Capítulo 1

17

Tabla 2. Descripción de variables requeridas en el archivo de entrada (archivo dia), para la

ejecución del modelo.

Descripción Variable Unidad

Propiedades del sitio Latitud y altitud Grados y metros

Deposición de N atmosférico Kg ha-1

Periodo de simulación Inicio y final de la simulación Días Julianos

Datos de clima Nombre del archivo con extensión .text o .met

Simulación de invierno Simulación de nieve o escarcha -

Propiedades para cada Simulación de escorrentía -

capa de suelo Agua fácilmente evaporable mm

Profundidad de suelo sujeta a evaporación m

Profundidad máxima de enraizamiento cm

Profundidad de cada capa de suelo cm

Número de capas de suelo

Contenido de agua a capacidad de campo cm-3 cm-3

Contenido de agua a punto de marchitez

permanente

cm-3 cm-3

Contenido de agua a saturación cm-3 cm-3

Coeficiente de drenaje 0 - 1

Contenido de arcilla %

Contenido de arena %

Densidad aparente g cm-3

pH 0 -14

Contenido de materia orgánica %

Relación C/N 0-100

Condiciones iniciales Humedad volumétrica del suelo cm-3 cm-3

Nitrógeno mineral del suelo Kg ha-1

Actualización de N Nº de actualizaciones del N mineral en el suelo

Incorporación de

residuos previos

Fecha, método y profundidad de incorporación,

contenido de MS (Kg ha-1) y % N, tipo de 1MO

-

Fertilización Numero de fertilizaciones orgánicas e inorgánicas -

Irrigación Número de eventos de riego -

Fecha de riego Días julianos

Método de riego -

Fracción de superficie de suelo húmedo (Fw) 0-1

Cantidad de agua mm

Concentración de N en el agua g L-1

Datos del cultivo Tipo de cultivo (Nº de cultivo en la Tabla de cultivo) -

Distancia entre hileras y entre plantas cm

Fecha de plantación Días julianos

Contenido de materia seca al trasplante Kg ha-1

Contenido de N al trasplante %

Materia seca total (MS objetivo) t ha-1

1MO: materia orgánica


18

Tabla 3. Descripción de parámetros de cultivo, en la Tabla de cultivo (crop table) del modelo EU-

Rotate_N, para cada módulo de simulación

Modulo Abreviatura Descripción de variable Unidades

Crecimiento PNINF, βo Parámetros de la curva de N crítico % -

RLUX Consumo de lujo en N -

Base Temperatura base para el crecimiento del cultivo ºC

Crecimiento

de raíces

ddglag Periodo térmico con ausencia de crecimiento de raíces ºC día-1

Krz, Krx Tasa de crecimiento vertical y horizontal de las raíces m d-1 ºC-1

az, ax Parámetros de forma vertical y horizontal de las raíces m

Rtclss Clase de raíz según relación raíz/biomasa aérea 1:

baja, 2: media y 3: alta

-

Rz-min Rx-min Profundidad y ancho de enraizamiento a la siembra o

trasplante

m

Rz-max Rx-max Valores máximos de crecimiento vertical y horizontal

de las raíces

m

Tmin, Tmax Temperaturas mínima y máxima para el crecimiento

radical

ºC

Sr Longitud radical específica m g-1

Wr Biomasa de raíces g m-2

Lr Longitud radical total cm

Lz Densidad radical a la profundidad z m m-3

Consumo

de N

Npot Máxima extracción de N-NH4+ y N-NO3

- del suelo

por las raíces

kg ha-1 d-1

Nd Demanda de N estimada kg ha-1 d-1

kf Parámetro de reducción del consumo de N de las

raíces a bajas concentraciones de N

kN Parámetro de eficiencia de la extracción de N por las

raíces

g m-1 d-1

c Concentración de N-NH4+ o N-NO3

- en el suelo Kg m-3

cmin Concentración mínima de N-NH4+ o N-NO3

- que

permite la extracción de N desde el suelo

Kg m-3

Evaporación y

transpiración

REW Agua fácilmente evaporable mm

Ze Profundidad de suelo sujeta a evaporación m

Fw Fracción de superficie de suelo húmeda 0 -1

K_ini, k_mid,

k_end

Coeficientes de cultivo en las diferentes fases de

desarrollo

-

P_tab Factor de agotamiento del cultivo cuando la ETc es

igual a 5 mm

-

Hmax Máxima altura del cultivo m

L_INI, L_DEV,

L_MID, L_LAT

Duración de las fases de desarrollo de los cultivos día

Capítulo 1

19

6.2. Crecimiento y productividad

En la producción de MS del cultivo, el modelo considera el efecto del déficit de N (Gn), de

agua (Gw) y estrés térmico (GT) durante el ciclo de cultivo (Greenwood, 2001).

∆W = +�,�,-,.+!$/ (7)

donde W es la MS acumulada hasta una fecha dada (t ha-1) y K1 es una constante (1 t ha-1), K2 es

un coeficiente que representa la pendiente de regresión lineal de W+lnW durante el ciclo de

cultivo.

K1 = +!2�/345$/345#+!2�/6#/678#76 (8)

donde Wp es el contenido de MS a la siembra (t ha-1), Wmax es la MS objetivo (t ha-1), Th y Tp son los

días julianos de la cosecha final y la siembra, respectivamente.

Los coeficientes de estrés térmico (GT), déficit de N (GN) y estrés hídrico (GW) son

calculados a partir de las siguientes ecuaciones:

G7 = ,:;,:6 (9)

G< = min @ <<AB- ; 1.0F (10)

G/ = 7�4A-7� (11)

donde Gde son los grados-día efectivos del día, Gdp el promedio diario de grados-día durante todo

el ciclo de cultivo; N es el %N en la MS vegetativa excluyendo raíces fibrosas, Ncrit es el %N crítico;

y TRact y TR corresponden a la transpiración actual y potencial del cultivo, respectivamente. Los

Gde se obtienen a partir de la temperatura media diaria menos la temperatura base del cultivo,

considerando que si la temperatura media diaria es superior a 20 ºC, es ajustada a 20 ºC. El GW

asume que la reducción en la acumulación de MS es proporcional a la reducción en la

transpiración (Rahn et al., 2010).

El %Ncrit es la mínima concentración de N (%) a la cual se produce la máxima tasa de

crecimiento del cultivo (Greenwood et al., 2001).

%Ncrit= PNIF*(1+ βoe-0.26*MS) (12)

donde MS es la materia seca total (t·ha-1), PNIF representa la concentración de N (%) cuando la

MS es ≥ 1 t ha-1, y βo es un parámetro que rige la pendiente de la relación MS y %N. Los valores

de MS < 1 t ha-1 no se consideran debido a la gran variabilidad del contenido en N en los tejidos

vegetales durante el desarrollo inicial del cultivo (Greenwood et al., 1990; Greenwood, 2001). La

curva de %Ncrit ha sido descrita para especies C3 y C4 (Lemaire y Gastal, 1997; Greenwood et al.,

1990), y en los cultivos de trigo (Justes et al., 1994), maíz (Plenet et al., 2000), tomate (Tei et al.,

2002), lechuga (Tei et al., 2003) y repollo blanco (Ekbladh y witter, 2010), entre otros.


20

Cuando el contenido de N mineral en el suelo es alto, algunos cultivos pueden absorber

más N que el requerido para un máximo crecimiento (Zhang et al., 2009), por lo cual el modelo

considera un coeficiente de consumo de lujo de N (Rlux ≥1), para estimar el %N máximo (%Nmax)

que el cultivo puede absorber.

%NIJK = R2LK%NMN�O (13)

Para simular la producción comercial de frutos, el modelo utiliza dos enfoques diferentes:

por conversión directa y conversión simple (Nendel, et al., 2009). El primero, es utilizado para

cultivos con varias cosechas durante el ciclo, tales como el tomate y pimiento, y permite estimar

la producción a cualquier nivel de N aportado, tomando en cuenta los efectos de un aporte

excesivo o deficitario de N.

PC= MS * R0(Nav) (14)

siendo R0 la relación entre la producción comercial (PC) y MS total; Nav es el N total disponible,

que incluye el N extraído por el cultivo más el N mineral en el suelo al final del cultivo. La relación

entre R0 y Nav es específica para cada cultivo y puede ser polinomial o lineal. De acuerdo a Nendel

et al., (2009), dicha relación se puede clasificar en tres tipos: (i) tipo A, que presenta una relación

lineal, (ii) tipo B, que podría presentar una relación lineal cuando las condiciones son óptimas o

con diferentes relaciones cuando las condiciones son sub o supra-optimas y (iii) tipo C, que no

presentan ningún tipo de relación. Para los cultivos tipo A y B, la función de conversión R0 puede

ser explicada por la siguiente función polinomial:

R0= r0 +r1*Nav +r2*Nav2 +r3*Nav

3 (15)

Los términos r0, r1, r2 y r3 se determinan empíricamente para cada cultivo, y cuando la relación es

lineal, r2 y r3 son iguales a 0.

El enfoque más simple, es utilizado en cultivos con solo un producto comercial por planta,

tales como lechuga y repollo, a partir de la siguiente ecuación:

PFY = MS ∗ IC (16)

donde MS es la MS total y IC es el índice de cosecha. Una vez estimado el rendimiento comercial,

el modelo estima la cantidad de MS removida con la cosecha a partir del % MS del cultivo indicada

en la Tabla de cultivo (crop table) de la base de datos del modelo. La cantidad de MS que queda

en el campo como residuo de cultivo se obtiene por diferencia entre la MS total y MS removida en

la cosecha. Los residuos de cada especie hortícola siguen una dinámica de mineralización-

inmovilización del N en grupos de descomposición rápida y lenta, cuyas tasas de mineralización,

coeficientes de partición y relación C/N, se incluyen en el archivo Tabla de residuos de las base de

datos del modelo.

Capítulo 1

21

6.3. El enfoque del suelo

El suelo se divide vertical y horizontalmente en celdas de 5 x 5 cm de espesor, cuyo

número está determinado por la profundidad máxima de enraizamiento y la mitad de la distancia

entre hileras de cultivo, respectivamente. Al final del cultivo, al incorporar los residuos, las celdas

horizontales se funden en una sola unidad hasta la siguiente plantación (Rahn et al., 2010). La

máxima profundidad de enraizamiento permitida es 2 m.

6.4. Módulo de raíces

El módulo de crecimiento de raíces está directamente relacionado con el consumo de N,

ya que las raíces representan el vínculo entre el N mineral en el suelo y la extracción N en la

planta (Pedersen et al., 2009). En la tabla 3, se describen los parámetros utilizados por el modelo

para calcular el crecimiento horizontal y vertical, longitud y densidad de raíces en cada celda de 5

x 5 cm. El enfoque bidimensional (2D) del suelo permite simular el efecto de la distribución de

cultivos en hileras, sobre el crecimiento y distribución del sistema radicular (Rahn et al., 2010),

permitiendo consecuentemente adaptar el consumo de agua y N del suelo al potencial de

extracción de las raíces (Pedersen et al., 2009).

El módulo de raíces consta de tres componentes: (i) crecimiento horizontal y vertical, (ii)

longitud total de las raíces y (iii) distribución del sistema radicular. Para el cálculo del crecimiento

radicular horizontal y vertical, se asume que existe una relación lineal entre el crecimiento y

grados días acumulados (cumuT), utilizando una temperatura base específica para cada cultivo,

mientras que la temperatura máxima se ajusta a la temperatura base + 20 °C (Rahn et al., 2010).

Después de un periodo térmico (ddlag) posterior a la siembra de la semilla o trasplante, se

inicia el crecimiento horizontal y vertical de las raíces, a una tasa de crecimiento determinada (Krx,

Krz). El crecimiento vertical (Rz) se inicia a una profundidad de 0.1 m al momento de la siembra o

trasplante (Rz-min).

Rz= Rz-min + ((cumuT-ddglag) * Krz) (17)

El crecimiento horizontal (Rx) se inicia cuando las raíces alcanzan la siguiente capa, en vez

de iniciar al momento de la siembra o trasplante (Rahn et al., 2010), y se detiene cuando alcanza

la mitad de la distancia entre hileras (Rx-max), considerando así el efecto del espaciamiento entre

hileras (Nendel et al., 2009).

Rx= Rx-min + ((cumuT-ddglag) * Krx) (18)

La biomasa de raíces (Wr) es calculada a partir de la MS aérea del cultivo y de un

coeficiente específico para cada cultivo que considera la relación raíz/MS aérea (Rtclss). La


22

longitud total de la raíz (Lr) se calcula a partir de la Wr asumiendo una longitud de raíz específica

(Sr) (Tabla 3).

Lr= [Wr * Sr] (19)

La distribución de la longitud total de la raíz en ancho y profundidad (Lr(z,x)), se calcula a

partir de la densidad de raíces (Lz). La longitud de la raíz disminuye logarítmicamente desde la

superficie del suelo hacia las capas inferiores, y desde la hilera de cultivo hacia el centro de la

entrecalle, por medio de una función logarítmica controlada por los coeficientes de forma az y ax.

Lrz= Lz e(-az * z) (20)

6.5. Extracción de N

El módulo de extracción de N incluye tres componentes: (1) demanda diaria de N (Nd), (2)

máxima extracción de N por las raíces y (3) concentración (%) de N actual y Ncrit. Los parámetros

para el cálculo de la extracción de N son descritos en la Tabla 3.

La Nd diaria es la cantidad de N que debe ser absorbida por el cultivo para alcanzar la

máxima tasa de crecimiento potencial establecida con la MS objetivo, si las condiciones de

temperatura y disponibilidad de N y agua en el suelo son óptimas. LaNd (N-NH4+ y N-NO3

-) es

obtenida desde el módulo de crecimiento del cultivo, ya que depende de la tasa de crecimiento y

del %N máximo que el cultivo puede absorber para un máximo crecimiento (Nmax).

Nd= (Nmax * 0.01) * Wa) - Na (21)

donde Nmax (ecuación 13) se obtiene a partir de Rlux y el Ncrít, Wa es la MS acumulada (t ha-1) y Na es

el N extraído acumulado (t ha-1). Si el %Nmax es > 5.6, en el modelo es ajustado a 5.6%. La Nd es

simulada en dos compartimentos del cultivo: parte aérea y raíces fibrosas. Sin embargo, para la

Nd en la raíz, el modelo no considera el Rlux y el %N cuando la MS es 1 t ha-1, siendo el %N menor

que en la MS aérea.

Una vez obtenida la Nd el modelo estima la máxima cantidad de N-NH4+ y N-NO3

- que

pueden extraer las raíces (Npot), el cual se obtiene a partir de la longitud radical (Lr), la

concentración de N-NH4+ y N-NO3

- en el suelo (c), la eficiencia de consumo de N por la raíz (kN), la

concentración mínima de N-NH4+ (0.002 kg m-3) y N-NO3

- (0.001 kg m-3) que permite el consumo

de N desde el suelo (cmin) y un factor de reducción del consumo conforme las concentraciones de

N en el suelo se aproximan a Cmin (kf= 1.45) (Pedersen et al., 2009). La Lr es obtenida desde el

módulo de raíces (ecuación 19), la concentración de N-NH4+ o N-NO3

- en el suelo (c) es obtenida a

partir del balance diario de N en el suelo partiendo del N mineral en el suelo al inicio de la

simulación, kN es descrito en el archivo de parámetros de cultivos (crop table), y kf y Cmin son

incluidos en el archivo de programación del modelo (EUrotate1-8.f90).

Capítulo 1

23

NV�O(z, x) = ZB[<(M#M3�)+\$M (22)

La extracción de N-NH4+ y N-NO3

- por el cultivo, son calculados por separado para cada

unidad de suelo 2D en cada capa de suelo, y luego son acumulados para todo el perfil de suelo a

la profundidad z y ancho x. El N-NH4+ solo es calculado para el perfil de 0-30 cm. Cuando el ancho

de las raíces es menor que la mitad del espaciamiento entre hileras, el modelo ajusta el consumo

multiplicando la extracción de N-NH4+ y N-NO3

- por un factor que relaciona el ancho de raíces con

la mitad de la distancia entre hileras.

NLV = N:(1 − e#�∗(<6^-(<_`#)$<6^-(<ab$)<c )) (23)

La ecuación anterior, muestra que el consumo actual de N del cultivo depende de la Nd y

Npot. Cuando Nd y Npot son similares, la extracción de N estará controlada por cualquiera de los

dos parámetros; cuando Npot es mayor a la Nd la extracción de N es totalmente controlado por Nd,

y a muy bajo Npot la extracción de N es controlado por Npot (Rahn et al., 2010).

La extracción de N simulada es distribuida en los compartimentos de MS aérea y MS

radicular, a partir del N actual y de la proporción Nd parte aérea/Nd en raíces. El %N actual por

componente se calcula a partir de los valores respectivos de extracción de N y MS acumulados.

Todo el procedimiento matematico de cálculo del N, es mostrado con más detalle en las páginas

70, 76 y 105 del archivo de programación (EUrotate1-8.f90) de EU-Rotate_N, versión 1.8.

6.6. Módulo de agua

La dinámica del agua en el sistema suelo-planta-atmosfera es calculada sobre una base

diaria, y está determinada por las características del suelo, el desarrollo del cultivo y los

parámetros climáticos. Las propiedades físicas e hidráulicas del suelo y el tipo y manejo del riego

utilizado, determinan el movimiento y redistribución del agua en las capas de suelo y su

disponibilidad para las plantas. La distribución del agua en cada capa de suelo sigue un enfoque

de capacitancia (Ritchie, 1998), que permite su distribución horizontal y vertical según el potencial

matricial del suelo. El drenaje diario para cada perfil de suelo, se obtiene a partir de un

coeficiente de drenaje (Cdr), del contenido de humedad volumétrica (θi), del contenido de agua a

capacidad de campo (θfci) y del grosor de la capa (Ei).

Dri= Cdr(θi – θfci)Ei (24)

El Cdr determina la velocidad con que se infiltra el excedente de agua aplicada sobre la

capacidad de campo, desde las capas superiores a las inferiores. Los valores del Cdr van de 0 a 1.0,

dependiendo de la textura del suelo. Un suelo arenoso puede alcanzar valores cercanos a 1.0, lo

cual significa que el agua en exceso drena más rápido. Por el contrario, un suelo arcilloso tiene


24

coeficientes de drenaje próximos a 0, y consecuentemente una capacidad de drenaje mucho más

lenta (Ritchie, 1998). El usuario puede estimar los valores de Cdr a partir de las propiedades

hidráulicas del suelo, pero cuando no es disponible se utiliza un valor de 0 y entonces el modelo lo

calcula por defecto. Además, ante un posible déficit de agua en el suelo, el modelo tiene la

capacidad de simular el flujo capilar de agua de forma ascendente, utilizando un enfoque

normalizado de difusión de agua en el perfil del suelo (Rose, 1968).

Para el cálculo de la ETc, EU-Rotate_N utiliza la metodología FAO 56 (Allen et al., 1998),

como el producto de la evapotranspiración de referencia (ETo) por el coeficiente dual de cultivo

(Kc), compuesto del coeficiente basal de cultivo (Kcb) y el coeficiente de evaporación de suelo (Ke).

ETc= ETo * (Kcb + Ke) (25)

La ETo se calcula utilizando la ecuación de Penman–Monteith (Allen et al., 1998) o puede

ser estimada por el usuario e incluirla en el archivo clima. En la Tabla de cultivo de la base de

datos del modelo se incluye la duración de las etapas de crecimiento de los cultivos, asignando un

Kcb para cada etapa (Tabla 3). La transpiración (Tr) y la evaporación (E) son calculadas por

separado.

ET= ETo *Kcb (26)

Para determinar la evaporación desde la superficie del suelo, el modelo considera (i) el

agua fácilmente evaporable (REW), (ii) el espesor de la capa de evaporación (Ze) y (iii) la fracción

de superficie de suelo humedecida por el riego (Few); utilizando valores de referencia de Allen et

al., (1998).

E= Ke* ETo (27)

Ke= Kr (Kc max - Kcb) ≤ few Kcmax (28)

donde Ke es el coeficiente de evaporación, Kr es un coeficiente adimensional de reducción de la

evaporación, few: fracción de suelo húmeda y expuesta, y Kcmax es el valor máximo de Kc después

de regar.

Después del riego ocurre la mayor parte de la evaporación (REW= agua rápidamente

evaporable) desde la fracción húmeda total del suelo (Fw), donde Kr= 1. Posteriormente conforme

el suelo se va secando la evaporación disminuye paulatinamente, reduciéndose a la vez

progresivamente el Kr hasta alcanzar un valor próximo a 0, donde se alcanza la evaporación total

de agua (TEW). La evaporación total depende de las características físicas del suelo y de la

profundidad de la capa de suelo que está sujeta a la evaporación (Ze= 0.1-0.15). Considerando

que (1) en el método FAO 56 (Allen et al., 1998) la evaporación que ocurre por difusión desde la

fracción de suelo cubierta por el cultivo (fc) está incluida en el Kcb y (2) el riego por goteo solo

humedece una fracción de la superficie del suelo; se asume que Few es igual a Fw.

Few= min(1-cf, fw) (29)

Capítulo 1

25

El modelo calcula la transpiración y la evaporación actual del cultivo a una profundidad de

90 cm, sin embargo, cuando se especifica la profundidad máxima de enraizamiento, el balance de

agua es ajustado a dicha profundidad.

6.7. Módulo de mineralización

El modelo simula la dinámica de mineralización del N de la materia orgánica (MO) basado

en las rutinas utilizadas por el modelo DAISY (Hansen et al., 1990; Abrahamsen et al., 2000). La

dinámica de mineralización del N de la MO se basa en el balance entre los procesos de

mineralización-inmovilización. La biomasa microbial del suelo utiliza los compuestos nitrogenados

de la MO como fuente de energía, carbono, nitrógeno, etc., liberando NH4+ (amonificación).

Cuando el contenido de N en la MO asimilada es mayor al requerimiento de los microorganismos,

el NH4+ es liberado a la solución del suelo, donde puede ser oxidado a nitrato (nitrificación),

retenido en las arcillas o absorbido por las plantas. Por otra parte, si el contenido de N en la MO

es menor al requerimiento de los microorganismos, estos asimilan el amonio (NH4+) o nitrato

(NO3-) de la solución del suelo transformándolos en sustancias orgánicas, inmovilizando de esta

forma el N disponible en el suelo (Hansen et al., 1990).

La MO es clasificada en tres grupos: (i) materia orgánica del suelo (MOS), (ii) materia

orgánica en la biomasa microbial del suelo (MOB) y (iii) la materia orgánica aplicada (MOA), los

cuales se subdividen a la vez en dos subgrupos: de descomposición lenta (MO_L) y de

descomposición rápida (MO_R). Para simular la dinámica mineralización-inmovilización, se utiliza

un proceso de cinética de primer orden, el cual predice que la tasa de descomposición en cada

subgrupo de MO es proporcional a su tamaño:

dCkC

dt= − (30)

donde C es el contenido de carbono y k es el coeficiente o tasa de descomposición del sub-grupo

de MO considerado. Por tanto, la cantidad de N mineralizado se calcula a partir del contenido de

carbono en los distintos subgrupos de MO, manteniendo fija su respectiva relación C/N. Los

valores de eficiencia de utilización, las tasas (de descomposición, mantenimiento, nitrificación,

transporte e inmovilización), la relación C/N, los coeficientes de partición y porcentajes de

carbono, de los subgrupos MOS y MOB, son obtenidos del archivo “Parámetros de mineralización

de N” de la base de datos del modelo.

El modelo considera el efecto de las condiciones actuales de temperatura, humedad y

contenido de arcilla del suelo sobre las tasas de descomposición de la MOS (Hansem et al., 1990).

En suelos con un historial de altos aportes de MO, la MOS de descomposición rápida (MOS_R)


26

aumentará más rápidamente que la MOS_L mientras que en suelos con un bajo aporte de materia

orgánica, la SOM_R disminuirá más rápido que la MOS de descomposición lenta (MOS_L). Así, la

tasa potencial de mineralización de N desde la MOS depende en gran medida del coeficiente de

partición entre MOS_R y MOS_L. Esta relación a menudo se considera el principal parámetro de

calibración en la dinámica inmovilización-mineralización del N orgánico de la MOS (Hansen et al.,

1990).

Los valores de coeficientes de tasa (k), coeficientes de partición, eficiencia de utilización y

relación C/N para calcular la mineralización de la MOA_L y MOA_R, descritos en el archivo

“Fertilizantes orgánicos” de la base de datos del modelo, son obtenidos del modelo DAISY,

considerando el efecto de la temperatura y el contenido de humedad del suelo sobre K (Hansen

et al., 1990).

Los residuos de cultivo son incorporados a la rutina de mineralización con una relación

C/N dinámica, determinada por la concentración de N (%) del cultivo, el índice de cosecha (IC) y

un índice que relaciona el contenido de N en los residuos respecto al contenido de N en frutos

cosechados (N_ratio) (Rahn et al., 2010). El IC y el N_ratio son obtenidos por el modelo del

archivo “Tabla de cultivo” de la base de datos del modelo; mientras que la relación C/N,

coeficientes de partición y coeficientes k se obtienen del archivo “Residuos de cultivo”.

La volatilización del nitrógeno del estiércol y purines aplicados al suelo, se describe

utilizando una relación empírica implementados en el modelo ALFAM (Sogaard et al., 2002). Un

factor de dependencia del pH del suelo fue introducido en el modelo, normalizando la relación

entre el pH y la volatilización a mediano plazo a pH 7.0 (Rahn et al., 2010).

6.8. Aplicaciones del Modelo EU-Rotate_N

A pesar de que EU-Rotate_N no fue creado para cultivos hortícolas en invernadero,

presenta características que lo hacen potencialmente aplicable a este sistema de producción: (i)

ha sido desarrollado para simular cualquier número de cultivos hortícolas en rotación hasta un

máximo de 30 años, incluyendo 70 especies diferentes, (ii) se adapta al sistema de fertiriego por

goteo permitiendo hasta 500 eventos de riego durante el ciclo, (iii) permite fraccionar los

requerimientos de N hasta 500 aplicaciones mediante fertiriego y (iv) considera las condiciones

climáticas y de suelo del invernadero.

La modelización de cultivos bajo invernadero mediterráneo, requiere considerar aspectos

de manejo que normalmente no son considerados en los modelos desarrollados para cultivos al

aire libre. Estos aspectos son: (i) riegos frecuentes, (ii) aplicaciones frecuentes de nutrientes, (iii)

podas frecuentes durante el ciclo de cultivo, (iv) cosechas múltiples escalonadas de frutos, (v)

Capítulo 1

27

utilización de un suelo artificial estratificado con altos aportes de estiércol y con una cobertura de

grava que afecta la evaporación de agua desde la superficie de suelo y (vi) caracterización de los

procesos de mineralización de la materia orgánica.

El modelo EU-Rotate_N, ha sido utilizado para evaluar el efecto de las prácticas de manejo

del N en diferentes condiciones de clima, sobre parámetros agronómicos de cultivos en rotación

al aire libre. En su mayoría, las variables de cultivo han sido validadas con datos experimentales

sin realizar una calibración previa de algunos parámetros en las bases de datos del modelo; sin

embargo, los resultados han sido aceptables. En Alemania, Rahn et al., (2010), obtuvieron un

buen ajuste entre valores simulados y medidos, de N mineral y humedad el suelo, producción de

MS y extracción de N en rotaciones de cultivos bajo diferentes estrategias de manejo del N. En

Barcelona, Doltra y Muñoz, (2010), en una rotación de cultivos de pimiento-coliflor-acelga,

demostraron que EU_Rotate-N es una herramienta útil para evaluar el efecto de prácticas de

fertilización N sobre la extracción de N y el rendimiento del cultivo. En China, en el cultivo de

pepino bajo invernadero, Guo et al., (2010) y Sun et al., (2012), demostraron que EU-Rotate_N, es

una herramienta útil para estimar la demanda de N.

En otros estudios realizados con EU-Rotate_N, se ha observado que la simulación de la

dinámica del N mineral en el suelo tiende a ser menos precisa bajo condiciones de alto nivel de N

disponible en el suelo (Guo et al., 2010; Rayns et al., 2009). En condiciones del mediterráneo,

Nendel et al., (2012), reportaron una tendencia a una mejor simulación de los parámetros de

cultivo que los parámetros de suelo. Varios autores han sugerido que una simulación deficiente

del N mineral en el suelo podría estar relacionada con una subestimación del N mineralizado de la

MO del suelo, bajo condiciones mediterráneas (Nendel et al., 2012; Olasolo et al, 2011; Lidón et

al., 2011).

En el norte y sur de Europa, diferentes estudios han utilizado EU-Rotate_N para evaluar el

impacto ambiental de los códigos de Buenas Prácticas Agrícolas y de diferentes prácticas de

manejo del N en rotación de cultivos al aire libre (Schmutz, et al., 2008; Rahn et al., 2007; Nendel

et al., 2009; Doltra y Muñoz, 2010). En cultivos bajo invernadero, Guo et al., (2010) y Sun et al.,

(2012), utilizaron el modelo para evaluar el efecto de diferentes estrategias de manejo del N

sobre el drenaje y la lixiviación de N-NO3-. Sin embargo, actualmente, no existen estudios que

evalúen el modelo contrastando los valores de drenaje y la lixiviación de N-NO3- simulados con

datos obtenidos experimentalmente.


28

Referencias

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Capítulo 2

Simulación de crecimiento y la dinámica del agua y el nitrógeno, utilizando

el modelo de simulación EU-Rotate_N, en el cultivo de tomate bajo

invernadero Mediterráneo, con riego por goteo y fertirrigación

El modelo de simulación EU-Rotate_N en el cultivo de tomate bajo invernadero Mediterráneo

38

Resumen

La agricultura intensiva ha sido reiteradamente asociada con la contaminación

ambiental por nitratos. En la provincia de Almería, España, se ubica la mayor concentración de

producción intensiva de hortalizas bajo invernadero del mundo, caracterizado por un uso

intensivo del nitrógeno (N) de origen orgánico e inorgánico. Los modelos de simulación de la

dinámica del agua y N en suelo y planta, representan una alternativa rápida y de bajo coste de los

métodos de diagnóstico tradicionales, para evaluar estrategias de manejo del riego y abonado N.

Durante el periodo 2008-2011, se realizó un estudio con el objetivo de calibrar y validar el modelo

EU-Rotate_N en el cultivo de tomate en invernadero mediterráneo, bajo dosis crecientes de N

aplicado en el fertiriego y diferentes cantidades de N mineral en el suelo al trasplante. Bajo

condiciones no limitantes de N, el modelo calibrado simuló con exactitud los valores de materia

seca (MS), extracción de N y rendimiento comercial de frutos, teniendo la regresión lineal entre

valores simulados y medidos, una pendiente de 1.0 y coeficientes de determinación (R2) de 0.97

para la MS y de 0.95 para la extracción de N. Bajo condiciones limitantes de N, el modelo

subestimó los valores medidos de dichos parámetros en un promedio de 37%. Considerando

todos los tratamientos evaluados, hubo un buen ajuste entre valores simulados y medidos de ETc

y contenido de humedad en el suelo, mientras que la simulación del drenaje aunque menos

satisfactoria, fue considerada aceptable para tratamientos con valores de drenaje <60 mm. La

simulación del N-NO3- lixiviado fue menos precisa, subestimando el modelo en un promedio de

31%. El N mineral del suelo en general fue bien simulado, excepto en los dos tratamientos del

cultivo 2009, donde éste fue apreciablemente subestimado; esta subestimación parece estar

relacionada con una subestimación del N mineralizado de la materia orgánica del suelo en clima

mediterráneo. La comparación de las simulaciones realizadas con el modelo en tres tratamientos

bajo distinto manejo del riego y el N, y en el contenido de N mineral del suelo en trasplante,

demostró la utilidad del modelo como herramienta para examinar el efecto de las prácticas de

manejo del cultivo sobre el drenaje, la lixiviación de nitratos y la dinámica del N mineral del suelo

en invernaderos mediterráneos.

Palabras claves: Tomate, EU-Rotate_N, Lixiviación, Nitratos, Extracción de N.

Capítulo 2

39

1. Introducción

La problemática del N desde la agricultura se enfoca en dos aspectos, (1) contaminación

ambiental (Oenema et al., 2009), y como consecuencia (2) el riesgo para la salud humana (Greer y

Shannon, 2005; Smith, 2009). El aporte excesivo de N durante el ciclo de cultivo tiene como

consecuencia una acumulación de N mineral en el suelo (Vázquez et al., 2006), que potencia la

lixiviación de nitratos y consecuentemente la contaminación de acuíferos (Almasri y Kaluarachchi,

2004). El riesgo para la salud es una consecuencia de la contaminación ambiental, ya que los

nitratos se incorporan a la cadena alimenticia a través del agua de consumo (Smith, 2009), y

alimentos de origen vegetal (Du et al., 2011).

En la cuenca del mediterráneo hay aproximadamente unas 170,000 ha de cultivo bajo

invernadero, de las cuales 45,560 ha se ubican en el sureste (SE) de España, conocidos como

invernaderos tipo mediterráneo (Pardossi et al., 2004). En la provincia de Almería, al SE de

España, se ubica la mayor concentración de invernaderos del mundo, con una superficie de

27,500 ha (Castilla y Hernández, 2005). El tomate representa el principal cultivo de la zona, con

un 21% del área total invernada (Junta de Andalucía, 2009), siendo los ciclos de cultivo más

habituales: (i) un ciclo de otoño-invierno desde julio o setiembre hasta febrero o junio y (ii) un

ciclo de primavera que va desde finales de invierno o inicios de primavera hasta inicios del verano

(Cadenas et al., 2003).

En el SE de España, la nutrición mineral de los cultivos bajo invernadero, y en particular el

abonado nitrogenado, es aplicado en el fertiriego, adaptando recetas estándar del cultivo en

sustrato en base a la experiencia de agricultores y técnicos (Céspedes et al., 2009), sin considerar

los aportes de N de fuentes orgánicas y el N mineral del suelo (Thompson et al., 2007a). En un

estudio previo Thompson et al., (2007a), encontraron que los aportes de N en el estiércol aplicado

fueron superiores al límite máximo de N orgánico (170 kg ha-1 año-1), establecido en la legislación

Andaluza (Anón., 2008). La aplicación de altos volúmenes de riego durante el periodo entre

cultivos, pretrasplante y en postrasplante, junto a un aporte excesivo de N durante el ciclo de

cultivo, representan las principales prácticas responsables de la lixiviación de nitratos (Thompson

et al., 2007a; Fernández et al., 2007; Bonachela et al., 2006).

Los excesos de drenaje y lixiviación de nitratos son motivo de preocupación en la

producción de hortalizas bajo invernadero, por su relación con la contaminación de los recursos

hídricos y el incremento en el nivel freático del agua e inundaciones en zonas bajas debido al

retorno de drenajes (Pulido-Bosch 2005; Pulido-Bosch et al., 1997). Debido a la contaminación

con nitratos de los acuíferos primarios, la mayoría de las áreas donde se ubican los invernaderos

han sido declaradas "zonas vulnerables a los nitratos" de conformidad con la Directiva sobre


40

nitratos de la Unión Europea (Anón., 1991), que exige la adopción de prácticas de manejo

mejoradas.

En este tema se han realizado muchos estudios, sin embargo, la investigación en

invernaderos es costosa, la demanda de mano de obra muy intensiva (entutorado, podas,

cosechas frecuentes), y el financiamiento se ha reducido de forma apreciable a causa de los

problemas económicos nacionales. Muy pocos invernaderos tienen lisímetros para medir el

drenaje y la lixiviación de nitratos, y en los pocos invernaderos disponibles, sólo un número

limitado de tratamientos pueden ser examinados.

Los modelos de simulación de la dinámica del N en suelo y planta, representan una

alternativa económica e inmediata, a los métodos de diagnóstico de suelo y planta, permitiendo

realizar una evaluación previa y rápida del impacto económico y ambiental de estrategias de

manejo, reduciendo el riesgo inherente a la toma de decisiones (Meinke et al., 2008), el tiempo

de respuesta y los costes. Sin embargo, la mayoría se limitan a cultivos extensivos y al aire libre,

principalmente cereales (Cannavo et al., 2008).

En el contexto de la literatura actual, EU-Rotate_N se ha usado para evaluar el efecto de

diversas prácticas de manejo del riego y el N, sobre parámetros de cultivo y el impacto ambiental.

El modelo ha sido validado comparando los valores simulados con datos experimentales de MS

(Rahn et al., 2010; Sun et al., 2012), extracción de N y N mineral del suelo (Doltra y Muñoz, 2010a;

Guo et al., 2010; Sun et al., 2012), y rendimiento (Doltra et al., 2010b), de los cuales únicamente

Sun et al., (2012), han realizado una calibración previa de algunos parámetros de cultivo. En

numerosos estudios se ha utilizado el modelo para evaluar el efecto de prácticas de manejo del

riego y el N sobre el drenaje y la lixiviación de nitratos (Rahn et al., 2010; Schmutz, et al., 2008;

Rayns et al., 2009; Nendel et al., 2009; Doltra y Muñoz, 2010a; Guo et al., 2010; Sun et al., 2012),

sin embargo, en ningún caso se ha validado el modelo contrastando con datos experimentales.

En China, en el cultivo de pepino bajo invernadero, Guo et al., (2010), y Sun et al., (2012),

utilizaron el modelo para evaluar la dinámica del N bajo diferentes estrategias de manejo del N. A

pesar de la importancia que representa el cultivo de tomate a nivel mundial, solo hay un estudio

reportado con EU-Rotate_N para dicho cultivo al aire libre (Doltra et al., 2010b), y no hay estudios

para el cultivo bajo invernadero.

El modelo EU-Rotate_N, fue desarrollado para cultivos en rotación al aire libre. En el SE

de España, existen características relacionadas con el cultivo y clima bajo invernadero que lo

diferencian con el cultivo al aire libre (Orgaz, 2005). Algunos ejemplos son: (1) el N se aplica muy

frecuentemente, utilizando una solución de nutrientes, mediante riego por goteo frecuente (2) los

cultivos se soportan verticalmente, con podas frecuentes de sanidad y formación (3) se utiliza una

cobertura de grava sobre la superficie del suelo y (4) hay una disminución apreciable de la

Capítulo 2

41

demanda evaporativa debido a una mayor humedad ambiental, y a una reducción en la radiación

y velocidad del viento. Por tanto, antes de utilizar el modelo en el cultivo de tomate bajo

invernadero, puede ser necesaria la calibración de algunos parámetros agronómicos en el

modelo.

El objetivo de este estudio fue evaluar el comportamiento del modelo EU-Rotate_N, para

simular valores estacionales de: materia seca, extracción de N, producción comercial,

evapotranspiración (ETc), drenaje, lixiviación de nitratos, y la humedad volumétrica y N mineral en

suelo, en el cultivo de tomate bajo invernadero mediterráneo. Para ello, se utilizaron 10

tratamientos de cuatro cultivos de tomate de diferentes años (2008-2011), bajo diferente manejo

del riego, aporte de fertilizante N y N mineral en el suelo al trasplante.


42

2. Materiales y métodos

2.1. Sitio experimental

El estudio se realizó en la Finca Experimental UAL-ANECOOP, ubicada en Retamar,

Almería, España (latitud 36º 51' N, longitud 2º 16' W y altitud 92 m). Se utilizó un invernadero

multitúnel, formado por 4 módulos orientados este-oeste de 8 m de ancho y 45 m de largo (1,440

m2), alturas de 5.7 m al centro del túnel y de 4.5 m al canalón. El invernadero fue construido en

hierro galvanizado y disponía de cerramiento de policarbonato en las paredes frontales y

laterales, y cubierta de polietileno transparente tricapa de 200 µm de espesor. El sistema de

ventilación fue pasivo mediante la apertura o cierre automatizado de ventanas laterales y

cenitales. Las ventanas laterales estaban formadas por cortinas enrollables de polietileno, y las

cenitales por la apertura de medio arco de cada capilla. Ambos tipos de apertura estaban

protegidas por malla anti-insectos de 20 x 10 hilos cm-2.

El suelo utilizado fue un enarenado típico de la zona (Castilla y Hernández, 2005),

construido artificialmente durante la construcción del invernadero, colocando una capa de 30 cm

de suelo importado (franco) sobre el suelo original (franco-arenoso) de la finca. Antes de colocar

el suelo importado, se mezcló una capa de grava de 8 cm con la capa superficial del suelo original

para mejorar la infiltración. Una vez colocado el suelo importado, se incorporaron 200 m3 ha-1 de

estiércol de oveja en la capa superior del suelo aportado. Los contenidos de MS, %N y densidad

aparente del estiércol aplicado fueron 63%, 1.7% y 0.7 t m-3, respectivamente. Finalmente se

colocó una capa de grava de 10 cm sobre el suelo importado, como acolchado. La granulometría

de la grava fue de 8.9, 62.4 y 28.8% para las fracciones entre 0.05-2 mm, 2-5 mm y > 5 mm,

respectivamente. En la tabla 1, se presentan las propiedades físicas, químicas e hidráulicas del

suelo en horizontes de 10 cm, hasta 60 cm de profundidad, excluyendo la capa superior de arena.

El invernadero disponía de 12 lisímetros de drenaje libre de 4 m de largo, 2 m de ancho y

0.7 m de profundidad, impermeabilizados con una lámina de caucho butilo. El perfil del suelo en

el lisímetro reproducía las características del perfil de suelo exterior, con una capa de grava

colocada en el fondo, sobre la lámina de caucho.

Capítulo 2

43

Tabla 1. Propiedades del suelo experimental utilizadas en el archivo de entrada, en las

simulaciones con EU-Rotate_N.

Parámetro Capa de suelo (cm)

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60

Arcilla (%) 17.6 14.7 13.7 11.5 19.9 19.9

Arena (%) 46.7 45.8 53.8 72.5 52.6 52.6

Densidad aparente (kg m-3) 1,200 1,700 1,700 1,600 1,400 1,400

pH (suelo:agua = 1:1) 8.2 8.4 8.5 8.6 7.8 7.8

Materia orgánica (%) 4.9 1.07 0.82 0.23 0.40 0.40

HV a 30 kPa (cm3 cm-3) 0.29 0.22 0.19 0.15 0.25 0.25

HV a 1500 kPa (cm3 cm-3) 0.14 0.14 0.09 0.08 0.13 0.13

HV a saturación (cm3 cm-3) 0.55 0.55 0.36 0.39 0.47 0.47

Coeficiente de drenaje 0.47 0.61 0.46 0.62 0.47 0.47

Hv: humedad volumétrica del suelo

2.2. Cultivos y tratamientos

Durante el periodo 2008-2011, se realizaron cuatro cultivos de tomate (Solanum

lycopersicum L.) tipo ramo bajo dosis crecientes de N, excepto en el 2008 donde se aplicó solo un

nivel de N. Los cultivos 2008 y 2011 se realizaron en ciclo primavera-verano, mientras que los

cultivos de 2009 y 2010 en ciclo otoño-invierno. La definición de los tratamientos se hizo en base

a la concentración de N en la solución nutritiva aplicada en fertiriego, donde el 95% se aplicó en

forma de nitrato (N-NO3-) y el y el resto como amonio (N-NH4

+). Los tratamientos fueron definidos

de acuerdo a (a) la estación de cultivo (P: primavera, OI: otoño-invierno), (b) el año de cultivo: 08,

09, 10 y 11 para los años 2008, 2009, 2010 y 2011, respectivamente y (c) el incremento en la

concentración de N desde N1 hasta N4 (Tabla 2). En el cultivo 2008 se aplicó una concentración de

N correspondiente a un manejo convencional de la zona, mientras que en los cultivos de otoño-

invierno de 2009 y 2010, y primavera 2011, se aplicaron dos, tres y cuatro concentraciones

crecientes de N, respectivamente (Tabla 2).

El número de sectores de riego utilizados en cada experimento de 2008, 2009, 2010 y

2011, correspondió al número de tratamientos de N respectivo. Se utilizó un sistema de riego

localizado con tubería de polietileno de 16 mm, y provistos de goteros auto-compensantes y anti-

drenantes (3 L h-1) separados cada 0.50 m. Los ramales se distribuyeron en líneas pares separadas

a 0.80 m, y 1.20 m entre pares de líneas.


44

Tabla 2. Para los cuatro experimentos y diez tratamientos, concentración media de N (N-NO3- +

N-NH4+) y cantidad total de N aplicado, volumen total de riego, N mineral al trasplante y materia

seca (MS) objetivo del cultivo de tomate en invernadero, utilizados en el estudio.

[N]: concentración de nitrógeno

En todos los cultivos, se utilizaron plántulas de 30 días de edad (3-4 hojas verdaderas),

distribuidas en un sistema de doble hilera, paralelas a las líneas de goteros. Las plántulas se

colocaron a 8 cm de distancia de los emisores de riego, en la parte interior adyacente de las líneas

pares de goteros, correspondiendo a una planta por gotero y a una densidad de 2 plantas m-2.

Los cultivos se tutoraron verticalmente con hilos de nylon utilizando el sistema de gancho

y descuelgue y dejando un tallo por planta. Se realizaron podas periódicas para mantener la

estructura del cultivo, eliminando los tallos secundarios y haciendo algún deshojado para facilitar

la interceptación de luz, la recolección de los frutos y el control de enfermedades fúngicas. Una

vez formados 8 racimos, se eliminó el brote apical (despunte) para favorecer el engorde y la

maduración de los frutos, lo cual tuvo lugar a los 72 días después del trasplante (DDT) en los

cultivos del 2008, 2009 y 2011 y a los 82 DDT en el cultivo del 2010.

Para controlar el exceso de temperatura en los periodos de alta radiación solar, en los

cultivos 2008 y 2009, se utilizó una malla de sombreo aluminizada programada para cerrar

automáticamente cuando la radiación solar era ≥ 1000 w m-2; mientras que en los cultivos 2010 y

2011, el techo plástico fue blanqueado con una suspensión de CaCO3-. En el cultivo 2010, el

blanqueo (25% p/v) fue realizado desde el trasplante hasta los 30 DDT, mientras que en el 2011 se

Cultivo Fechas de

cultivo

Tratamiento

de N

[N]

mmol L-1

N aplicado

(kg ha-1)

Riego

(mm)

Nº de

riegos

N trasplante

(kg ha-1)

MS (t ha-1)

objetivo

P-2008 (cv.

Brenda)

De 10/01/08

al 21/06/08

P-08-NC 12 700 418 94 542 11.7

OI-2009 (cv.

Pitenza)

De 16/09/09

al 15/03/10

OI-09-N2 6.2 168 250 63 353 10.7

OI-09-N3 12.3 320 250 63 287 10.8

OI- 2010 (cv.

Razimo)

De 05/08/10

al 25/01/11

OI-10-N1 0.65 32 273 66 44 11.8

OI-10-N2 4.4 167 288 66 64 13.3

OI-10-N3 13.5 491 285 66 28 12.8

P-2011 (cv.

Ramyle)

De 14/03/11

al 14/07/11

P-11-N1 1.0 28 181 50 17 9.2

P-11-N2 5.1 150 225 50 14 11.2

P-11-N3 13.5 427 247 50 13 11.7

P-11-N4 22.0 676 243 50 66 11.8

Capítulo 2

45

realizaron tres blanqueos consecutivos, a los 25 DDT (17% p/v), 50 DDT (12.5% p/v) y 73 DDT (20%

p/v), respectivamente. En todos los cultivos, desde el inicio de la floración se introdujeron

“abejorros” (Bombus terrestris L.) para la polinización. El manejo agronómico y control

fitosanitario fue similar al utilizado en explotaciones comerciales del sureste de España. En la

Tabla 3, se presenta para cada cultivo, valores promedio estacionales de los principales

parámetros climáticos.

En el cultivo de 2008, el riego tuvo un manejo convencional según recomendaciones del

asesor técnico responsable de la finca experimental. En los demás cultivos se realizó una

programación del riego usando valores de ETc calculada con el modelo de simulación PrHo

(Fernández et al., 2001a) y tensiómetros manuales, instalados a 8 cm de la planta y a 15 cm de

profundidad, para mantener el potencial mátrico de suelo entre -10 y -30 kPa.

Tabla 3. Para cada cultivo, valores promedios estacionales de temperatura del aire y humedad

relativa máxima, mínima y media, radiación solar (RS) y evapotranspiración de referencia (ETo) de

periodos de 24 horas, en el interior del invernadero.

Cultivo Temperatura (ºC) Humedad relativa (%) Integral de RS ETo

Mínima Promedio Máxima Mínima Promedio Máxima (MJ m-2 d-1) (mm d-1)

Primavera-2008 13.10 18.91 27.66 29.50 42.20 73.30 12.60 2.47

Otoño-inv. 2009 11.09 16.50 25.77 57.71 78.50 91.23 7.60 1.53

Otoño-inv. 2010 14.17 19.04 26.23 56.46 76.94 91.45 6.67 1.62

Primavera-2011 16.69 22.52 30.08 54.99 76.15 89.30 9.33 2.42

Todos los nutrientes se aplicaron mediante fertiriego a partir de soluciones nutritivas

concentradas, distribuidas en 7 tanques de 1000 L que contenían las sales fertilizantes en el

siguiente orden (1) sulfato potásico y sulfato magnésico, (2) nitrato cálcico, (3) nitrato potásico,

(4) ácido fosfórico, (5) micronutrientes, (6) fosfato monopotásico, y (7) calcio quelatado,

respectivamente. El riego fue programado con ordenador, introduciendo los porcentajes de

inyección de fertilizante de acuerdo al pH, CE y concentración de macronutrientes requeridos en

cada etapa fenológica de cultivo (Tabla 4).

En el cultivo de 2008, se utilizaron 4 repeticiones distribuidas al azar. En los experimentos

de 2009, 2010 y 2011, se aplicó un diseño de bloques completos al azar con cuatro repeticiones.

Cada parcela experimental (repetición) tenía unas dimensiones de 6 m x 6 m, formada por 72

plantas distribuidas en 3 hileras dobles con 12 plantas cada una. Las dos hileras laterales y las


46

plantas exteriores al final de cada hilera se utilizaron como borde. Cada tratamiento de N dispuso

de 2 lisímetros de drenaje libre.

Tabla 4. Concentración de macronutrientes en la solución nutritiva aplicada en el fertiriego,

según etapa fenológica de los cultivos de tomate de 2008, 2009, 2010 y 2011.

Etapa *Cationes (mmol L-1) *Aniones (mmol L-1)

Ca++ K+ Mg++ SO4= H2PO4

-

Trasplante- semana 4 1.0 3.5 1.0 2.0 4.0

Semana 4- 8º ramo 2.0 5.0 1.0 2.0 4.0

8º ramo - último cuajado 3.5 7.0 1.5 2.0 3.0

Ultimo cuajado - final 4.0 6.0 2.0 2.0 1.5

*En el balance de la solución nutritiva se consideraron las concentraciones de nutrientes aportadas por el agua de riego

2.3. Parámetros de clima

En todos los cultivos, la temperatura del aire y la radiación solar se midieron

continuamente cada 5 minutos, registrando el promedio de periodos de 30 minutos en un data

logger (CR10X, Campbell Scientific Inc., Utah, EE.UU.). Las temperatura húmeda y seca del aire se

midió con un psicrómetro de ventilación forzada (modelo 1.1130, Thies Clima, Göttingen,

Germany) a partir de las cuales se calculó la humedad relativa (Allen et al., 1998). La radiación

solar se midió a una altura de 3 m con un piranómetro (modelo SKS 1110, Skye Instruments,

Llandrindod Wells, Walles, UK).

2.4. Propiedades de suelo

Al inicio del estudio, se determinaron las características físicas, químicas e hidráulicas del

suelo en capas de 10 cm hasta una profundidad de 60 cm (Tabla 1). La textura, conductividad

eléctrica (CE), el pH, nitrógeno total y carbono orgánico, fueron determinados por los métodos de

Bouyoucos, pasta saturada, pH en agua 1:1, Kjeldahl y Walkey-Black, respectivamente, descritos

por USDA, (2004). La densidad aparente se determinó extrayendo una muestra de suelo “in situ”

con un anillo de volumen conocido. La muestra de suelo se secó en una estufa a 105 ºC hasta

peso constante y la densidad aparente se calculó como el cociente entre el peso seco del suelo y

el volumen (USDA, 2004).

El contenido de humedad volumétrica del suelo a capacidad de campo se determinó

siguiendo la metodología propuesta por Romano y Santini, (2002). Los contenidos de humedad

Capítulo 2

47

del suelo correspondiente al punto de marchitez permanente y saturación se estimaron a partir

de la textura y el contenido de materia orgánica del suelo según Saxton et al., (1986).

2.5. Humedad volumétrica y nitrógeno mineral del suelo

El contenido de N mineral del suelo se determinó durante el ciclo de cada cultivo, poco

después del trasplante, a mediados y al final del ciclo. El suelo se muestreó en incrementos de 20

cm de profundidad hasta 40 cm en el cultivo 2009 y hasta 60 cm en los cultivos 2008, 2010 y

2011. En cada muestreo, el suelo fue muestreado en cuatro repeticiones por tratamiento, y en

cada repetición hubo tres posiciones de muestreo respecto al gotero: (1) a 5 cm del gotero y

perpendicular a la línea de goteros, (2) en un punto intermedio entre dos goteros dentro de la

línea de goteros y (3) en el centro de la entrecalle, frente al gotero. La muestra obtenida en cada

incremento de profundidad, correspondiente a cada posición de muestreo, repetición y

tratamiento fue tratada como una muestra separada.

El contenido de N mineral (N-NO3- más N-NH4

+) se determinó en una submuestra de 40 g

de suelo húmedo tras la extracción con 200 ml de KCl 2 M. Las concentraciones de nitrato ([N-

NO3-]) y amonio ([N-NH4

+]) se determinaron utilizando un analizador de flujo segmentado (modelo

SAN++, Skalar Analítical B.V., Breda, Países Bajos). El NO3- fue determinado como nitrito (NO2

-)

utilizando el método de Griess-Illosvay (Mulvaney, 1996) después de la reducción de NO3- a NO2

-

utilizando una columna de cadmio (Mulvaney, 1996). El contenido de N mineral para cada

incremento de profundidad (capa de 20 cm) y tratamiento, se calculó como: (0,1 x posición 1) +

(0,35 x posición 2) + (0,55 x posición 3).

La humedad gravimétrica se determinó en las muestras de suelo húmedo obtenidas para

la extracción de suelo, utilizando aproximadamente 20 g de suelo secado en horno de ventilación

forzada a 105 ºC hasta peso seco constante. La humedad volumétrica fue obtenida como el

producto de la humedad gravimétrica por su respectiva densidad aparente. El contenido de

humedad volumétrica para cada incremento de profundidad de muestreo, por tratamiento, se

calculó como: (0,1 x posición 1) + (0,35 x posición 2) + (0,55 x posición 3).

2.6. Volumen y concentración de nitrógeno en el riego aplicado y en drenaje

En cada tratamiento, el volumen de agua aplicado fue medido en cada riego con

caudalímetros que registraban los datos en el controlador del fertiriego. Una vez por semana se

determinó la concentración de N ([N-NO3-] + [N-NH4

+]) en solución nutritiva aplicada en fertiriego,

en dos submuestras recolectadas desde bandejas de 7 L ubicadas en dos goteros diferentes

seleccionados al azar.


48

En cada tratamiento, el volumen de drenaje fue medido desde dos lisímetros, a las 9:00

horas, 24 horas después de cada riego, recogiendo submuestras para determinar la concentración

de N. La [N-NO3-] y [N-NH4

+] fueron determinadas con un analizador automático de flujo

segmentado, descrito en la sección 2.5.

En cada cultivo, la cantidad de N aplicado (kg ha-1) se calculó a partir de los volúmenes de

riego y su respectiva concentración de N, mientras que la cantidad de N lixiviado (kg ha-1) se

calculó a partir de los volúmenes de drenaje, la concentración de N respectiva y el área de los

lisímetros. Las cantidades de N-NH4+ lixiviado fueron despreciables.

2.7. Evapotranspiración del cultivo

En cada tratamiento, la ETc se calculó para periodos semanales mediante balance de agua

en el suelo, según la ecuación:

ETc= (Hvi – Hvf) + R - D (1)

donde (Hvi – Hvf) es la diferencia entre los contenidos de humedad volumétrica del suelo (mm) al

inicio (Hvi) y al final (Hvf) del periodo, R y D son los volúmenes de riego y drenaje (mm) para dicho

período, respectivamente.

El contenido de humedad volumétrica del suelo fue medido semanalmente con un equipo

TDR (TRASE 6005X1, Soil Moisture Corp., Santa Barbara, CA, USA.), a una profundidad de 0-45 cm,

asumiendo que la humedad en el perfil de suelo de 45 a 60 cm se mantiene constante. La medida

se realizó en tres posiciones diferentes respecto al gotero: (1) a 5 cm del gotero y perpendicular a

la línea de goteros, (2) en un punto intermedio entre dos goteros dentro de la línea de goteros y

(3) en el centro de la entrecalle, frente al gotero.

El contenido de humedad volumétrica se calculó como: (0,1 x posición 1) + (0,35 x

posición 2) + (0,55 x posición 3).

2.8. Materia seca, rendimiento y extracción de nitrógeno

Para determinar la producción de materia seca (MS) durante el ciclo de cultivo, se

realizaron 6-7 muestreos periódicos de dos plantas completas por repetición, en las cuales se

determinó el peso fresco de tallos, hojas y frutos. El contenido de MS se determinó en una

submuestra de cada componente, las cuales fueron secadas a 65°C en horno de ventilación

forzada hasta peso constante. A partir del peso fresco en cada componente y el %MS respectivo,

se obtuvieron los valores de peso seco total por unidad de superficie.

Para determinar la MS de podas, MS de frutos cosechados y el rendimiento de fruto

fresco, para cada repetición se identificó una parcela de 4 m2 con 8 plantas. En cada poda, se

Capítulo 2

49

determinó el peso fresco de hojas y tallos por separado; y en cada cosecha se determinó el peso

fresco de los frutos cosechados. Las determinaciones de MS en podas de hojas y tallos, y frutos

cosechados, se realizó de la misma forma que se describe para MS de plantas completas. Se

realizaron 7, 14, 14 y 11 podas y 13, 7, 11 y 4 cosechas de fruto en los cultivos de 2008, 2009,

2010 y 2011, respectivamente.

Para cada fecha de muestreo, la producción de MS acumulada, correspondió a la MS en

planta completa acumulada a la fecha, más los valores de MS de podas previas y MS de frutos

cosechados previamente.

La extracción de N se determinó a partir de las submuestras de MS de tallos, hojas y

frutos de plantas completas, de podas y frutos cosechados. Una vez secadas y pesadas, las

submuestras se molieron por separado y secuencialmente con un molino de cuchillas (modelo

SM100 Confort, Retsch, Haan, Alemania) y un molino de bolas (modelo MM200, Retsch, Haan,

Alemania). La concentración de N se determinó utilizando un sistema de análisis elemental tipo

Dumas (modelo 3000 EA, SpA EUROVECTOR, Milán, Italia).

La cantidad de N extraído en tallos, hojas y frutos de planta completa, en podas de hojas y

tallos; y en frutos cosechados, fue calculada a partir de sus respectivos contenidos de MS y

concentraciones de N. El N extraído en hojas y tallos de podas, y en frutos cosechados, fue

sumado respectivamente, al N extraído en hojas, tallos y frutos de planta completa. La extracción

de N fue acumulada para cada fecha de muestreo de MS de planta completa, como la suma de los

contenidos de N en tallos, hojas y frutos.

La altura de cada tratamiento fue determinada en 4 plantas por repetición, desde la

superficie del suelo hasta el brote terminal de la planta.

2.9. EU-Rotate_N, configuración y entradas del modelo

El modelo de simulación EU-Rotate_N, representa una herramienta de apoyo a la decisión

para el manejo del agua y N en diferentes cultivos hortícolas en rotación en toda Europa. Está

basado en el modelo N_ABLE (Greenwood et al., 1996), y está compuesto por una serie de

módulos que simulan el crecimiento de la parte aérea y del sistema radicular del cultivo,

extracción de N, evapotranspiración, drenaje, lixiviación de nitratos, humedad volumétrica y N

mineral del suelo, mineralización-inmovilización del N de los distintos grupos de materia orgánica,

y análisis económico de las estrategias de manejo del N (Rahn et al., 2010).

En este trabajo se realizó la calibración y validación del modelo EU-Rotate_N (versión 1.8,

2009) en cultivo de tomate bajo invernadero mediterráneo. Para la ejecución, el modelo ha

requerido una serie de datos de entrada (inputs), los cuales han sido organizados en los siguientes


50

archivos: (1) archivo de entrada, que incluye información relevante sobre el sitio experimental, el

suelo, datos del cultivo, manejo del cultivo y condiciones iniciales de suelo, (2) el archivo de clima,

incluye valores diarios máximos, promedios y mínimos de temperatura y humedad relativa,

velocidad de viento, integral de radiación solar diaria y evapotranspiración de referencia (ETo)

(Tabla 3). La ETo se calculó se calculó previamente, utilizando la ecuación de Penman–Monteith

adaptada a invernaderos de plástico tipo mediterráneo con una resistencia aerodinámica fija de

295 s m-1 (Fernández et al., 2010; 2011). El modelo incluye una base de datos de 70 especies

vegetales, denominada “Tabla de cultivo” (crop table), en la cual se incluyeron los parámetros

específicos del cultivo de tomate bajo invernadero mediterráneo, obtenidos en el proceso de

calibración, tal como se explicará más adelante.

En este estudio, para cada tratamiento se realizó una simulación independiente desde el

trasplante hasta la cosecha final. En el perfil de suelo se consideraron 6 capas de 10 cm de

espesor, con sus respectivas características químicas, físicas e hidráulicas, utilizadas como

entradas en el modelo, incluyendo un coeficiente de drenaje calculado según Doltra y Muñoz,

2010a (Tabla 1). La capa de grava no fue incluida como parte del perfil de suelo, debido a que sus

características físicas, químicas e hidráulicas, le proveen una mínima capacidad de retención de

agua y nutrientes.

Para cada evento de fertiriego, en el archivo de entrada se incluyó la fecha de aplicación,

el volumen aplicado (mm), la concentración de N (g l-1) y la fracción de suelo húmeda (fω). Los

residuos de cultivo no se incluyeron como entradas en el modelo, ya que estos son retirados del

invernadero inmediatamente después de finalizar el cultivo. Para cada tratamiento, como MS

objetivo en el archivo de entrada, se utilizó su respectiva MS total final. Además, se incluyó una

sola cosecha de frutos al final del ciclo, como la suma de todas las cosechas periódicas de frutos.

Estudios previos en pimiento bajo invernadero, demostraron errores significativos en la

simulación de MS cuando varias cosechas de frutos fueron considerados en el archivo de entrada

(Gallardo et al., 2011).

2.9.1. Calibración del modelo EU-Rotate_N

Simulaciones previas, utilizando los parámetros para el cultivo de tomate al aire libre,

incluidos en la Tabla de cultivo del modelo (valores por defecto, sin calibrar), demostraron un

pobre comportamiento del modelo. Consecuentemente, se realizó una calibración para el cultivo

de tomate bajo invernadero mediterráneo, utilizando datos del tratamiento OI-10-N3,

representativo de las prácticas de manejo convencional de la zona. La calibración se realizó en los

Capítulo 2

51

componentes de crecimiento, extracción de N, producción de fruto comercial y

evapotranspiración (Tabla 5).

Tabla 5. Parámetros de cultivo en la (1)Tabla de cultivo de EU-Rotate_N para tomate al aire libre

(por defecto) y los obtenidos para el cultivo de tomate bajo invernadero, en ciclos de otoño-

invierno (O-I) y primavera (P).

Parámetro Descripción (1)EU-

Rotate_N Cultivo

O-I Cultivo

P

Base Temperatura base de crecimiento (ºC) 7 10 10

ddglag Tiempo térmico para iniciar crecimiento radical (ºC día)

100 0 0

a Coeficientes de cultivo de la ecuación de N critico 1.6 2.361 2.361

b 3 0.696 0.696

Rlux Coeficiente de consumo de lujo de N 1.0 1.1 1.1

K_ini Coeficiente de cultivo basal inicial 0.15 0.05 0.05

K_mid Coeficiente de cultivo basal intermedio 0.9 1.3 1.2

K_end Coeficiente de cultivo basal final 0.9 1.3 1.2

H_max Altura máxima del cultivo (m) 1 2 2

L_ini Longitud fase de crecimiento inicial (días) 30 5 5

L_dev Longitud fase de crecimiento lineal (días) 60 50 55

L_mid Longitud fase de crecimiento intermedia (días) 50 54 34

L_lat Longitud fase de crecimiento final (días) 15 71 34

r0 Coeficientes de regresión para el cálculo del factor de conversión de materia seca a fruto fresco comercial (R0)

9.429 7.913 7.913

r1 0.0115 -5E-04 -5E-04

r2 -3E-05 -2E-06 -2E-06 (1)

Valores por defecto en la Tabla de cultivo (crop table) del modelo. Todos los datos fueron obtenidos

experimentalmente, excepto la temperatura base que fue obtenida de la literatura y el ddlag que fue estimado.

2.9.1.1. Calibración del crecimiento, extracción de nitrógeno y producción de frutos

En el módulo de crecimiento, se calibraron la temperatura base, el tiempo térmico para

germinar e iniciar el crecimiento radicular (ddglag), los coeficientes específicos de la curva de N

crítico (Ncrit) y el coeficiente de consumo de lujo de N (Rlux). Se utilizó una temperatura base para

el cultivo de tomate de 10 ºC (Maynard y Hochmuth; 2007; Misle, 2003); y un ddglag de 0º C dia-1,

considerando que el cultivo se trasplantó con 4-5 hojas y las condiciones de cultivo en el

invernadero fueron favorables para un establecimiento inmediato (Tabla 5).

La determinación de los coeficientes “a” y “b” de la curva Ncrit se realizó utilizando datos

experimentales de todos los tratamientos de 2009, 2010 y 2011, siguiendo la metodología de Tei

et al., (2002). Para cada tratamiento y fecha de muestreo se determinó la concentración mínima

de N (Ncrit) en la cual se obtuvo la máxima producción de MS (MS ≥ 1 t ha-1), obteniendo a partir


52

de dicha relación los coeficientes de la curva Ncrit. El Rlux se obtuvo datos experimentales de todos

los tratamientos de 2009, 2010 y 2011, según el procedimiento descrito por Rhan et al., (2010)

(Tabla 5).

El modelo calcula el rendimiento comercial por el método de conversión directa (Nendel

et al., 2009), para cultivos con varios órganos cosechables por planta. El factor de conversión de

MS total a rendimiento comercial fresco (R(Nav)), fue determinado a partir de los datos

experimentales de producción de fruto comercial y de MS obtenidos en los cuatro tratamientos

del cultivo de 2010. Los valores de R(Nav) obtenidos se relacionaron con los valores de Nav

respectivos (N mineral residual + N extraído), obteniendo los coeficientes de regresión r0, r1 y r2

(Tabla 5).

2.9.1.2. Calibración de la evapotranspiración

EU-Rotate_N calcula la ETc según la metodología FAO 56 (Allen et al., 1998), como el

producto de la evapotranspiración de referencia (ETo) por el coeficiente dual de cultivo (Kc). El Kc

está compuesto por un coeficiente de transpiración denominado coeficiente de cultivo basal (Kcb)

y un coeficiente de evaporación (Ke).

Los valores de Kcb y la duración de etapas de cultivo fueron obtenidos realizando una serie

de escenarios de simulación con EU-Rotate_N, hasta obtener un buen ajuste entre valores de ETc

simulados y medidos. Debido a diferencias climáticas y duración del ciclo entre cultivos de

invierno y de primavera, se observó que al utilizar los valores de Kcb y de duración de fases

obtenidos para el cultivo de calibración de otoño-invierno (OI-10-N3), se obtuvieron resultados

deficientes en la simulación de la ETc en el cultivo de primavera. Consecuentemente, fue

necesaria la calibración de dichos parámetros en el cultivo de primavera usando para ello el

tratamiento P-11-N3 (Tabla 5).

El modelo EU-Rotate_N, no considera el efecto reductor de la evaporación de agua de la

superficie del suelo, debido a los acolchados artificiales. Para considerar tal efecto, debido al

acolchado de la capa de arena, se procedió a calibrar los parámetros determinantes de la

evaporación superficial del suelo. Se calibró (i) el agua fácilmente evaporable (REW), (ii) el

espesor de la capa de evaporación (Ze) y (iii) la fracción de suelo humedecida por el riego (Fω),

realizando una serie de escenarios de simulación, a partir de valores de referencia de Allen et al.,

(1998), reduciendo la evaporación progresivamente hasta minimizar las diferencias entre valores

medidos y simulados de ETc (Tabla 5).

Capítulo 2

53

2.9.2. Evaluación del funcionamiento del modelo

Una vez calibrado, el modelo ha sido validado utilizando datos experimentales de diez

tratamientos de diferentes cultivos de tomate (Tabla 2). Las variables (“outputs”) evaluadas

fueron: (i) producción de MS aérea, (ii) extracción de N, (iii) producción comercial de frutos, (iv)

evapotranspiración del cultivo, (v) drenaje, (vi) lixiviación de N-NO3-, (vii) contenido de agua en los

perfiles de suelo 0-30 y 30-60 cm y (viii) contenido de N mineral en los perfiles de suelo 0-30 y 0-

60 cm.

La evaluación estadística del modelo se basó en: (1) en el análisis de regresión,

complementado con (2) el análisis de diferencias entre valores simulados y medidos. En el primer

caso, los valores de la pendiente e intercepto de la línea de regresión se compararon

estadísticamente con los de la línea 1:1. En el análisis de diferencias, se utilizaron los siguientes

índices estadísticos descritos por Willmott (1982): (1) raíz cuadrada del error medio estándar

(RMSE), (2) error medio absoluto (EMA) y (3) el error relativo (ER). El RMSE y el EMA miden el

error promedio entre valores simulados y medidos experimentalmente. El ER es similar a un

coeficiente de variación y se obtiene al dividir el RMSE entre el valor promedio de valores

medidos. Cuando no se presentaron diferencias estadísticas entre las pendientes e interceptos, la

línea de regresión se forzó a partir del origen 0. Todos los procedimientos estadísticos fueron

realizados con el programa estadístico Statgraphics Centurión XV.


54

3- Resultados

3.1. Producción de materia seca, extracción de nitrógeno y producción de fruto

Para evaluar el comportamiento del modelo para simular MS aérea, extracción de N y

producción de fruto, los tratamientos fueron agrupados en dos categorías de (i) N no limitante,

cuando el consumo de N fue ≤ al nitrógeno disponible en el suelo (NDS) y (ii) N limitante, cuando

el consumo de N fue ≥ al NDS. Los tratamientos limitantes en N fueron OI-10-N1, P-11-N1 y P-11-

N2, mientras los otros siete tratamientos se consideraron no limitantes en N. Para el resto de

parámetros, la evaluación del modelo se realizó agrupando los datos de los diez tratamientos

evaluados en este estudio (Tabla 2).

MS medida (t ha -1)

0 3 6 9 12 15 18

MS

sim

ulad

a (t h

a-1)

0

3

6

9

12

15

18P-11-N1OI-10-N1P-11-N2

MS medida (t ha -1)

0 3 6 9 12 15 18

MS

sim

ulad

a (t h

a-1)

0

3

6

9

12

15

18 P-08-NCOI-09-N2OI-09-N3OI-10-N2OI-10-N3P-11-N3P-11-N4

N extraído medido (kg ha -1)

0 100 200 300 400

N e

xtra

ído

sim

ulad

o (k

g ha

-1)

0

100

200

300

400P-11-N1OI-10-N1P-11-N2

N extraído medido (kg ha -1)

0 100 200 300 400

N e

xtra

ído

sim

ulad

o (k

g ha

-1)

0

100

200

300

400P-08-NCOI-09-N2OI-09-N3OI-10-N2OI-10-N3P-11-N3P-11-N4

a) b)

c) d)

y = 0.99x

R2 = 0.97y = 0.62x -0.16

R2 = 0.92

y = 1.04xR2 = 0.95

y = 0.65x - 4.6R2 = 0.89

Figura 1. Relación entre valores medidos y simulados de producción de MS (a, b) y extracción de

N (c, d); para los tratamientos bajo condiciones no limitantes (a, c) y limitantes de N (b, d). La

línea discontinua corresponde a la línea 1:1.

Bajo condiciones no limitantes de N, hubo un buen ajuste entre valores medidos y

simulados de MS (Fig. 1a) y extracción de N (Fig. 1c), siendo las pendientes e interceptos

estadísticamente no diferentes (P>0.05) de 1.0 y 0, respectivamente, y un R2 de 0.97 para MS y

Capítulo 2

55

0.95 para extracción de N. El análisis de las diferencias entre valores medidos y simulados son

consistentes con el buen ajuste observado en la regresión de ambas variables, con valores de ER y

EMA de 0.15 y 0.52 t ha-1 para MS y de 0.21 y 19 kg ha-1 para extracción de N (Tabla 6).

Tabla 6. Índices estadísticos utilizados para evaluar el comportamiento del modelo en la

simulación de las distintas variables de cultivo y suelo consideradas en el estudio.

Parámetro Categoría n RMSE EMA RE b R2

Materia seca

(t ha-1)

No L 48 0.76 0.52 0.15 0.99 0.97

L 21 2.42 1.76 0.58 0.62 0.92

Extracción de N

(kg ha-1)

No L 48 26.33 18.97 0.20 1.04 0.95

L 21 44.06 33.14 0.55 0.65 0.89

Producción comercial

(t ha-1)

No L 6 5.52 5.12 0.06 1.06 0.66

L 3 32.58 32.34 0.40 0.8 0.93

ETc (mm) T 208 13.76 10.12 0.12 1.05 0.98

Drenaje (todos los tratamientos) (mm) T 207 12.51 9.64 0.65 0.64 0.66

Drenaje excluyendo PNc-08 (mm) T 183 10.33 8.51 0.31 0.91 0.65

Lixiviación N-NO3- (kg ha-1) T 223 27.70 17.77 0.58 0.69 0.91

humedad volumétrica 0-30 (cm3 cm-3) T 33 0.03 0.02 0.11 0.95 0.45

humedad volumétrica 30-60 (cm3 cm-3) T 33 0.02 0.02 0.12 1.03 0.60

N mineral 0-30 (kg ha-1) T 31 104.83 45.84 0.85 0.62 0.50

Nmineral0-30 (kg ha-1) excluyendo

los tratamientos 2009 - 26 32.97 19.57 0.53 0.93 0.85

N mineral 0-60 (kg ha-1) T 31 101.20 45.86 0.57 0.78 0.82

N mineral 0-60 (kg ha-1) excluyendo

los tratamientos 2009 - 26 34.48 19.80 0.34 1.09 0.96

NL: N no limitante, L: N limitante, T: datos agrupados de todos los tratamientos, n: número de observaciones, RMSE: raíz cuadrada del error medio estándar; EMA: error medio absoluto, ER: error relativo; b y R

2 representan la pendiente y el coeficiente de determinación de la regresión lineal.

Por el contrario, bajo condiciones limitantes en N, el modelo subestimó los valores de MS

(Fig. 1b) y N extraído (Fig. 1d), siendo la pendiente significativamente inferior a 1, en ambos casos.

Los índices estadísticos mostraron mayor error entre valores simulados y medidos, con valores de

ER y EMA de 0.58 y 1.8 t ha-1 para MS, y de 0.55 y 33 kg ha-1 para extracción de N.

En la Figura 2, se muestran ejemplos representativos del comportamiento del modelo

para simular la evolución estacional de valores medidos de MS y N extraído para tres tratamientos


56

individuales. Dichos tratamientos fueron seleccionados por presentar diferencias en (i) la

duración de los ciclos de cultivo, (ii) el volumen de riego aplicado y (iii) cantidad de NDS (N

mineral al trasplante + N fertiriego). Los tratamientos fueron: (1) P-08-NC: con altas cantidades de

NDS y un alto volumen de riego, (2) OI-09-N3: niveles medios de NDS y buen manejo del riego con

tensiómetros, y (3) P-11-N2: niveles bajos de NDS y buen manejo del riego con tensiómetros. Las

cantidades totales de riego y NDS, se presentan en la Tabla 1.

En los tratamientos del 2008 y 2009 (P-08-NC, OI-09-N3), hubo un buen ajuste entre

valores estacionales simulados y medidos de MS (Fig. 2a, 2c) (ER= 0.1, EMA = 0.3 t ha -1 en 2008,

RE= 0.18, EMA= 0.45 t ha-1 en 2009) y de extracción de N (Fig. 2b, 2d) (RE= 0.12, EMA= 11 kg ha-1,

en 2008, ER= 0.15, EMA= 11 kg ha-1, en 2009). En el tratamiento P-11-N2, el modelo subestimó los

valores estacionales de MS (Fig. 2e) (ER= 0.5, EMA= 1.69 t ha-1) y de extracción de N (Fig. 2f) (ER=

0.36, EMA= 27.5 kg ha-1), en un 29 y 23%, respectivamente. Este tratamiento es un ejemplo de

uno de los tratamientos bajo condiciones limitantes en N (Fig. 1b).

Capítulo 2

57

Tiempo (DDT)0 40 80 120 160 200

Pro

ducc

ión

mat

eria

sec

a (t

ha

-1)

0

5

10

15

20

25MedidaSimulada

Tiempo (DDT)0 40 80 120 160 200

N e

xtra

ído

(kg

ha-1

)

0

100

200

300

400

500

600MedidoSimulado

a) P-08-NC b) P-08-NC

Tiempo (DDT)0 40 80 120 160 200

Pro

ducc

ión

mat

eria

sec

a (t

ha

-1)

0

5

10

15MedidaSimulada

Tiempo (DDT)0 40 80 120 160 200

N e

xtra

ído

(kg

ha-1

)

0

100

200

300

400MedidoSimulado

d) OI-09-N3c) OI-09-N3

Tiempo (DDT)0 40 80 120 160

Pro

ducc

ión

mat

eria

sec

a (t

ha

-1)

0

5

10

15MedidaSimulada

Tiempo (DDT)0 40 80 120 160

N e

xtra

ído

(kg

ha-1

)

0

100

200

300

400MedidoSimulado

e) P-11-N2f) P-11-N2

Figura 2. Evolución estacional de valores medidos y simulados de producción de MS y extracción

de N para los tratamientos P-08-NC (a, b), OI-09-N3 (c, d) y P-11-N2 (e, f).


58

Consecuente con el comportamiento mostrado en la simulación de MS y extracción de N,

el modelo simuló aceptablemente el rendimiento comercial de fruto bajo condiciones no

limitantes en N (Fig. 3a), subestimando el rendimiento bajo condiciones limitantes en N (Fig. 3b).

Bajo condiciones de N no limitantes, hubo una ligera tendencia a subestimar el rendimiento, con

una subestimación promedio de 8% respecto al valor medido. En los tratamientos limitantes en

N, el modelo subestimó apreciablemente el rendimiento comercial medido en un promedio de

40%. Los índices estadísticos confirmaron el buen ajuste entre valores medidos y simulados en

condiciones no limitantes de N (ER= 0.6, EMA= 5 t ha-1), y el mal comportamiento bajo

condiciones limitantes en N (ER= 0.4, EMA= 32 t ha-1) (Tabla 6).

Experimento

OI-10-N1 P-11-N1 P-11-N2

Pro

ducc

ión

com

erci

al (

t ha

-1)

0

20

40

60

80

100

120

140 MedidaSimulada

ExperimentoOI-09-N2

OI-09-N3

OI-10-N2

OI-10-N3P-11-N3

P-11-N4

Pro

ducc

ión

com

erci

al (

t ha

-1)

0

20

40

60

80

100

120

140 MedidaSimulada

a) N no limitante b) N limitante

Figura 3. Valores medidos y simulados de producción de fruto comercial bajo condiciones de (a)

N no limitante y (b) N limitante.

3.2. Simulación de la evapotranspiración, drenaje y lixiviación de nitratos

En la Figura 4 se presenta la relación entre valores medidos y simulados de ETc (Fig. 4a),

drenaje (Fig. 4b) y N-NO3- lixiviado (Fig. 4c) para los diez tratamientos de los diferentes cultivos.

Se observa que el modelo simuló muy bien la ETc, mostrando un comportamiento menos

aceptable en la simulación del drenaje y menos satisfactorio para N-NO3- lixiviado. Los valores de

la pendiente e intercepto de la línea de regresión entre valores de ETc medidos y simulados (Fig.

4a), no fueron estadísticamente diferentes (P>0.05) de 1.0 y 0 (recta 1:1), respectivamente; con

un R2 de 0.98. Además, los valores de ER y EMA entre datos medidos y simulados fueron de 0.12

y 10 mm, respectivamente (Tabla 6).

Capítulo 2

59

ETc medida (mm)

0 100 200 300 400

ET

c si

mul

ada

(mm

)

0

100

200

300

400

Drenaje medido (mm)0 30 60 90 120 150

Dre

naje

sim

ulad

o (m

m)

0

30

60

90

120

150

N-NO3- lixiviado medido (kg ha -1)

0 100 200 300 400

N-N

O3- l

ixiv

iado

sim

ulad

o (k

g ha

-1)

0

100

200

300

400a) b) c)

y = 1.06xR2 = 0.98

y = 0.69x + 7.76R2

= 0.91

y = 0.65x + 16.95R2

= 0.66

1:1 1:1 1:1

Figura 4. Relación entre valores medidos y simulados de (a) evapotranspiración, (b) drenaje y (c)

lixiviación de N-NO3- para los datos agrupados de todos los tratamientos. La línea discontinua

corresponde a la línea 1:1.

En la Fig. 5 se muestra como ejemplo, la evolución estacional de valores medidos y

simulados de ETc acumulada, para los tratamientos P-08-NC (Fig. 5a), OI-09-N3 (Fig. 5b) y P-11-N2

(Fig. 5c), utilizados como ejemplo en la sección 3.1. En todos los casos, se observó que el modelo

simuló con bastante exactitud la ETc, con valores de ER de 0.11, 0.09 y 0.12 en los tratamientos de

la P-08-NC, OI-09-N3 y P-11-N2 respectivamente, y un EMA de 9.9 mm en los tratamientos P-08-NC

y OI-09-N3, y de 11.5 mm en P-11-N2.

La simulación del drenaje, aunque menos satisfactoria que la ETc, fue aceptable para

nueve de los diez tratamientos que presentaron valores de drenaje <60 mm (Fig. 4b), con valores

de ER de 0.3 y una EMA de 8.5 mm (Tabla 6). Sólo en el cultivo P-08-Nc, que recibió una dosis de

riego mucho más elevada que el resto de cultivos (Tabla 1), se obtuvieron drenajes >60 mm,

subestimandose el drenaje, principalmente en la última parte del ciclo (Fig. 5d). Cuando se

incluyeron los datos de drenaje de P-08-Nc en el análisis de regresión, el ajuste entre valores de

drenaje simulados y medidos se redujo considerablemente (b= 0.65, R2= 0.66, Tabla 6). En la Fig.

5, se presentan los tratamientos OI-09-N3 (Fig. 5e) y P-11-N2 (Fig. 5f), como dos ejemplos, de los

nueve tratamientos, que mostraron un buen ajuste entre valores de drenaje simulados y medidos

(ER= 0.17, EMA= 6.6 mm en OI-09-N3, ER= 0.18, EMA= 5.4 mm P-11-N2). En P-08-NC, los índices

estadísticos (ER= 0.41 y EMA= 18.6 mm) reflejaron el mayor error en la simulación de los valores

de drenaje, para este tratamiento.

Considerando los datos de todos los tratamientos, el modelo subestimó la lixiviación de N-

NO3-, con una pendiente de regresión entre valores medidos y simulados (b= 0.69)

significativamente distinta de 1.0, y un ER de 0.58 (Fig. 4c, Tabla 6). Sin embargo, en algunos

tratamientos que presentaron valores relativamente más bajos de N-NO3- lixiviado, los valores

simulados se ajustaron más a la línea 1:1 (Fig. 4c).


60

Tiempo (DDT)0 40 80 120 160 200

ET

c (m

m)

0

100

200

300

400MedidaSimulada

Tiempo (DDT)0 40 80 120 160 200

ET

c (m

m)

0

100

200

300

400MedidaSimulada

a) b)

Tiempo (DDT)0 20 40 60 80 100 120 140

ET

c (m

m)

0

100

200

300

400MedidaSimulada

Tiempo (DDT)0 40 80 120 160 200

Dre

naje

(m

m)

0

40

80

120

160MedidoSimulado

Tiempo (DDT)

0 40 80 120 160 200D

rena

je (

mm

)0

40

80

120

160MedidoSimulado

Tiempo (DDT)

0 20 40 60 80 100 120 140

Dre

naje

(m

m)

0

40

80

120

160MedidoSimulado

c)

d) e) f)

Tiempo (DDT)

0 40 80 120 160 200

N-N

O3- li

xivi

ado

(kg

ha-1

)

0

100

200

300

400MedidoSimulado

Tiempo (DDT)

0 40 80 120 160 200

N-N

O3- li

xivi

ado

(kg

ha-1

)

0

100

200

300

400MedidoSimulado

Tiempo (DDT)

0 20 40 60 80 100 120 140

N-N

O3- li

xivi

ado

(kg

ha-1

)

0

100

200

300

400MedidoSimulado

g) h) i)

Figura 5. Evolución estacional de valores medidos y simulados de evapotranspiración, drenaje y lixiviación de N-NO3- en los tratamientos P-08-NC

(a, d, g), OI-09-N3 (b, e, h) y OI-11-N2 (c, f, i).

Capítulo 2

61

Considerando como ejemplo, los tres tratamientos de la Fig. 5, se observó un buen ajuste

entre valores medidos y simulados de N-NO3- lixiviado en OI-09-N3 (Fig. 5h) y P-11-N2 (Fig. 5i); y un

peor ajuste en el cultivo P-08-Nc (Fig. 5g). Los valores de EMA en P-08-Nc, OI-09-N3 y P-11-N2

fueron 38, 7.0 y 1.8 kg ha-1, respectivamente.

3.3. Dinámica del agua y nitrógeno mineral en el suelo

Los valores medidos y simulados de humedad volumétrica del suelo, agrupando los datos

de todos los tratamientos, se compararon en los perfiles 0-30 (Fig. 6a) y 30-60 cm (Fig. 6b). En

ambos perfiles, en general el modelo simuló aceptablemente la humedad volumétrica del suelo,

con valores de ER de 0.12 y 0.11, respectivamente (Tabla 6). La mayoría de datos se agruparon

próximos a la línea 1:1, con valores de pendiente e intercepto sin diferencias estadísticamente

significativas (P>0.05) de 1.0 y 0, respectivamente.

En el perfil 0-30 cm (Fig. 6a) los datos mostraron una dispersión ligeramente mayor

respecto a la recta 1:1, que en el perfil 30-60 cm (Fig. 6b). En el perfil 0-30 cm, de 33 datos

comparados, 7 obtuvieron un EMA de 0.05 cm3 cm-3 y 26 datos mostraron un EMA de 0.05 cm3

cm-3. En el perfil 30-60 cm, el ajuste fue mejor, puesto que 31 de los 33 datos analizados,

mostraron un EMA de 0.01 cm3 cm-3 y solo 2 datos con un EMA de 0.05 cm3 cm-3.


62

Hv medida (cm 3 cm -3)

0.1 0.2 0.3 0.4

Hv

sim

ulad

a (c

m3 c

m-3)

0.1

0.2

0.3

0.4a) 0-30 cm

Hv medida (cm 3 cm -3)

0.1 0.2 0.3 0.4

Hv

sim

ulad

a (c

m3 c

m-3)

0.1

0.2

0.3

0.4b) 30-60 cm

Nmin medido (kg ha -1)

0 200 400 600 800

Nm

in s

imul

ado

(kg

ha-1)

0

200

400

600

800

2008, 2010, 20112009

Nmin medido (kg ha -1)

0 200 400 600 800

Nm

in s

imul

ado

(kg

ha-1)

0

200

400

600

800

2008, 2010, 20112009

c) 0-30 cm d) 0-60 cm

y = 0.96xR2 = 0.45

y = 1.04xR2 = 0.60

y = 0.93xR2 = 0.85

y = 1.09xR2 = 0.96

1:1 1:1

1:1 1:1

Figura 6. Comparación entre valores medidos y simulados de humedad volumétrica del suelo (Hv)

en los perfiles (a) 0-30 cm y (b) 30-60 cm, y N mineral del suelo (Nmin) en los perfiles (c) 0-30 cm y

(d) 0-60 cm, para los datos agrupados de todos los tratamientos. En las figuras c y d no se

incluyen los tratamientos del 2009 (OI-09-N2, OI-09-N3) en la ecuación de regresión lineal. La línea

discontinua corresponde a la línea 1:1.

En la Figura 7, se presenta la evolución estacional de valores medidos y simulados de

humedad volumétrica del suelo en los perfiles 0-30 cm y 30-60 cm en los tratamientos P-08-CN,

(7a), OI-09-N3 (7c) y P-11-N2 (7e), descritos como ejemplo para la Fig. 2 de la sección 3.1. Para

dichos tratamientos, el modelo simuló muy bien la tendencia evolutiva del contenido de humedad

en ambos perfiles de suelo, mostrando una ligera subestimación en el tratamiento OI-09-N3 (Fig.

7c) en ambos perfiles al final del cultivo. En general, los índices estadísticos respaldan el buen

comportamiento del modelo para simular el contenido de agua del suelo en los tres tratamientos.

Los valores de ER para las capas de suelo 0-30 y 30-60 cm fueron, respectivamente, 0.03 en

ambas capas de P-08-CN, 0.13 y 0.1 en OI-09-N3, y 0.04 y 0.08 en P-11-N2. En las capas de 0-30 y

Capítulo 2

63

30-60 cm de todos los tratamientos, el contenido de agua del suelo disminuyó durante la primera

parte del ciclo y luego se mantuvo más o menos constante durante el resto del ciclo, con valores

en torno a la capacidad de campo (Tabla 1).

La comparación de valores medidos y simulados de N mineral en el perfil de 0-30 cm,

utilizando los datos agrupados de todos los tratamientos, excepto los datos de los dos

tratamientos del 2009, mostró un buen ajuste de los datos respecto a la línea 1:1, siendo la

pendiente y el intercepto estadísticamente no diferentes (P>0.05) de 1.0 y 0, respectivamente, y

un R2 de 0.85 (Fig. 6c). Los valores de N mineral medidos para los dos tratamientos del 2009

fueron apreciablemente subestimados por el modelo (Fig. 6c y 7d). El N mineral en el perfil 0-60

cm para todos los tratamientos, excluyendo los dos tratamientos del 2009 donde el N fue

considerablemente subestimado por el modelo, fue simulado con exactitud. La pendiente e

intercepto de la línea de regresión entre valores medidos y simulados no presentaron diferencias

estadísticamente significativas (p>0.5) a la línea 1:1, con un R2 de 0.96 (Fig. 6d). Incluyendo los

datos de los dos tratamientos del 2009 en la evaluación, los índices estadísticos mostraron que la

simulación del N mineral en el suelo fue deficiente (Tabla 6).

En la Fig. 7, se observa que el modelo simuló muy bien la tendencia evolutiva del

contenido de N mineral en ambos perfiles de suelo, para los tratamientos P-08-CN (7b), y P-11-N2

(7f). En el tratamiento P-08-CN el contenido de N mineral disminuyó en la primera mitad del ciclo,

luego mostró una tendencia a acumular N mineral en el suelo hacia el final del ciclo de cultivo. En

P-11-N2, donde los niveles de N mineral fueron muy bajos, el N mineral se mantuvo más o menos

constante durante todo el ciclo. El EMA para el N mineral del suelo, fue 26 kg ha-1 para ambos

perfiles del tratamiento P-08-CN, y 1.0 y 2.4 kg ha-1 en los perfiles 0-30 y 0-60 cm,

respectivamente, en el tratamiento P-11-N2. En el tratamiento OI-09-N3 (Fig. 7d), con altos niveles

de N, el modelo subestimó considerablemente el N mineral en el suelo al final del ciclo, con un

valor de EMA de 87 kg ha-1 en el perfil 0-30 cm y 91 kg ha-1 para el perfil 0-60 cm.


64

Tiempo (DDT)

0 40 80 120 160 200

Hv

en s

uelo

(cm

3 cm

-3)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5Medido 0-30 cmSimulado 0-30 cmMedido 30-60 cmSimulado 30-60 cm

a)

Tiempo (DDT)0 40 80 120 160 200

Nm

in e

n su

elo

(kg

ha-1

)

0

200

400

600

800Medido 0-30 cmSimulado 0-30 cmMedido 0-60 cmSimulado 0-60 cm

Tiempo (DDT)

0 40 80 120 160 200

Hv

en s

uelo

(cm

3 cm

-3)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4


Tiempo (DDT)

0 20 40 60 80 100 120 140

Hv

en s

uelo

(cm

3 cm

-3)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Medido 0-30 cmSimulado 0-30 cmMedido 30-60 cmSimulado 30-60 cm

Tiempo (DDT)

0 20 40 60 80 100 120 140

Nm

in e

n su

elo

(kg

ha-1

)

0

200

400

600


Tiempo (DDT)0 40 80 120 160 200

Nm

in e

n su

elo

(kg

ha-1

)

0

200

400

600


d)

f)e)

c)

b)

Figura 7. Evolución estacional de valores simulados y medidos de la humedad volumétrica del

suelo (Hv) en los perfiles de 0-30 cm y 30-60 cm; y N mineral del suelo en los perfiles 0-30 cm y 0-

60 cm, para los cultivos de tomate P-08-CN, (a, b), OI-09-N3 (c, d) y P-11-N2 (e, f).

Capítulo 2

65

4- Discusión

El comportamiento del modelo para simular la producción de MS, extracción de N y

producción comercial de fruto en el cultivo de tomate en invernadero, fue exacto en los

tratamientos bajo condiciones no limitantes de NDS y deficiente cuando el NDS fue limitante.

Considerando los datos agrupados de todos los tratamientos, en la dinámica del agua en suelo y

planta, el modelo simuló muy bien la ETc y el contenido de agua en el suelo, mientras que la

simulación del drenaje fue aceptable en nueve de los tratamientos evaluados. Respecto a la

dinámica del N en el suelo, la lixiviación de N-NO3- fue inconsistente cuando se consideraron

todos los tratamientos, siendo aceptable en algunos tratamientos; mientras que la simulación del

N mineral fue aceptable en el 80% de los tratamientos evaluados.

Varios factores contribuyeron a una correcta simulación del crecimiento y extracción de

N, y consecuentemente de la producción comercial cuando el NDS no fue limitante. Los

coeficientes que consideran la disponibilidad de N (GN) y agua (GW) para simular la producción de

MS, alcanzaron valores próximos a 1, demostrando que el N y el agua no han sido factores

limitantes del crecimiento, debido al suficiente aporte de N y al buen manejo del riego (-10 y -30

kPa). En el caso particular del cultivo P-08-Nc, se presentó estrés hídrico entre los 40-80 DDT

debido a riegos deficitarios; sin embargo, el crecimiento simulado no fue afectado debido a que el

modelo fue capaz de simular el movimiento ascendente del agua, abasteciendo la demanda

hídrica de la planta desde las capas inferiores del suelo. Durante este periodo, se observó una

disminución del drenaje (Fig. 5d) y de la humedad del suelo (7a).

El buen comportamiento del modelo en la simulación del crecimiento y extracción de N

en el cultivo de tomate bajo condiciones no limitantes de N, fue consistente con los resultados de

otros estudios que evaluaron el modelo en diferentes cultivos al aire libre y en diferentes climas,

sin limitantes de N (Rahns et al., 2010; Nendel et al., 2012; Doltra y Muñoz, 2010a). En España,

Doltra et al., (2010b), en el cultivo de tomate al aire libre, obtuvieron una simulación aceptable de

la extracción de N. Sin embargo, en dichos estudios la validación del modelo se realizó, utilizando

los valores por defecto, específicos de cada especie, incluidos en la Tabla de cultivo del modelo.

En el presente estudio, cuando se utilizaron los valores por defecto del cultivo de tomate

al aire libre, la capacidad del modelo para simular al producción de MS y extracción de N, fue muy

deficiente (datos no presentados). La calibración y/o ajuste de la temperatura base, el tiempo

térmico para germinar e iniciar el crecimiento radicular (ddglag), los coeficientes específicos de la

curva de Ncrit y el coeficiente de consumo de lujo de N (Rlux), contribuyeron a una buena

simulación de la producción de MS y extracción de N del cultivo. En China, en el cultivo de pepino

bajo invernadero, Sun et al., (2012), obtuvieron un buen ajuste entre valores simulados y medidos


66

de MS y extracción de N, después de calibrar la temperatura base del cultivo y los coeficientes de

Ncrit. Esto sugiere, que dadas las diferencias inherentes al cultivo y clima bajo invernadero

respecto al cultivo al aire libre (Orgaz et al., 2005), puede ser necesario la calibración de algunos

parámetros en la tabla de cultivos, para el cultivo de tomate bajo invernadero mediterráneo. Las

diferencias en el manejo del cultivo (podas, entutorado, etc.), densidad de siembra, radiación

solar, humedad del aire y velocidad del viento, influyen en la altura y arquitectura del cultivo

(Fernández et al., 2010) y consecuentemente en el patrón de crecimiento y consumo de N.

El buen comportamiento del modelo para simular la producción de MS, contribuyó a una

buena simulación del N extraído por el cultivo, ya que el consumo de N simulado, depende de la

demanda del cultivo y del potencial de consumo por las raíces (Thorup-Kristensen et al., 1998). La

demanda de N del cultivo es obtenida desde el módulo de crecimiento, siendo la producción de

MS una función de la concentración de N en la planta, la temperatura y del potencial de

crecimiento (MS objetivo). A su vez, la concentración de N en planta depende del límite de N que

puede absorber la planta para un máximo crecimiento, definido por la curva de Ncrit y el NDS.

Una buena simulación de la producción de MS y extracción de N del cultivo, bajo

condiciones de NDS no limitante, fue consistente con el comportamiento del modelo para simular

el rendimiento comercial. Doltra et al., (2010b), bajo condiciones no limitantes de N, obtuvieron

resultados aceptables al evaluar la capacidad del modelo para predecir el rendimiento en el

cultivo de tomate al aire libre. El modelo calcula el rendimiento fresco comercial como el

producto de la MS total simulada por un factor que convierte la MS total a rendimiento fresco

(R(NAV)), siendo R(NAV) dependiente del N en el suelo al final del cultivo (Nav= N mineral residual +

N extraído). En este estudio, los coeficientes r0, r1 y r2 de la ecuación de regresión obtenida al

relacionar R(NAV) y NAV, fueron diferentes a los coeficientes de la ecuación por defecto en la Tabla

de cultivo del modelo. Esto resultó en una buena predicción del rendimiento comercial bajo

condiciones no limitantes de NDS, y en una subestimación del rendimiento cuando la MS total fue

subestimada en condiciones deficitarias de NDS en el suelo.

Dentro de las prácticas habituales de manejo del suelo en invernaderos de Almería, está la

aplicación de estiércol durante la construcción del invernadero y las aplicaciones adicionales cada

3-4 años (Bretones, 1999). El modelo consideró como entradas de N, (1) el N mineral del suelo al

trasplante, (2) el N aplicado en fertiriego y (3) el N mineralizado de la materia orgánica del suelo

(MOS). La subestimación de los valores de MS, extracción de N y rendimiento, bajo condiciones

limitantes de N, pudo estar relacionada con la subestimación del N mineralizado de la materia

orgánica aplicada (MOA) con el estiércol al inicio del estudio (año 2007).

Una fracción importante de la MOA, se comporta como tal en años posteriores, sin

embargo, no fue incluida como una entrada (abonado orgánico) en el modelo, siendo considerada

Capítulo 2

67

indirectamente como MOS en el horizonte 0-10 cm. Considerando que las tasas de

mineralización, coeficientes de partición y relación C/N son diferentes entre los grupos de MOS y

MOA, se espera que las cantidades de N mineralizado también sean diferentes. Esta

subestimación de N mineralizado, probablemente explica porque bajo condiciones limitantes de

NDS (bajas concentraciones de N en fertiriego), el modelo subestima los valores medidos de MS,

extracción de N y rendimiento. Además, bajo condiciones limitantes de N se espera que la

inmovilización del N sea alta, puesto que la cantidad de N inmovilizado depende de la cantidad de

NDS para la actividad de los microorganismos.

La calibración de los componentes de transpiración (Kcb) y evaporación (Ke) para el cultivo

de tomate bajo invernadero, se reflejó en un buen ajuste entre valores simulados y medidos de

ETc. Orgaz et al., (2005), demostraron que los valores de los coeficientes de cultivo (Kcb)

determinados para cultivos bajo invernadero fueron superiores a los del cultivo al aire libre,

debido a que las diferencias en el manejo (podas, entutorado, etc.), densidad de siembra,

disminución de la radiación solar y velocidad del viento influyen en la altura, arquitectura y

distribución del área foliar, y en las propiedades aerodinámicas del cultivo.

La relación entre temperatura ambiental y velocidad de crecimiento durante la etapa de

desarrollo del cultivo, se expresa a través de la curva de Kcb, cuyo valor máximo (Kcb máximo)

coincide con el máximo crecimiento. La pendiente de la curva de Kcb depende de la longitud de la

etapa de desarrollo, la cual está afectada directamente por la temperatura del aire (Allen et al.,

1998). Los cultivos de otoño-invierno (2009, 2010) presentaron un Kcb medio y final ligeramente

mayor (Tabla 5) que los cultivos de primavera (2008, 2011), debido a diferencias de clima y la

duración de etapas de cultivo. Los cultivos de otoño-invierno fueron trasplantados en verano (21

de julio), con temperaturas favorables que incrementaron la tasa de crecimiento, reduciendo la

duración de la etapa de desarrollo y alcanzando el máximo crecimiento en menor tiempo (55

DDT= Kcb máximo). Una vez que los cultivos alcanzaron el máximo desarrollo, el Kcb se mantuvo

constante durante el resto del ciclo, debido a que los cultivos finalizaron, por razones de mercado,

en buenas condiciones de sanidad y antes de que la senescencia provocara una disminución del

Kcb. En el cultivo de tomate de otoño-invierno bajo invernadero-mediterráneo, Fernández et al.,

(2001b), obtuvieron valores de Kcb superiores (1.6) a los valores obtenidos en este estudio (Tabla

5). Orgaz et al., (2005) demostraron que la duración de etapas de crecimiento de cultivo fijas, no

es adecuada para cultivos en invernadero, donde las fechas de trasplante y finalización del cultivo

son variables, por lo cual desarrolló un modelo para simular el Kcb a partir de tiempo térmico,

considerando de esta forma dicha variación.

Al inicio del cultivo, puesto que la cobertura del suelo es mínima, la evaporación es

mayor, reduciéndose progresivamente conforme aumenta la fracción de suelo cubierta por el


68

cultivo (fc). En un suelo sin limitante de agua, con 100% de cubertura verde cuya superficie se

encuentra seca, la tasa potencial de transpiración se mantiene constante, mientras que la

evaporación se mantiene en valores próximos a cero (Allen et al., 1998). En este estudio, debido

a las propiedades físicas de la cobertura de la grava, normalmente su superficie se encuentre

seca. Por tanto, la fracción húmeda y expuesta (Fω), la profundidad de suelo sujeta a evaporación

(Ze) y consecuentemente el agua rápidamente evaporable (REW), se reducen alcanzando valores

cercanos a 0. Los parámetros de evaporación ajustados en el archivo de entrada para la ejecución

del modelo (REW= 0.2 mm, Ze= 0 .01 m y fω= 0.5) (Tabla 5), fueron los óptimos para las

características del suelo, tipo y manejo del riego y manejo del cultivo; considerando de esta forma

el efecto reductor de la evaporación en el modelo.

Thornley (2005), y Cannavo et al., (2008), destacan la importancia de calibrar y validar los

modelos para su aplicación en condiciones diferentes a las que fueron creados. En el presente

estudio, la capacidad de simulación del drenaje y la lixiviación de N-NO3-, ha sido evaluada

contrastando con valores medidos experimentalmente en diferentes años, épocas de cultivo y

prácticas de manejo del riego y abonado N. Diferentes estudios han utilizado el modelo EU-

Rotate_N para simular el efecto de prácticas de manejo del riego sobre el drenaje (Rahn et al.,

2007; Doltra y Muñoz, 2010a; Rahn et al., 2010; Sun et al., 2012), sin embargo, ningún estudio ha

validado los valores simulados con valores medidos experimentalmente.

En este estudio, los valores de drenaje simulados mostraron un buen ajuste con los

medidos, en todos los tratamientos, excepto en P-08-NC donde el volumen de drenaje total fue

>60 mm. En EU-Rotate_N, la simulación del drenaje incluye un coeficiente de drenaje (Cdr), que

permite el flujo descendente y progresivo del exceso de agua aplicado por encima de la capacidad

de campo (Ritchie, 1998). Por tanto, el Cdr y el contenido actual de agua en el suelo, determinan

en gran parte los volúmenes de drenaje (Lidón et al., 2011). El Cdr obtenido en este estudio (0.52),

fue consistente con el valor obtenido por Lidón et al., (2011) para suelos de textura franco

arenosa (0.50), lo cual sugiere que la correcta determinación del contenido de humedad

volumétrica a capacidad de campo y del Cdr contribuyeron a una simulación aceptable. La

subestimación del drenaje en P-08-NC (valores >60 mm) probablemente está relacionado con la

necesidad de calibrar el Cdr bajo un aporte elevado de riego, asumiendo que el modelo fue

calibrado bajo condiciones de manejo del riego normales.

En el contexto de las investigaciones actuales, no existen estudios comparando valores

medidos de N-NO3- con los simulados por EU-Rotate_N. Numerosos estudios han utilizado el

modelo para evaluar el efecto de prácticas de manejo del N sobre la lixiviación de N-NO3- sin

estudios previos de validación (Rayns et al., 2009; Schmutz, et al., 2008; Nendel et al., 2009; Rahn

et al., 2007; Guo et al., 2010; Sun et al., 2012). Considerando que el modelo simuló

Capítulo 2

69

aceptablemente el drenaje, probablemente la subestimación en la lixiviación de N-NO3-, estuvo

relacionada con la subestimación del N mineralizado de la materia orgánica, tal como se discutió

previamente.

En este estudio, se observó que la dinámica del agua en la planta estuvo relacionada con

la dinámica del agua y del N en el suelo. Pequeños desajustes entre valores medidos y simulados

de ETc, se reflejaron en diferencias de mayor magnitud entre valores simulados y medidos de

drenaje. El modelo estima la variación diaria del contenido de humedad volumétrica del suelo a

través del balance de agua entre entradas (riego) y salidas (ETc, drenaje). Con ello, calcula el

contenido de humedad volumétrica del suelo para cada día, considerando el valor de humedad

volumétrica inicial. Por tanto, la buena simulación de la ETc se refleja en un buen ajuste entre

valores medidos y simulados de humedad volumétrica en ambos perfiles del suelo (Fig. 6a, 6b),

con un ajuste ligeramente mejor en el perfil de 30-60 cm. El mayor error observado en un

reducido número de datos de humedad volumétrica en ambos perfiles, probablemente están

relacionados con los datos de ETc que presentan mayor dispersión respecto a la recta 1:1 (Fig. 4a).

Otros estudios han reportado un buen comportamiento del modelo para simular la dinámica de la

humedad en el suelo (Ranh et al., 2010; Doltra y Muñoz, 2010a; Sun et al., 2012; Lidón et al.,

2011). En dichos estudios, los autores demostraron que la capacidad de simulación de la

humedad volumétrica es menor en el perfil superior del suelo, siendo consistente con los

resultados de este estudio.

La simulación de N mineral fue aceptable para la mayoría de tratamientos, excepto en los

tratamientos del 2009, donde el modelo subestimó el N mineral del suelo. Diferentes estudios

han validado la capacidad del modelo para simular el N mineral del suelo en diferentes cultivos al

aire libre y bajo invernadero, obteniendo resultados variables (Rayns et al., 2009; Doltra y Muñoz,

2010a; Guo et al., 2010; Sun et al., 2012). Otros autores han reportado una subestimación del N

mineral en el suelo por EU-Rotate_N, aparentemente asociado con la subestimación de la

mineralización de N de aplicaciones previas de materia orgánica (Doltra et al., 2010b; Nendel et

al., 2012). Las altas cantidades de materia orgánica aplicada (MOA) mediante estiércol (200 m-3)

durante la construcción del invernadero (2007), no fueron incluidas como abonado orgánico en

las entradas del modelo, por las razones explicadas previamente. Además, dependiendo del

estado de descomposición del estiércol al momento de la aplicación, es posible que el año 2009

coincida con altas tasas de mineralización de N, las cuales son subestimadas por el modelo,

contribuyendo a mayores diferencias entre valores simulados y medidos de N mineral. Por otra

parte, los coeficientes de mineralización de la MO utilizados en el modelo, fueron obtenidos en

países del norte de Europa, lo cual sugiere la necesidad de ajustarlos a las condiciones del

mediterráneo (Doltra y Muñoz, 2010a). Estudios realizados en España, por Lidón et al., (2011), y


70

Olasolo et al., (2011), sugieren la necesidad de calibrar y validar los parámetros del modelo,

involucrados en la dinámica de la mineralización del N en los distintos grupos de MO, con el fin de

obtener un mejor balance de N mineral en el suelo.

En este estudio, el modelo EU-Rotate_N demostró su utilidad práctica para evaluar el

impacto ambiental de las prácticas de manejo del riego y abonado nitrogenado en el cultivo de

tomate bajo invernadero mediterráneo. El efecto de las prácticas de manejo sobre el drenaje,

lixiviación de N-NO3- y acumulación de N mineral en el suelo, se presenta en las Fig. 5 y 7 para los

cultivos P-08-Nc, OI -09-N3 y P-11-N2, descritos en la sección 3.1. En la estrategia de fertiriego del

tratamiento P-11-N2, el modelo simuló un menor impacto ambiental, simulando una reducción de

99% (243 kg ha-1) y de 98% (79 kg ha-1) de N-NO3- lixiviado respecto a los cultivos P-08-Nc y OI-09-

N3, respectivamente. La reducción apreciable del NDS del cultivo OI-09-N3 respecto a P-11-N2,

supuso una reducción en la lixiviación de N-NO3- simulado de 97%, mientras que el N mineral en el

suelo se mantuvo en valores muy bajos durante todo el ciclo.

El volumen de riego aplicado en el cultivo P-08-Nc se redujo un 40% en el cultivo OI-09-N3

bajo un manejo correctivo del riego (tensiómetros), lo cual supuso un descenso del drenaje

simulado de 24%. El efecto combinado de reducir el riego en 40% y el abonado N en 54% entre

los cultivos P-08-Nc y OI-09-N3, simuló una reducción del N-NO3- lixiviado del 40%. En el cultivo P-

08-Nc, con un mal manejo del riego, el modelo fue capaz de simular las variaciones en el

contenido de humedad volumétrica del suelo cuando el riego fue deficiente o excesivo, y su

consecuente efecto sobre la humedad del suelo (7a), el drenaje (5d) y la lixiviación de N-NO3- (5g).

Capítulo 2

71

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Capítulo 3

Evaluación del modelo de simulación EU-Rotate_N en una secuencia de

cultivos melón-pimiento bajo invernadero mediterráneo

Evaluación del modelo EU-Rotate_N en los cultivos de melón y pimiento bajo invernadero mediterráneo

77

Resumen

La problemática de la contaminación de recursos hídricos por nitratos y el incremento en

los costes en fertilizantes en los sistemas de producción agrícola, plantean la necesidad de realizar

un uso eficiente del agua y del nitrógeno (N). Los modelos de simulación, representan una

alternativa accesible y económica como herramienta de investigación/evaluación y de apoyo a la

decisión en el manejo del riego y abonado nitrogenado. En este estudio, se evaluó la capacidad

de EU-Rotate_N, para simular el crecimiento, producción comercial y la dinámica del agua y el N

en suelo y planta, en una secuencia de cultivos melón-pimiento bajo invernadero mediterráneo,

incluyendo el periodo entre cultivos (PEC). Para ello, se realizó un estudio en cuatro secuencias de

cultivo melón-pimiento (2005-2006), bajo un manejo convencional (MC) y un manejo mejorado

(MM) del riego y abonado N. En el PEC se evaluó la capacidad del modelo para simular el drenaje

y la lixiviación de N-NO3-. Considerando que existen diferencias entre cultivos bajo invernadero y

al aire libre, el modelo se calibró individualmente para cada cultivo, en una secuencia melón-

pimiento bajo MC (MC-06); y seguidamente, se validó en una secuencia bajo MC (MC-05) y en dos

secuencias bajo MM (MM-05, MM-06). Una vez calibrado, en general el modelo simuló muy bien

la producción de MS, extracción de N y humedad volumétrica del suelo. Los valores de ETc y

drenaje fueron correctamente simulados en ambos cultivos bajo MC-06 y MM-06, y

sobreestimados ligeramente en pimiento MC-05 y MM-05. La simulación del N-NO3- lixiviado tuvo

un comportamiento irregular, con tendencia a la subestimación. La simulación del N mineral del

suelo fue aceptable en las secuencias del 2006, y fue subestimado en las secuencias del 2005, lo

cual está relacionado con una simulación deficiente del N mineralizado de la materia orgánica en

condiciones mediterráneas, lo cual afectó la concentración de N mineral en el suelo y

consecuentemente el N-NO3- lixiviado. El modelo demostró su utilidad como herramienta para

evaluar el efecto de las prácticas de riego y abonado nitrogenado, simulando una reducción de

116 mm de drenaje y 202 kg ha-1 de N-NO3- lixiviado en la secuencia bajo MM-06 respecto a la

secuencia MC-05. En el PEC de todas las secuencias, el modelo simuló aceptablemente el drenaje

total, sobreestimando el N-NO3- lixiviado en un promedio de 48%.

Palabras claves: Nitrato, Lixiviación, Drenaje, EU-Rotate_N, Melón, Pimiento

Capítulo 3

78

1. Introducción

Reducir la contaminación ambiental por nitratos haciendo un uso eficiente del nitrógeno

(N), representa uno de los principales retos para asegurar la sostenibilidad de la agricultura. Los

sistemas de producción agrícola, contribuyen a la contaminación mediante la lixiviación de

nitratos (Lu et al., 2011), debido a la tendencia a aplicar excesos de N (Ramos et al., 2002;

Vázquez et al., 2006) y agua de riego (Fereres et al., 2003).

En el área mediterránea de España, en la provincia de Almería se ubica la mayor

concentración de producción intensiva de hortalizas bajo invernadero del mundo, con 27,500 has

(Sanjuán, 2007), que se caracteriza por un uso intensivo del N mediante fertilizantes y estiércol

(Thompson et al., 2007a). Diversos estudios han demostrado su contribución a la contaminación

de los recursos hídricos (Pulido-Bosch, 2005; Bonachela et al., 2006; Fernández et al., 2007;

Thompson et al., 2007a), siendo el 95% de la superficie invernada (Sanjuán, 2007), declarada zona

vulnerable a la contaminación con nitratos (Anón., 2008). El pimiento y el melón, dos de los

cultivos más importantes en la región, ocupan el 16% y 9%, respectivamente, del área total de

hortalizas bajo invernadero (Anón., 2009). La mayor parte de los productores de la zona cultivan

dos ciclos en cada campaña siendo el primero un cultivo de primavera entre febrero-mayo y el

segundo cultivo un cultivo de verano-invierno (julio-enero). Una secuencia de cultivos muy

habitual es un cultivo de melón en primavera seguido de un cultivo de pimiento en otoño-invierno

(Granados, 2011).

Una serie de prácticas de manejo del riego y abonado N realizadas durante el cultivo y en

el periodo entre cultivos (PEC), han sido identificadas como las principales causas de

contaminación ambiental en la zona. Dichas prácticas, en su mayoría, se basan en la experiencia,

resultando en aportes excesivos de agua y N (Fernández et al., 2007; Bonachela et al., 2006;

Thompson et al., 2007a). En un estudio sobre prácticas de manejo en invernadero, Thompson et

al., (2007a), encontraron que el 63% de los agricultores aplicaba más de 1.5 la cantidad de N

extraído por el cultivo. En la mayoría de los casos no se consideró el aporte de N mediante

aplicaciones de estiércol, a pesar de que las cantidades aportadas fueron superiores al límite

máximo de N orgánico establecido (170 kg ha-1 año-1) en la legislación de España (Anón., 1996).

Aportes elevados de N durante el cultivo, tiene como consecuencia la acumulación

excesiva de N mineral en el suelo tras finalizar el cultivo (Granados, 2011), incrementando el

riesgo de lixiviación de nitratos por lluvias o aportes excesivos de agua. En el PEC es común

realizar labores de manejo del suelo, tales como la desinfección química y riegos de lavado de

sales, que conducen a un exceso de drenaje y consecuentemente a un incremento en la lixiviación

de nitratos acumulados del cultivo precedente (Thompson et al., 2007a). En un estudio sobre


79

caracterización de prácticas de manejo en invernaderos de Almería, Thompson et al., (2007a),

demostraron que aportes elevados de N durante el cultivo, junto a un exceso de drenaje asociado

a altos volúmenes de riego durante el PEC, fueron las principales prácticas de manejo

responsables de la lixiviación de nitratos.

En estudios realizados en los acuíferos y drenajes de la región, se han detectado

concentraciones de nitratos ([NO3-]) superiores al límite establecido (50 mg L-1) para el agua de

consumo humano, según Directiva 98/83/EC de la Unión Europea (Anon., 1998). En un estudio de

los recursos hídricos de la zona, Pulido-Bosch, (2005), determinó [NO3-] en acuíferos superficiales

mayores a 300 mg L-1, mientras que Thompson et al., (2007b), en una secuencia de cultivos de

melón y pimiento en suelo, detectaron [NO3-] promedio de 680 y 990 mg L-1 en los drenajes,

respectivamente. Thompson et al., (2007b), en dos ciclos de cultivos de tomate sin suelo en

primavera y otoño, obtuvieron [NO3-] en drenaje de 868 y 558 mg L-1, respectivamente. Durante

el estudio, la cantidad de N-NO3- lixiviado en los diferentes cultivos osciló entre 70 y 210 kg ha-1.

La problemática expuesta anteriormente plantea la necesidad de disponer de

herramientas de apoyo a la decisión para realizar un manejo eficiente del agua y N. Las

metodologías actuales basadas en el diagnóstico de suelo y planta, demandan tiempo y recursos

económicos (Rahn et al., 2007), que limitan su aplicación. Una alternativa económica e inmediata

son los modelos de simulación, que permiten realizar una evaluación previa y rápida del impacto

económico y ambiental de diversas alternativas de manejo, reduciendo el riesgo inherente a la

toma de decisiones (Meinke et al., 2008), el tiempo de respuesta y los costes. Sin embargo, para

que los modelos de simulación reflejen la realidad de un cultivo en una región, puede ser

necesaria la calibración de algunos parámetros en el modelo, antes de ser validado. Una vez

calibrado y validado, un modelo es una herramienta de investigación y de apoyo a la decisión en

el manejo del riego y del N para agricultores, técnicos e investigadores.

En Almería, modelos como VegSyst (Gallardo et al., 2011; Giménez et al., 2012) y Nup

(Granados et al., 2013) han sido desarrollados para determinar requerimientos de agua y N en

cultivos bajo invernadero. Sin embargo, estos modelos no consideran el N mineral del suelo, por

lo que no predicen el efecto del manejo del riego y el abonado N sobre la dinámica del agua y el N

en el suelo. Otros modelos, como por ejemplo STICS (Brisson et al., 2003), NDICEA (Van der Burgt

et al., 2006) y NLEAP (Shaffer et al., 1991), en su mayoría se limitan a un solo cultivo, extensivo y

al aire libre (Cannavo et al., 2008).

El modelo EU-Rotate_N (Rahn et al., 2010), permite analizar la dinámica del agua y N en el

sistema suelo-planta, considerando las condiciones de clima, el suelo y el manejo del riego y N.

EU-Rotate_N ha sido utilizado para evaluar el efecto de prácticas de manejo del riego y el

abonado N en rotaciones de cultivo al aire libre, sobre parámetros de cultivo y suelo, sin una

Capítulo 3

80

calibración previa en la mayoría de los casos. Varios autores (Ranh et al., 2010; Doltra y Muñoz,

2010; Guo et al., 2010; Sun et al., 2012; Nendel et al., 2012), han obtenido resultados

satisfactorios al validar la capacidad del modelo para predecir la producción de materia seca (MS),

extracción de N, el rendimiento del cultivo y el contenido de agua en el suelo, mientras que en el

caso del N mineral del suelo los resultados han sido variables. En otros estudios, el modelo ha

sido utilizado para evaluar el efecto de las prácticas de manejo del riego y fertilización N sobre el

drenaje y la lixiviación de N-NO3- (Rahn et al., 2007; Schmutz et al., 2008; Nendel, et al., 2009;

Doltra y Muñoz, 2010; Guo et al., 2010; Sun et al., 2012), sin embargo, su comportamiento no ha

sido validado contrastando con datos experimentales.

Actualmente, no existen estudios sobre la utilización del modelo EU-Rotate_N en cultivos

hortícolas bajo condiciones de invernadero mediterráneo. En cultivos al aire libre en clima

mediterráneo, Nendel et al., (2012), demostraron la bondad de EU-Rotate_N para simular la

producción de MS y extracción de N, mostrando una menor capacidad para simular el N mineral

del suelo; mientras que Doltra y Muñoz, (2010), obtuvieron resultados aceptables en la

simulación del contenido de agua y N mineral del suelo. En China, Guo et al., (2010), y Sun et al.,

(2012), demostraron que el modelo es una buena herramienta para estimar los requerimientos de

N en el cultivo de pepino bajo invernadero.

El objetivo general de este estudio fue evaluar la capacidad del modelo EU-Rotate_N, para

simular (i) crecimiento, (ii) extracción de N, (iii) producción comercial, (iv) evapotranspiración, (v)

drenaje, (vi) lixiviación de N-NO3-, y (vii) la dinámica del agua y el N mineral en el suelo, en una

secuencia de cultivos melón-pimiento bajo invernadero mediterráneo. Además, se ha evaluado el

comportamiento del modelo para simular el drenaje y la lixiviación de nitratos durante el periodo

entre ambos cultivos. Para ello, algunos parámetros de cultivo y uso de agua en el modelo, se

calibraron con datos experimentales de una secuencia de cultivos melón-pimiento bajo manejo

convencional del riego y abonado N, y una vez calibrado se ha validado usando tres secuencias de

cultivos melón-pimiento, bajo diferentes estrategias de manejo del riego y el abonado N.


81


2.1. Localización

La investigación fue realizada en la Estación Experimental de la Fundación Cajamar,

localizada en El Ejido, Almería, SE de España (36° 48'N, 2° 43' W y 151 m de altitud). Se utilizaron

dos invernaderos adyacentes, orientados este-oeste respecto a su eje longitudinal, con

dimensiones de 24 m de largo y 18 m de ancho, cubierta de polietileno de baja densidad,

ventilación pasiva y sin calefacción.

El suelo de cultivo fue un típico enarenado de la zona (Wittwer y Castilla, 1995),

construido artificialmente, colocando una capa de 30 cm de suelo importado (arcilloso) sobre el

suelo original (franco), y seguidamente una capa de 10 cm de grava como acolchado. En el año

2003, después de retirar temporalmente la capa de grava, se incorporaron 69 t ha-1 de estiércol

de oveja a 5 cm de profundidad, y adicionalmente se aplicaron 46 t ha-1 sobre la superficie de

suelo importado.

En cada invernadero había dos lisímetros de drenaje libre de 4 m de largo, 2 m de ancho y


el lisímetro reproducía las características del perfil de suelo del invernadero, hasta una

profundidad de 0.6 m, con una capa de grava colocada en el fondo sobre la lámina de caucho.

2.2. Descripción de cultivos

Durante el periodo 2005-2006, se realizaron 4 secuencias de cultivos de melón Galia

(Cucumis melo L., cv. Deneb) y pimiento California (Capsicum annum, L., cv. Vergasa). Los

principales datos de cada cultivo y periodos entre cultivos (PEC) se presentan en Tabla 1. En

ambos cultivos se utilizó una densidad de siembra de 2 plantas m-2, colocando las plántulas a 8 cm

de cada gotero, en posición perpendicular a la línea de goteros. En melón se utilizaron plántulas

de 30 días de edad distribuidas en hileras simples equidistantes, paralelas a la línea de goteros.

En pimiento, se utilizaron plántulas de 6 semanas de edad, distribuidas en un sistema de hileras

dobles paralelas a las líneas de goteros. Las plántulas se colocaron en el área interior entre líneas

pares de goteros.

En ambos cultivos, se utilizó un sistema de riego por goteo superficial. Las tuberías de

riego se distribuyeron en líneas pares espaciadas a 0.8 m, y 1.2 m entre pares de líneas. Los

goteros (3 L h-1) dentro de la línea de goteros estaban separados cada 0.50 m, dando una

densidad de 2 goteros m-2. En ambos cultivos de todas las secuencias, hubo tres etapas del

Capítulo 3

82

manejo del riego y del N; (1) pre-trasplante, (2) establecimiento del cultivo (21 DDT) y (3) desde el

final de establecimiento hasta el final de la cosecha.

Tabla 1. Descripción de las cuatro secuencias experimentales de cultivos melón-pimiento,

incluyendo fechas de cultivo, datos de manejo del riego y fertilización N, materia seca (MS) y N

mineral en el suelo al trasplante.

Secuencia

de cultivo Cultivo Fechas de cultivo Riegos

[N]

aplicada

N

aplicado

N al

trasplante

MS

objetivo

Trasplante Final mm Nº mmol L-1 kg ha-1 kg ha-1 t ha-1

MC-05(1) Melón MC-05 17/03/05-01/06/05 223 41 11.9 371 565.2 8.26

PEC (2)MC-05 02/06/05-20/07/05 188 11 0.01 0.3 - -

Pimiento MC-05 21/07/05-14/12/05 299 96 11 461 401.2 11.56

MM-05(3) Melón MM-05 17/03/05-01/06/05 190 41 11.4 305 530.2 8.61

PEC MM-05 02/06/05-20/07/05 177 12 0.02 0.5 - -

Pimiento MM-05 21/07/05-14/12/05 246 96 7.7 266 540 10.27

MC-06(4) Melón MC-06 14/02/06-23/05/06 213 63 11.8 350 368.3 9.75

PEC MC-06 24/05/06-19/07/06 76 11 0.01 0.11 - -

Pimiento MC-06 20/07/06-02/02/07 340 155 10.3 487 320.1 11.93

MM-06(5) Melón MM-06 14/02/06-23/05/06 192 63 9.9 265 377.6 9.47

PEC MC-06 24/05/06-19/07/06 64 11 0.01 0.1 - -

Pimiento MM-06 20/07/06-02/02/07 287 153 7.8 313 277.2 11.56

(1)MC-05: secuencia manejo convencional 2005,

(2)PEC: periodo entre cultivos;

(3)MM-05: secuencia manejo

mejorado 2005, (4)

MC-06: secuencia manejo convencional 2006, (5)

MM-06: secuencia manejo mejorado

2006. [N]: concentración de N (N-NO3- + N-NH4

+)

En todos los cultivos, el manejo agronómico (entutorado, podas, control fitosanitario,

nutrición, etc.) exceptuando el manejo del N y el riego, fue similar al utilizado en explotaciones

comerciales del sureste de España. En los cultivos de pimiento, antes del trasplante se aplicó un

blanqueo a la cubierta del invernadero con carbonato cálcico (25% p/v), que se retiró a los 65 y 50

días después del trasplante (DDT) en los cultivos de 2005 y 2006, respectivamente. La nutrición

mineral fue aplicada mediante fertiriego a partir de soluciones nutritivas concentradas,

considerando la concentración de nutrientes en el agua de riego (conductividad eléctrica: 0,4 dS

m-1 y pH de 8.1). En todos los cultivos, aproximadamente el 95% del N se aplicó en forma de N-

NO3- y el 5% como N-NH4

+. El fertiriego fue programado con ordenador, introduciendo los

porcentajes de inyección fertilizante de acuerdo al pH, CE y requerimiento de nutrientes en cada


83

etapa de cultivo. En todos los cultivos, durante los primeros 15 DDT, se aplicó solamente agua sin

nutrientes minerales.

2.3. Descripción de estrategias de manejo de cultivos

En cada campaña de cultivo 2005 y 2006, se realizaron dos secuencias de cultivo melón-

pimiento bajo dos estrategias diferentes de manejo del riego y abonado N; (i) un manejo

convencional (MC) y (ii) un manejo mejorado (MM) (Tabla 1). En pretrasplante, en las secuencias

MC-05 y MC-06 el volumen de riego se aplicó según las prácticas de manejo local, variando entre

6 y 17 mm; mientras que en MM-05 y MM-06, se aplicó un volumen promedio de 6 mm, con el

objetivo de mantener el potencial mátrico (Ψm) del suelo entre -10 y -15 kPa.

Durante el PEC de melón-pimiento de todas las secuencias, se realizaron riegos de lavado

y de desinfección química del suelo (Metam-potasio), siguiendo las prácticas convencionales en

las secuencias bajo MC, y fraccionando las aplicaciones según el potencial matricial del suelo (Ψm=

-10 a -15 kPa) en las secuencias bajo MM. Los volúmenes de riego y concentraciones de N

aportados en el PEC se presentan en la Tabla 1.

En ambos cultivos de las secuencias MC-05 y MC-06, durante el periodo de

establecimiento (21 DDT) el volumen y frecuencia de riego aplicados se basó en la asesoría de

técnicos locales. Desde el final del periodo de establecimiento hasta finalizar el cultivo, el

volumen de riego diario aportado fue calculado multiplicando la ETc estimada por un factor de

Aporte Relativo de Agua (RIS) obtenido según Fernández et al., (2007). La ETc histórica fue

estimada con el modelo de simulación PrHo (Fernández et al., 2001), el cual calcula la ETc para

cultivos hortícolas de invernadero en el SE español, utilizando coeficientes de cultivo (Kc) de Orgaz

et al., (2005), valores de evapotranspiración de referencia (ETo) de Fernández et al., (2010; 2011) y

una base de datos climáticos históricos locales de 23 años (Bonachela et al., 2006). Los valores de

RIS (Fernández et al., 2007), fueron calculados como el cociente entre los volúmenes de riego

aplicados en fincas comerciales y los valores de ETc simulados con PrHo. En ambos cultivos de las

secuencias MC-05 y MC-06, la frecuencia del riego y la concentración de N en solución nutritiva

(N-NO3- más N-NH4

+) fueron establecidas según la recomendación de asesores técnicos locales

(Tabla 1).

En las secuencias MM-05 y MM-06, en el manejo del riego de ambos cultivos se utilizó un

componente prescriptivo para estimar las necesidades de riego y un componente correctivo para

ajustar la frecuencia. En el manejo prescriptivo, el volumen de riego aplicado correspondió a la

ETc histórica simulada con el modelo PrHo (Fernández et al., 2001). En el manejo correctivo del

riego, la frecuencia fue ajustada según el potencial matricial del suelo (Ψm), monitoreado con

Capítulo 3

84

tensiómetros manuales instalados a 5 cm de la planta y a 10 cm de profundidad en el periodo de

establecimiento (-5 a -10 kPa), y a 8 cm de la planta y a 15 cm de profundidad en el resto del ciclo

(-10 a -40 kPa).

En melón MM-05, la concentración de N aplicado (11.4 mmol L-1) correspondió a las

prácticas de manejo local (Tabla 1); mientras que en pimiento MM-05 la concentración de N

aplicado (7.7 mmol L-1) consistió en una reducción de un 30%, respecto al cultivo bajo MC (Tabla

1).

En la secuencia MM-06, el abonado N tuvo un componente prescriptivo y otro correctivo

con el objetivo de optimizar la aplicación de N a la demanda de ambos cultivos. En el manejo

prescriptivo, la concentración de N en solución nutritiva para un periodo dado, fue estimada a

partir de la relación entre el consumo de N simulado por el modelo Nup y la ETc simulada con

PrHo. En el manejo correctivo, la concentración de N en solución nutritiva se varió en función del

objetivo de mantenimiento de la [N-NO3-] en solución de suelo en un rango de 8-12 mmol L-1 a 15

cm de profundidad (Tabla 1).

2.4. Determinaciones

2.4.1. Clima

En cada invernadero, se midió la temperatura del aire y la radiación solar cada 30

segundos, registrando el promedio para periodos de 30 minutos en un data logger (CR10X,

Campbell Scientific Inc., Utah, EE.UU.). La temperatura del aire seco y húmedo se midió con un

sicrómetro ventilado (Priva BV LC de Lier, Países Bajos) colocado ligeramente por encima del

cultivo, la cual fue utilizada para calcular la humedad relativa. La integral de radiación solar diaria

se determinó a partir de los datos de radiación solar global medidos con un piranómetro SKS1110

(Skye Instruments, Llandrindod Wells, Wales, UK) instalado a 2 metros de altura. Ambos

instrumentos se ubicaron en la parte central del invernadero. Para cada cultivo, los valores

promedios estacionales de cada parámetro se presentan en la tabla 2.


85

Tabla 2. Para cada cultivo, valores promedio estacionales de temperatura del aire y humedad

relativa máxima, mínima y media, radiación solar (RS) y evapotranspiración de referencia (ETo) de

periodos de 24 horas, en el interior del invernadero.

Cultivo/

secuencia

Temperatura (ºC) Humedad relativa (%) Integral de RS ETo

Mínima Promedio Máxima Mínima Promedio Máxima (MJ m-2 d-1) mm

d-1

Melón MC-05

Melón MM-05

13.7 22.2 30.5 38.1 63.1 88.2 15.8 3.4

Pimiento MC-05

Pimiento MM-05

16.0 22.2 28.3 50.3 70.8 91.3 9.1 2.1

Melón MC-06

Melón MM-06

13.1 20.8 28.5 44.9 67.7 90.6 13.4 2.8

Pimiento MC-06

Pimiento MM-06

15.1 21.6 28.1 48.0 68.0 88.1 7.0 1.8

2.4.2. Propiedades del suelo experimental

En la Tabla 3 se presentan las propiedades físicas, químicas e hidráulicas del suelo en

horizontes de 10 cm. La textura, conductividad eléctrica, el pH, carbono orgánico y N total fueron

determinados por los métodos de Bouyoucos, pasta saturada, pH en agua 1:1, Walkley-Black y

Kjeldahl, respectivamente, descritos en USDA, (2004).

Tabla 3. Propiedades del suelo experimental, utilizadas como entradas para la ejecución del

modelo EU-Rotate_N.

Parámetro Capa de suelo (cm)

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60

Arcilla (%) 47.9 47.9 47.9 29.9 29.9 29.9

Arena (%) 16.1 15.1 14.1 36.1 36.1 36.1

Densidad aparente (kg m-3) 1390 1430 1550 1630 1630 1630

pH (suelo:agua, 1:1) 8.44 8.40 8.35 8.41 8.41 8.41

Materia orgánica (%) 1.81 1.16 0.50 0.30 0.30 0.30

N total (%) 0.12 0.08 0.06 0.08 0.02 0.02

Hv a 30 kPa (cm3 cm-3) 0.34 0.34 0.34 0.24 0.24 0.24

Hv a 1500 kPa (cm3 cm-3) 0.21 0.21 0.21 0.15 0.15 0.15

Hv a saturación (cm3 cm-3) 0.37 0.37 0.37 0.27 0.27 0.27

Coeficiente de drenaje 0.08 0.08 0.08 0.11 0.11 0.11

Hv: Humedad volumétrica del suelo

Capítulo 3

86

La densidad aparente se determinó extrayendo una muestra de suelo “in situ” con un

anillo de volumen conocido. La muestra de suelo se secó en una estufa a 105 ºC hasta peso

constante y la densidad aparente se calculó como el cociente entre peso seco del suelo y el

volumen (USDA, 2004).

La humedad del suelo a capacidad de campo se determinó según la metodología de

Romano y Santini, (2002). Una vez finalizados los cultivos, se saturaron 4 parcelas experimentales

del invernadero provistas con lisímetros, y se cubrió el suelo con una lámina de plástico. Cada 24

horas se tomaron lecturas de humedad volumétrica con dos sondas de TDR (45 cm) por parcela y

se recogió el drenaje de los lisímetros. Cuando la humedad se estabilizó y el drenaje disminuyó

apreciablemente, se tomaron muestras de suelo en capas de 10 cm hasta 60 cm de profundidad,

en las cuales se determinó la humedad gravimétrica. Los valores fueron expresados como

humedad volumétrica teniendo en cuenta la densidad aparente del suelo. Los contenidos de

humedad volumétrica del suelo correspondiente al punto de marchitez permanente y a

saturación se estimaron a partir de la textura y el contenido de materia orgánica del suelo, según

el procedimiento de Saxton y Rawls, (2006).

2.4.3. Contenido de humedad y nitrógeno mineral en el suelo

Durante el ciclo de cada cultivo, para cada repetición se determinó el contenido de agua y

N mineral del suelo al inicio, a mediados y al final del ciclo. El suelo fue muestreado en los perfiles

0-20, 20-40 y 40-60 cm, y en tres posiciones respecto al gotero: (P1) a 5 cm del gotero y de la línea

de goteros, (P2) en un punto intermedio entre dos goteros dentro de la línea de goteros y (P3) en

el centro de la entrecalle, frente al gotero. La muestra obtenida en cada repetición, perfil de

suelo y posición de muestreo, fue tratada como una muestra independiente.

El contenido de N mineral (N-NO3- más N-NH4

+) se determinó en una submuestra de 40 g

de suelo húmedo tras la extracción con 200 ml de KCl 2 M. Las concentraciones de nitrato ([N-

NO3-]) y amonio ([N-NH4

+]) se determinaron utilizando un analizador automático de flujo

segmentado (modelo SAN++, Skalar Analytica lBV, Breda, Países Bajos). El nitrato (NO3-) se

determinó como nitrito (NO2-) utilizando el método de Griess-Illosvay (Mulvaney, 1996) después

de la reducción de NO3- a NO2

- utilizando una columna de cadmio (Mulvaney, 1996).

La humedad gravimétrica se determinó en las mismas muestras de suelo húmedo

obtenidas para la extracción de suelo, utilizando aproximadamente 20 g de suelo secado en horno

de ventilación forzada a 105 ºC hasta peso seco constante. La humedad volumétrica fue obtenida

como el producto de la humedad gravimétrica por su respectiva densidad aparente.


87

Los contenidos de N mineral y humedad volumétrica para cada perfil de suelo

muestreado, se calcularon como: (0.25 x posisión 1) + (0.25 x posición 2) + (0.50 x posición 3).

2.4.4. Volúmenes de riego, drenaje y lixiviación de nitratos

En cada cultivo y PEC de todas las secuencias, el volumen de agua aplicada fue medido en

cada riego utilizando caudalímetros. Una vez por semana se determinó la concentración de N (N-

NO3- + N-NH4

+) en solución nutritiva aplicada en fertiriego, en dos submuestras recolectadas

desde bandejas de 7 L ubicadas en dos goteros diferentes seleccionados al azar.

En cada cultivo y PEC, el volumen de drenaje fue medido desde dos lisímetros, a las 9:00

horas, 24 horas después de cada riego, recogiendo submuestras para determinar la concentración

de N. La [N-NO3-] y [N-NH4

+] fueron determinadas con un analizador automático de flujo

segmentado, descrito en la sección 2.4.3.

La cantidad de N aplicado (kg ha-1) por cultivo, se calculó a partir de los volúmenes de

riego y su respectiva concentración de N, mientras que la cantidad de N-NO3- lixiviado (kg ha-1) se

calculó a partir de los volúmenes de drenaje, su respectiva concentración de N-NO3- y el área de

los lisímetros. Las cantidades de N-NH4+ lixiviado fueron insignificantes.

2.4.5. Evapotranspiración

En ambos experimentos se determinó la evapotranspiración del cultivo (ETc) para

periodos semanales, a partir del balance de agua en el suelo.

ETc= (Hvi – Hvf) + R - D (1)

Donde (Hvi – Hvf) es la diferencia entre la humedad volumétrica del suelo (mm) al inicio (Hvi) y al

final (Hvf) del periodo, medidos a las 6:00 horas; R y D son los volúmenes de riego y drenaje (mm)

para dicho período, respectivamente.

En cada cultivo el contenido de agua del suelo (mm) fue medido continuamente,

instalando dos sensores de capacitancia (EnviroSCAN®, Sentek Sensor Technologies, Stepney,

Australia) en cada uno de los dos lisímetros ubicados en cada invernadero. Ambos sensores se

ubicaron a 5 cm del gotero y a 8 cm de la planta, en dirección paralela a las líneas de goteros. Los

valores promedios de humedad volumétrica para periodos de 30 minutos se registraron en un

data logger (modelo RT6, Sentek Sensor Technologies, South Australia, Australia).

Capítulo 3

88

2.4.6. Materia seca, producción de frutos y extracción de nitrógeno

Para determinar la producción de materia seca (MS) aérea en cada cultivo, se realizaron

muestreos periódicos de dos plantas completas por repetición, determinando el peso fresco de

hojas, tallos y frutos. Se realizaron 9 muestreos en melón MC-05 y 7 muestreos en el resto de

cultivos. El %MS en hojas, tallos y frutos, se determinó en una submuestra de cada componente,

secada a 65 °C en horno de ventilación forzada hasta peso constante. A partir del peso fresco y el

%MS, se determinó la producción de MS en tallos, hojas y frutos por unidad de superficie (t ha-1).

Para cada fecha de muestreo en planta completa, la MS total fue calculada como la suma de MS

en tallos, MS en hojas y MS en frutos.

Adicionalmente, en cada cultivo y repetición, se identificó una parcela de 4 m2 (8 plantas),

para determinar la MS de podas, MS de frutos cosechados y rendimiento de fruto fresco. En cada

poda, se determinó el peso fresco de hojas y tallos; mientras que en cada cosecha se determinó el

peso fresco de frutos cosechados. La determinación de MS por componente de poda y frutos

cosechados, se realizó de igual forma a la descrita para determinar MS en planta completa. Se

realizaron 8 y 9 podas en los cultivos de melón 2005 y 2006, y 8 y 5 podas en los cultivos de

pimiento 2005 y 2006, en el mismo orden. En los cultivos de melón 2005 y 2006 se realizaron 2 y

1 cosechas, y 5 y 9 cosechas en los cultivos pimiento 2005 y 2006, en el mismo orden.

Para cada fecha de muestreo, la producción de MS correspondió a la MS en planta

completa acumulada a la fecha, más los valores de MS de podas previas y MS de frutos

cosechados previamente.

La extracción de N se determinó en las submuestras de MS de tallos, hojas y frutos de

plantas completas; submuestras de podas y de frutos cosechados. Una vez secadas y pesadas, las

submuestras se molieron por separado y secuencialmente con un molino de cuchillas (modelo

SM100 Confort, Retsch, Haan, Alemania) y un molino de bolas (modelo MM200, Retsch, Haan,

Alemania). La concentración de N (%) se determinó utilizando un sistema de análisis elemental

tipo Dumas (modelo 3000 EA, SpA EUROVECTOR, Milán, Italia).

Para cada fecha de muestreo, se determinó la cantidad de N extraído (kg ha-1) en planta

completa (N en tallos, hojas y frutos); en podas y en frutos cosechados, a partir de sus respectivos

contenidos de MS (kg ha-1) y concentraciones de N (%). En cada fecha de muestreo de planta

completa, el N extraído acumulado fue obtenido como la suma de N extraído en planta completa

más N extraído en podas y frutos cosechados.

La altura promedio de cada cultivo (m) fue medida en 4 plantas por repetición desde la

superficie del suelo enarenado hasta el brote terminal de la planta.


89

2.5. El modelo de simulación EU-Rotate_N

El modelo EU-Rotate_N ha sido desarrollado dentro del marco de un proyecto de la

comunidad Europea (QLK5-2002-01100) como herramienta de apoyo a la decisión para el manejo

del agua y N en cultivos hortícolas en rotación en Europa. EU-Rotate_N, (Rahn et al., 2010),

basado en el modelo de N_ABLE (Greenwood et al., 1996), simula en una escala diaria el

crecimiento y la dinámica del agua y N en el suelo y cultivo.

2.5.1. Entradas del modelo

En este trabajo se realizó la calibración y validación del modelo de simulación EU-

Rotate_N (versión 1.8) en los cultivos de melón y pimiento, bajo invernadero mediterráneo. Para

la ejecución, el modelo ha requerido una serie de variables de entrada (archivo dia) medidas

experimentalmente según se explica en el apartado 2.4. En el archivo de entrada (input) se

incluyeron las propiedades del sitio experimental, periodo de simulación, nombre del archivo

clima, propiedades del suelo y condiciones iniciales de humedad y N mineral de suelo. Para cada

cultivo se incluyó el volumen de cada riego, la concentración de N y los datos de cultivo (densidad,

fecha de plantación, MS objetivo, etc.).

En la Tabla 2, se presenta para cada cultivo, los valores promedio estacionales de

temperatura y humedad relativa máxima, mínima y media, radiación solar y evapotranspiración

de referencia (ETo) de periodos de 24 horas, en el interior del invernadero. Los valores promedio

diarios de dichos parámetros fueron incluidos en el archivo clima. En este estudio, la ETo diaria

fue calculada con la ecuación Penman–Monteith (Allen et al., 1998) adaptada a invernaderos de

plástico tipo mediterráneo con una resistencia aerodinámica fija de 295 s cm-1 (Fernández et al.,

2010; 2011).

En las entradas no se incluyeron datos de fertilización inorgánica, debido a que la

nutrición mineral, incluyendo N, se aplicó mediante solución nutritiva en fertiriego. Para cada

evento de riego se incluyó la fecha de aplicación, volumen aplicado (mm), concentración de N (g l-

1) y fracción de suelo húmedo (fω). En los datos de entrada de cultivo, se utilizó como MS

objetivo, la MS total determinada experimentalmente en cada cultivo (Tabla 1), de acuerdo a

Greenwood et al., (1996). Además, se asumió que todas las cosechas sucesivas de frutos,

ocurrieron en una sola cosecha al final del cultivo.

Considerando que la capa de grava tiene una capacidad de retención de agua y nutrientes

prácticamente nula, y que el modelo no considera el efecto reductor de los acolchados sobre la

evaporación de agua, ésta no se incluyó en el perfil de suelo, siendo considerada como acolchado.

Capítulo 3

90

En el perfil de suelo se consideraron 6 capas de 10 cm de espesor, considerando como entradas

sus respectivas propiedades químicas, físicas e hidráulicas (Tabla 3), e incluyendo un coeficiente

de drenaje calculado según describe Doltra y Muñoz, (2010). Los contenidos de humedad

volumétrica y de N mineral, del suelo medidos al inicio de cada experimento según se describe en

el punto 2.4.3, se incluyeron como entradas en las condiciones iniciales del suelo.

Dado que en el cultivo bajo invernadero todos los residuos de poda y de cultivo son

retirados del invernadero, estos no han sido incluidos como datos de entrada en la incorporación

de residuos previo o posterior al cultivo. La materia orgánica aplicada mediante el estiércol

durante la construcción del invernadero, se incluyó indirectamente en el contenido de materia

orgánica del suelo en el horizonte 0-10 cm, determinada al inicio de cada periodo de simulación.

En la base de datos de cultivo (crop table), que establece los parámetros agronómicos

para los cultivos hortícolas, se incluyeron como nuevos cultivos bajo invernadero, el melón

temprano, melón tardío y pimiento, con los parámetros obtenidos en la calibración (Tabla 4), tal

como se explica en la sección 2.5.2. Además, el modelo requiere otros archivos de entrada, donde

se describen las características de los fertilizantes orgánicos, fertilizantes minerales, residuos de

cultivos y de la materia orgánica. Los parámetros de mineralización de la materia orgánica fueron

utilizados por defecto para todas las simulaciones.

2.5.2. Calibración del modelo

La calibración del modelo se realizó ejecutando el modelo de forma individual para cada

cultivo, utilizando datos experimentales de una secuencia de cultivos melón-pimiento del 2006,

bajo MC del riego y el abonado N (MC-06). Antes de calibrar el modelo se realizó una simulación

para ambos cultivos bajo invernadero, utilizando los parámetros agronómicos de la tabla de

cultivo, por defecto, en la base de datos del modelo (sin calibrar, para cultivos al aire libre). Los

valores simulados se compararon con los datos medidos experimentalmente, con el objetivo de

determinar los parámetros que requerían calibración para ambos cultivos en invernadero. La

calibración se realizó en los componentes de crecimiento, extracción de N, rendimiento y

evapotranspiración (Tabla 4). Para los parámetros no presentados en la Tabla 4, se han utilizado

los valores que aparecen por defecto en la base de datos de EU-Rotate_N versión 1.8 (2009).


91

Tabla 4. Parámetros agronómicos en la Tabla de cultivo (crop table) de EU-Rotate_N, para

cultivos de melón y pimiento al aire libre (valores por defecto), y los valores obtenidos en el

proceso de calibración para ambos cultivos bajo invernadero.

Parámetro Al aire libre Bajo invernadero Descripción

Melón Pimiento 1Melón 2Melón Pimiento

a 0.96 2.45 3.04 3.04 - Coeficientes de la ecuación de N critico

(PNIF y ϐo en Greenwood, 2001) b 4.78 0.71 0.63 0.63 -

Base 7 7 12 12 10 Temperatura base de crecimiento (ºC)

ddglag 100 100 0 0 0 Tiempo térmico desde germinación hasta

el inicio del crecimiento radicular (ºC d-1)

K_ini 0.15 0.15 0.05 0.05 0.05 Coeficiente de cultivo basal inicial

K_mid 0.95 1.0 1.00 1.0 1.0 Coeficiente de cultivo basal intermedio

K_end 0.70 0.8 1.00 1.0 1.0 Coeficiente de cultivo basal final

H_max 1.0 0.7 3.0 3.0 1.5 Altura máxima del cultivo (m)

L_ini 20 30 20 10 7 Duración fase crecimiento inicial (días)

L_dev 30 35 40 50 73 Duración fase crecimiento lineal (días)

L_mid 30 50 26 10 60 Duración fase crecimiento media (días)

L_lat 30 25 10 6 60 Duración fase crecimiento final (días)

r0 11.4 7 8.5 8.5 8 Factor de conversión de MS a rendimiento 1Melón temprano (2006) y

2melón tardío (2005) bajo invernadero mediterráneo

2.5.2.1. Calibración de la Evapotranspiración

Dado que el modelo considera una disminución en el crecimiento del cultivo proporcional

a la reducción en la transpiración, el primer paso fue calibrar los parámetros que determinan la

ETc del cultivo. El modelo calcula la ETc, como el producto de la evapotranspiración de referencia

(ETo) por el coeficiente dual de cultivo (Kcb) (Allen et al., 1998). En este estudio, la ETo diaria se

calculó con la ecuación Penman–Monteith según se explica en la sección 2.5.1.

Debido a que el modelo no considera el efecto reductor de la evaporación en suelos

acolchados, se procedió a ajustar los siguientes parámetros que determinan la evaporación

superficial: (i) agua fácilmente evaporable (REW), (ii) espesor de la capa de evaporación (Ze) y (iii)

fracción de suelo humedecida por el riego (Fω). Para ello, se realizaron diferentes escenarios de

simulación, utilizando valores de referencia de Allen et al., (1998), en el siguiente orden: (1) REW

desde 0.2 hasta 2 mm, (2) Ze desde 0.01 hasta 0.1 m y (3) Fω desde 0.3 hasta 0.7. Los valores de

REW, Ze y Fω que redujeron los valores de evaporación superficial hasta obtener un buen ajuste

entre valores simulados y medidos de ETc, fueron 0.2, 0.01 y 0.5, respectivamente.

Los valores de coeficiente basal de cultivo (Kcb) inicial, medio y final, y la longitud de las

diferentes etapas del ciclo para las condiciones de cultivo de invernadero en el mediterráneo, se

Capítulo 3

92

obtuvieron a partir de valores de Kc obtenidos en estudios previos (Gallardo et al., 2011; Giménez

et al., 2012), ajustando dichos valores a coeficientes de cultivo basales según las

recomendaciones de Allen et al., (1998).

2.5.2.2. Calibración del crecimiento, extracción de nitrógeno y rendimiento comercial

En el cultivo de melón la temperatura base se ajustó a 12 ºC (Maynard and Hochmuth,

2007; Misle, 2003), y en pimiento a 10 ºC (Bakker and Van Uffelen, 1998). El tiempo térmico para

germinar e iniciar el crecimiento radicular (ddglag), fue ajustado a 0 ºC dia-1, asumiendo un

establecimiento rápido debido a que el cultivo fue trasplantado con 4-5 hojas y las condiciones

iniciales bajo invernadero fueron favorables.

Los coeficientes a y b de la curva de N crítico (Ncrit) se calibraron en el cultivo de melón

MC-06, mientras que en pimiento MC-06 no se modificaron debido a que la curva de Ncrit para el

cultivo al aire libre, incluida por defecto en la base de datos del modelo, se adaptó bien al

crecimiento y extracción de N del cultivo en invernadero (Tabla 4). En melón, los coeficientes

empíricos de la curva de Ncrit (Greenwood, 2001), se obtuvieron de estudios previos (Gallardo et

al., 2011; Giménez et al., 2012).

Para simular el rendimiento comercial fresco se utilizó el método de conversión directa

(Nendel et al., 2009), recomendado para cultivos con varias cosechas por planta. El factor de

conversión de MS total a producción comercial fresca (ro), fue determinado a partir de datos

experimentales de los cultivos de calibración de melón y pimiento MC-2006 (Tabla 4).

2.5.3. Validación del modelo

La validación se realizó ejecutando el modelo durante toda la secuencia de cultivos

melón-pimiento, incluyendo el PEC (Tabla 1). Se validó en una secuencia bajo manejo

convencional (MC-05) y en dos secuencias bajo manejo mejorado (MM-05, MM-06), del riego y

abonado N. La capacidad de simulación de valores medidos de MS, extracción de N, rendimiento

comercial, ETc, drenaje y lixiviación de nitratos, se evaluó de forma independiente para cada

cultivo. La simulación de la humedad volumétrica en los perfiles de suelo 0-30 y 30-60 cm, y

contenido de N mineral en los perfiles 0-30 y 0-60 cm, se evaluaron considerando cada secuencia

de melón-pimiento completa, incluyendo el PEC. En los PEC se evaluó la capacidad de simulación

de drenaje y N-NO3- lixiviado.

El comportamiento de EU-Rotate_N para simular cada uno de los parámetros

considerados, se evaluó a partir de las diferencias entre valores medidos y simulados (Yang et al.,


93

2000; Willmott, 1982). Se utilizaron los siguientes índices estadísticos descritos por Willmott,

(1982): (1) raíz cuadrada del error medio estándar (RMSE), (2) error relativo (ER) y (4) el índice de

ajuste (d). El RMSE mide el error promedio entre los valores simulados y medidos

experimentalmente. El ER es similar a un coeficiente de variación respecto al promedio de

valores medidos y expresa la magnitud del RMSE respecto al promedio de valores medidos. El d

representa la relación entre el cuadrado medio del error (CME) y el error potencial, determinando

la proporción del error entre valores medidos y simulados que es explicado por el modelo.

Capítulo 3

94

3. Resultados

3.1. Calibración del modelo

3.1.1. Crecimiento, extracción de nitrógeno y producción comercial

En la Figura 1 se presenta la evolución estacional de valores medidos y simulados de MS y

extracción de N en la secuencia MC-06, antes (Fig. 1a y 1c) y después de calibrar (Fig. 1b y 1d) la

temperatura base y el ddglag en ambos cultivos, y los coeficientes de la curva de N crítico (Ncrit) en

el cultivo de melón. En melón, el modelo sin calibrar subestimó los valores medidos de MS y N

extraído en la fase final del cultivo, siendo mayor el desajuste en los valores de N extraído. En

ambos cultivos, una vez calibrado, el modelo simuló con exactitud los valores de MS y N extraído

(Fig. 1b y 1d).

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

Mat

eria

sec

a (t

ha

-1)

0

2

4

6

8

10

12

14

16MedidaSimulada

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

Mat

eria

sec

a (t

ha

-1)

0

2

4

6

8

10

12

14

16MedidoSimulado

a) Sin calibrar b) Calibrado

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

N e

xtra

ído

( kg

ha

-1)

0

100

200

300

400

500MedidoSimulado

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

N e

xtra

ído

( kg

ha

-1)

0

100

200

300

400

500MedidoSimulado

d) Calibradoc) Sin calibrar

Melón PEC Pimiento

Figura 1. Evolución estacional de valores medidos y simulados de materia seca (MS) y extracción

de N para los cultivos de melón y pimiento MC-06 con el modelo sin calibración (a y c) y calibrado

(b y d). Las barras indican el error estándar de las medias.


95

En melón, el ER entre valores medidos y simulados se redujo apreciablemente de 26% a

9% para MS y de 78% a 19% para extracción de N; mientras que en el cultivo de pimiento, el ER se

redujo ligeramente de 24% a 17% para MS y de 22% a 15% para extracción de N (Tabla 5).

Tabla 5. Índices estadísticos utilizados para evaluar el comportamiento del modelo para simular

las distintas variables analizadas en la secuencia de calibración melón y pimiento MC-06, sin

calibrar y calibrado el modelo.

Parámetro Cultivo Sin calibración Con calibración

n RMSE ER (%) d RMSE ER (%) d

Materia seca (t ha-1) Melón 7 0.79 26 0.98 0.29 9.45 1.00

Pimiento 7 0.95 24 0.95 0.68 17.03 0.97

Absorción N (kg ha-1) Melón 7 84.23 78 0.78 20.49 18.87 0.99

Pimiento 7 26.13 22 0.99 18.56 15.29 0.99

ETc (mm) Melón 14 44.20 74 0.88 5.00 8.38 1.00

Pimiento 29 18.90 17 1.00 3.58 3.14 1.00

Drenaje (mm) Melón 15 37.40 91 0.50 6.75 16.39 0.97

Pimiento 30 45.40 45 0.72 3.13 3.16 1.00

N-NO3- lixiviado (kg ha-1) Melón 15 55.90 85 0.51 10.77 16.31 0.98

Pimiento 31 22.81 15 0.98 34.07 22.48 0.94

Drenaje en PEC (mm) MC-06 9 5.91 17 0.96 5.11 15.0 0.98

N-NO3- lixiviado PEC (kg ha-1) MC-06 9 85.88 230 0.32 26.81 75.0 0.74

Hv 0-30 (cm3 cm-3)* MC-06 7 0.054 16 0.82 0.014 4.45 0.99

Hv 30-60 (cm3 cm-3) MC-06 6 0.018 8 0.97 0.014 6.02 0.99

Nmin-0-30 (kg ha-1)* MC-06 6 91.4 50 0.50 46.35 25.47 0.90

Nmin-0-60 (kg ha-1) MC-06 6 180.3 60 0.30 56.82 18.94 0.93

RMSE: raíz cuadrada del error medio estándar; ER: error relativo; d: índice de ajuste; n: número de

observaciones, PEC: periodo entre cultivos *Los estadísticos de Hv y Nmin fueron calculados para toda la

secuencia melón-pimiento MC-06 incluyendo el periodo entre cultivos (PEC).

La capacidad del modelo para simular el rendimiento comercial fresco fue consecuente

con el comportamiento en la simulación de la MS y el N extraído, mostrando mayor efecto de

calibración en el cultivo de melón. En melón, el rendimiento fue sobreestimado en un 31% en el

escenario sin calibrar, frente a un 10% una vez calibrado, mientras que en pimiento la capacidad

de simulación varió poco en ambos escenarios (Tabla 6).

Capítulo 3

96

Tabla 6. Valores simulados y medidos de producción comercial (t ha-1) en los cultivos melón y

pimiento de las secuencias de validación MC-05, MM-05, MC-06 y MM-06, una vez calibrado el

modelo.

Secuencia Melón Pimiento

Simulado Medido Simulado Medido

MC-05 69.64 68.3 89.85 60.1

MM-05 72.87 66.7 79.77 53.8

MC-06 82.9 75.3 95.4 91.2

MM-06 80.66 68.44 92.48 98.9

3.1.2. Evapotranspiración, drenaje y lixiviación de nitratos

En ambos cultivos, después de calibrar los parámetros que determinan la evaporación

(REW, Ze, fω) y transpiración (Kc, longitud de etapas y altura del cultivo), el modelo simuló

satisfactoriamente la ETc (Fig. 2b). En melón, el ER se redujo de 74% a 8%, mientras que en

pimiento disminuyó de 17 a 3% (Tabla 5).

El efecto positivo de la calibración sobre la simulación de la ETc, se reflejó en un excelente

ajuste entre valores medidos y simulados de drenaje (Fig. 2d). En el cultivo de melón, el RMSE

disminuyó de 37 a 7 mm, mientras que en pimiento, el RMSE disminuyó de 45 a 3 mm (Tabla 5).

Durante el PEC, la calibración de los parámetros del componente de evaporación mejoró

ligeramente el ajuste entre valores de drenaje simulados y medidos de ETc (Fig. 2c y 2d).

La calibración de los parámetros de crecimiento, extracción de N y ETc en ambos cultivos

de la secuencia MC-06, tuvo un efecto variable en la dinámica del N en el suelo. La calibración

mejoró considerablemente el ajuste entre valores medidos y simulados de N-NO3- lixiviado en el

cultivo de melón, disminuyendo el d desde 0.51 sin calibrar (Fig. 2e) a 0.98 con calibración (Fig. 2f,

Tabla 5). En pimiento, una vez calibrado el modelo, hubo un mejor ajuste en el primer tercio del

ciclo y una subestimación en la segunda mitad del ciclo (Fig. 2f), siendo el valor de ER de 22%

(Tabla 5).


97

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

Eva

potr

ansp

iraci

ón (

mm

)

0

50

100

150

200

250

300

350MedidaSimulada

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

Eva

potr

ansp

iraci

ón (

mm

)

0

50

100

150

200

250

300

350MedidaSimulada


Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

Dre

naje

(m

m)

0

40

80

120

160

200MedidoSimulado

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

Dre

naje

(m

m)

0

40

80

120

160

200MedidoSimulado


Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

N-N

O3- l

ixiv

iado

(kg

ha

-1)

0

50

100

150

200

250

300

MedidoSimulado

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

N-N

O3- l

ixiv

iado

(kg

ha

-1)

0

50

100

150

200

250

300MedidoSimulado

e) Sin calibrar f) Calibrado

Figura 2. Evolución estacional de valores medidos y simulados de evapotranspiración (a, b),

drenaje (c, d) y lixiviación de N-NO3- (e, f) en la secuencia de cultivos melón-PEC-pimiento MC-06,

con el modelo sin calibración (a y c) y calibrado (b y d). Las barras indican el error estándar de las

medias, PEC: periodo entre cultivos.

Capítulo 3

98

Durante el PEC, el efecto positivo de la calibración sobre la simulación de la ETc en el

cultivo de melón, se reflejó en un mejor ajuste entre valores medidos y simulados de drenaje y N-

NO3- lixiviado. Al calibrar el modelo, el ajuste entre valores simulados y medidos de drenaje (d=

0.98) fue más exacto (Fig. 5d). A pesar de que la lixiviación de N-NO3- fue sobreestimada,

mejorando el d notablemente desde un 0.32 en el modelo sin calibrar (Fig. 5e) hasta 0.74 una vez

calibrado (Fig. 5f).

3.1.3. Dinámica del agua y nitrógeno mineral en el suelo

En la Figura 3, se presenta la evolución estacional de la humedad volumétrica en los

perfiles de suelo de 0-30 y 30-60 cm, y de N mineral en los perfiles de 0-30 y 0-60 cm durante la

secuencia MC-06, con el modelo sin calibrar (Fig. 3a, 3c) y calibrado (Fig. 3b, 3d). Con el modelo

calibrado, la dinámica de la humedad volumétrica en ambos horizontes, disminuyó al inicio del

cultivo de melón, manteniéndose constante en el resto de la secuencia en torno a capacidad de

campo, mostrando un buen ajuste entre valores medidos y simulados (Fig. 3b). En el perfil de 0-

30 cm, el RMSE disminuyó de 0.054 a 0.014 cm3 cm-3, mientras que en el perfil de 30-60 cm, el

efecto calibración fue menor, mostrando índices estadísticos similares (Tabla 5), con el modelo sin

calibrar y calibrado.

En ambos perfiles de suelo, la evolución estacional de los valores de N mineral del suelo

simulados, mostró una tendencia a sobreestimar en el último tercio del ciclo de melón y a

subestimar levemente durante el cultivo de pimiento (Fig. 3d). Durante la secuencia, el melón

inició con un alto contenido de N mineral en el suelo, luego disminuyó apreciablemente a

mediados del ciclo e incrementó al final del cultivo. Posteriormente, durante el PEC disminuye

sensiblemente hasta el inicio del cultivo de pimiento, donde mostró una ligera tendencia al

incremento durante el resto del ciclo (Fig. 3d). No obstante, en general durante toda la secuencia

de cultivos, en ambos perfiles de suelo el ajuste entre valores de N mineral simulados y medidos

mejoró sustancialmente al calibrar el modelo (Fig. 3d), respecto al escenario sin calibrar (Fig. 3c).

Los índices estadísticos así lo demuestran, disminuyendo el RMSE de 91 a 46 kg ha-1 en el perfil 0-

30 cm, y de 180 a 57 kg ha-1 en el perfil 0-60 cm (Tabla 5).


99

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

Hum

edad

del

sue

lo (

cm3 c

m-3

)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5


Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

N m

iner

al e

n su

elo

(kg

ha-1

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800


Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

N m

iner

al e

n su

elo

(kg

ha-1

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800


Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

Hum

edad

del

sue

lo (

cm3 c

m-3

)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5





contenido de N mineral en diferentes perfiles de suelo, en la secuencia de cultivos melón-PEC-

pimiento MC-06, con el modelo sin calibrar (a, c) y calibrado (b, d). PEC: periodo entre cultivos.

Las barras indican el error estándar de las medias.

3.2. Validación del modelo

3.2.1. Crecimiento, extracción de N y productividad

En ambos cultivos de todas las secuencias de validación (MC-05, MM-05 y MM-06), el

modelo simuló con exactitud los valores de MS (Fig. 4a, 4b, 4c) y extracción de N (Fig. 4d, 4e y 4f).

Para MS, el d estuvo entre 0.99 –1.0, y el ER varió desde 14% en melón MM-05 hasta 22% en

pimiento MC-05 (Tabla 7). En la extracción de N el d en todos los cultivos fue de 0.99, y el ER

fluctuó desde 14% en pimiento MM-05 hasta 26% en melón MM-05 (Tabla 7). A pesar de

presentar una buena simulación del N extraído durante la mayor parte del ciclo en todos los

Melón PEC Pimiento Melón PEC Pimiento

Capítulo 3

100

cultivos, hubo una sobreestimación del N total extraído, al final del ciclo de los cultivos de melón

MC-05, MM-05, MM-06 y de pimiento MM-05 de un 22%, 27%, 20% y 15%, respectivamente.

Tabla 7. Índices estadísticos utilizados para evaluar el comportamiento del modelo para simular

materia seca, extracción de N, ETc, drenaje y lixiviación de N-NO3- en los cultivos de melón y

pimiento de las secuencias de validación MC-05, MM-05 y MM-06.

Parámetro Secuencia Melón Pimiento

n RMSE ER (%) d n RMSE ER (%) d

Materia seca (t ha-1) MC-05 9 0.5 16 0.99 7 0.91 22 0.99

MM-05 8 0.4 14 1.00 7 0.50 14 0.99

MM-06 7 0.5 17 0.99 7 0.70 18 0.99

Extracción de N

(kg ha-1)

MC-05 8 15.4 17 0.99 7 19.0 20 0.99

MM-05 8 23.3 26 0.99 7 15.2 14 0.99

MM-06 7 25.1 24 0.99 7 17.3 15 0.99

ETc (mm) MC-05 9 13.3 22 0.98 20 25.8 32 0.95

MM-05 10 7.1 12 1.00 20 21.9 26 0.97

MM-06 15 4.3 7 1.00 29 11.3 9.5 0.99

Drenaje (mm) MC-05 13 8.5 22 0.98 21 12.9 10 0.98

MM-05 13 10.2 61 0.80 23 15.9 27 0.90

MM-06 14 2.7 17 0.99 29 8.0 17 0.96

Lixiviación N-NO3-

(kg ha-1)

MC-05 12 33.5 28 0.92 21 70.0 50 0.76

MM-05 13 36.0 172 0.58 23 33.5 45 0.78

MM-06 15 20.3 165 0.56 29 9.6 14 0.96

RMSE: raíz cuadrada del error medio estándar; ER: % error relativo; d: índice de ajuste; n: número de

observaciones.

El modelo simuló de forma aceptable los valores totales de rendimiento comercial de

fruto en los cultivos de pimiento bajo MC y MM del 2006, y en todos los cultivos de melón. Sin

embargo, en los cultivos de pimiento MC-05 y MM-05, el rendimiento fue sobreestimado un 49%

y 48%, respectivamente (Tabla 6).


101

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

Mat

eria

sec

a (t

ha

-1)

0

2

4

6

8

10

12

14MedidaSimulada

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

Mat

eria

sec

a (t

ha

-1)

0

2

4

6

8

10

12

14MedidaSimulada

a) MC-05 b) MM-05

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

Mat

eria

sec

a (t

ha

-1)

0

2

4

6

8

10

12

14MedidaSimulada

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

N e

xtra

ído

( kg

ha

-1)

0

50

100

150

200

250

300

350

400MedidoSimulado

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

N e

xtra

ído

( kg

ha

-1)

0

50

100

150

200

250

300

350

400MedidoSimulado

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

N e

xtra

ído

( kg

ha

-1)

0

50

100

150

200

250

300

350

400MedidoSimulado

c) MM-06

d) MC-05 e) MM-05 f) MM-06

Figura 4. Evolución estacional de valores medidos y simulados de materia seca y extracción de N en los cultivos de melón y pimiento en las

secuencias de validación MC-05 (a, b), MM-05 (b, e) y MM-06 (c, f). Las barras indican el error estándar de las medias.

Capítulo 3

102

3.2.2. Evapotranspiración, drenaje y lixiviación de nitratos

En general, el modelo presentó un comportamiento aceptable en la simulación de la ETc

en las tres secuencias de validación. El ajuste entre valores medidos y simulados fue muy elevado

en los cultivos de melón de cada secuencia (d= 0.98-1.0) (Fig. 5a, 5b, 5c) y en pimiento MM-06 (d=

0.99) (Fig. 5c, Tabla 7). En los cultivos de pimiento MC-05 (Fig. 5a) y MM-05 (Fig. 5b), se observó

una tendencia a sobreestimar los valores de ETc en los dos últimos tercios del ciclo, con un ER de

32%, y 26%, respectivamente (Tabla 7).

En general, en los tres escenarios de validación (MC-05, MM-05 y MM-06), el modelo fue

capaz de simular el efecto de las prácticas de manejo del riego y abonado N (MC, MM), sobre el

drenaje, lixiviación de N-NO3- y acumulación de N mineral en suelo. El modelo simuló una

reducción apreciable del drenaje y N-NO3- lixiviado, en los cultivos bajo MM en relación a los

cultivos bajo MC (Fig. 5).

En la mayoría de cultivos de las tres secuencias, el ajuste entre valores simulados y

medidos de drenaje, mostró un patrón consecuente con la tendencia del ajuste mostrado en la

simulación de la ETc (Fig. 5). En ambos cultivos de la secuencia MM-06, el modelo simuló

satisfactoriamente los valores de drenaje medidos (Fig. 5f), con un ER muy similar (17%) (Tabla 7).

En los cultivos de melón MC-05 y MM-06 (Fig. 5d y 5f), el modelo fue capaz de simular

aceptablemente los valores de drenaje durante el ciclo, con un ER de 22% y 17%,

respectivamente, mientras que en melón MM-05 el drenaje fue ligeramente sobreestimado (Fig.

5e). En pimiento MC-05 el modelo simuló aceptablemente el drenaje con un ER de 10%, mientras

que en MM-05 el drenaje fue ligeramente subestimado, con un ER de 27% (Tabla 7).

En las tres secuencias de validación, el ajuste entre valores medidos y simulados de N-

NO3- lixiviado, tuvo un comportamiento irregular en ambos cultivos (Fig. 5g, 5h, 5i), con una

mayor tendencia a la subestimación. En los cultivos de melón, el modelo simuló aceptablemente

el N-NO3- lixiviado (d= 0.92) bajo MC-05 (Fig. 5g), sobreestimando apreciablemente en melón

MM-05 (d= 0.58) (Fig. 5h) y MM-06 (d= 0.56) (Fig. 5i, Tabla 7). En pimiento, el modelo subestimó

la lixiviación de N-NO3 en los cultivos MC-05 (ER= 50%) y en MM-05 (ER= 45%), y simuló con

mayor exactitud el N-NO3- lixiviado en MM-06 (ER= 14%) (Tabla 7).


103

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

Eva

potr

ansp

iraci

ón (

mm

)

0

50

100

150

200

250

300MedidaSimulada

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

Eva

potr

ansp

iraci

ón (

mm

)

0

50

100

150

200

250

300MedidaSimulada

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

Eva

potr

ansp

iraci

ón (

mm

)

0

50

100

150

200

250

300MedidaSimulada

a) MC-05 b) MM-05

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

Dre

naje

(m

m)

0

40

80

120

160

200MedidoSimulado

d)

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

Dre

naje

(m

m)

0

40

80

120

160

200MedidoSimulado

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

Dre

naje

(m

m)

0

40

80

120

160

200MedidoSimulado

c) MM-06

d) MC-05 e) MM-05 f) MM-06

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

N-N

O3- li

xivi

ado

(kg

ha-1

)

0

50

100

150

200

250

300

350

400MedidoSimulado

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

N-N

O3- li

xivi

ado

(kg

ha-1

)

0

50

100

150

200

250

300

350

400MedidoSimulado

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

N-N

O3- li

xivi

ado

(kg

ha-1

)

0

50

100

150

200

250

300

350

400MedidoSimulado

g) MC-05 h) MM-05 i) MM-06

Figura 5. Evolución estacional de valores medidos y simulados de evapotranspiración, drenaje y lixiviación de N-NO3

- para los cultivos de melón y

pimiento en las secuencias de validación CM-05 (a, d, g), IM-05 (b, e, h) y IM-06 (c, f, i). Las barras indican el error estándar de las medias.

Capítulo 3

104

Durante los PEC, la evolución estacional de valores medidos y simulados de drenaje,

mostró un mayor desajuste durante la primera parte del PEC de las dos secuencias del 2005; y un

buen ajuste durante todo el PEC en la secuencia MM-06. No obstante, el modelo simuló

aceptablemente el drenaje total acumulado al final de los PEC de las tres secuencias, siendo

notable que los valores medidos y simulados de drenaje total, fueron superiores a los valores

totales obtenidos en ambos cultivos (Fig. 5d, 5e, 5f). Asumiendo el buen ajuste entre valores

simulados y medidos de drenaje total en el PEC, se observó que el modelo EU-Rotate_N fue capaz

de simular el efecto de la combinación de las prácticas de (i) abonado N durante el cultivo

precedente (melón) y (ii) de los riegos de lavado y desinfección en el PEC posterior; sobre el

drenaje y la lixiviación de N-NO3- en dicho PEC. El mayor efecto simulado se observó en el PEC de

las secuencias del 2005 (Fig. 5d, 5e), donde el drenaje total simulado fue un 32% y 70% superior a

los valores simulados en melón MC-05 y MM-05, respectivamente. Bajo un manejo mejorado del

riego y abonado N en MM-06, durante el PEC el modelo simuló una apreciable reducción del

drenaje (138%), comparado con el drenaje simulado en el PEC de la secuencia MC-05 (Fig. 5d, 5f).

A pesar de que el modelo simuló un notable efecto de las prácticas de manejo sobre la

lixiviación de N-NO3- durante el PEC, se observó una tendencia a sobreestimar los valores medidos

en las tres secuencias, con un RMSE máximo de 83 kg ha-1 en MC-05 y mínimo de 27 kg ha-1 en

MM-06 (Tabla 8). Paralelo al comportamiento observado en la simulación del drenaje total

durante los PEC de las tres secuencias, los valores totales simulados de N-NO3- lixiviado fueron

superiores a los valores totales simulados en ambos cultivos (Fig. 5g, 5h, 5i). Por ejemplo, en la

secuencia MC-05, la cantidad de N-NO3- lixiviado en el PEC fue 24% y 60% superior a los valores

simulados en melón y pimiento, respectivamente (Fig. 5g).

Al mismo tiempo, el modelo fue capaz de simular el efecto del MM del riego y el abonado

N sobre el drenaje y la lixiviación de N-NO3- en el PEC, simulando una reducción de 182 kg ha-1 en

la lixiviación de N-NO3- del PEC MM-06, respecto al PEC de la secuencia MC-05 (Fig. 5g, 5i).


105

Tabla 8. Índices estadísticos utilizados para evaluar la capacidad del modelo para simular la

humedad volumétrica y el N mineral en el suelo, desde el trasplante del cultivo de melón hasta el

final del ciclo de pimiento; y el drenaje y lixiviación de N-NO3- durante los periodos entre cultivos

(PEC), en las secuencias MC-05, MM-05 y MC-06.

Parámetro Secuencia n RMSE ER (%) d

Humedad volumétrica de 0-30

cm (cm3 cm-3)

MC-05 7 0.01 3 0.95

MM-05 7 0.02 6 0.97

MM-06 7 0.02 5.5 0.98

Humedad volumétrica de 30-

60 cm (cm3 cm-3)

MC-05 7 0.01 5 0.95

MM-05 7 0.03 14 0.95

MM-06 6 0.01 5 0.98

N mineral de 0-30 cm (kg ha-1) MC-05 6 135.0 44 0.54

MM-05 6 137.3 50 0.59

MM-06 6 53.4 30 0.57

N mineral de 0-60 cm (kg ha-1) MC-05 6 187.0 39 0.40

MM-05 6 168.9 40.5 0.60

MM-06 6 69.9 25 0.58

Drenaje en el PEC (mm) MC-05 8 15.0 40 0.98

MM-05 8 19.7 47 0.97

MM-06 9 3.0 8.6 0.99

Lixiviación de N-NO3- en el PEC

(kg ha-1)

MC-05 8 56 90 0.91

MM-05 8 83.3 147 0.81

MM-06 9 26.6 83 0.72

RMSE: raíz del cuadrado medio del error, ER: % error relativo, d: índice de ajuste y n es el número de

observaciones.

3.2.3. Dinámica del agua y nitrógeno mineral en el suelo

En ambos perfiles de suelo y en todas las secuencias de validación melón-PEC-pimiento,

en general el modelo simuló aceptablemente la dinámica de la humedad volumétrica del suelo

(Fig. 6a, 6b, 6c), con un d entre 0.95 y 0.98. El RMSE máximo obtenido fue 0.03 cm3 cm-3 en el

perfil de 30-60 cm de la secuencia MM-05 (Fig. 6b), mientras que en las demás secuencias en

ambos perfiles el RMSE fue ≤ 0.018 cm3 cm-3 (Tabla 8). La humedad volumétrica en ambos

horizontes, se mantuvo más o menos constante en torno a capacidad de campo (Tabla 2), durante

la mayor parte del periodo de las tres secuencias de cultivos; excepto al inicio de los cultivos de

Capítulo 3

106

melón del 2005, donde disminuye en la primera mitad del ciclo, hasta estabilizarse (Fig. 6a, 6b,

6c).

Respecto al N mineral del suelo, en general, el modelo mostró una tendencia a la

subestimación, con mayor magnitud en las secuencias del 2005 (Fig. 6d, 6e). En el 2005, los

cultivos de melón iniciaron con un elevado contenido de N mineral en ambos perfiles de suelo,

simulando el modelo una reducción apreciable a mediados del ciclo, luego se mantuvo constante,

aun en niveles altos, hasta el final del cultivo. Seguidamente, durante el PEC, el N mineral

simulado disminuyó sustancialmente hasta el inicio del cultivo de pimiento, donde mostró una

tendencia a estabilizarse durante el resto del ciclo del cultivo (Fig. 6d, 6e).

En MM-06, el modelo simuló aceptablemente el efecto de las prácticas de manejo

mejorado (MM) del riego y el abonado N (Fig. 6f), simulando una reducción apreciable en el

contenido de N mineral del suelo y mejorando el ajuste entre valores medidos y simulados,

respecto a los cultivos bajo MC. Los índices estadísticos reflejan el comportamiento descrito

anteriormente. En el perfil 0-30 cm, el RMSE varió desde 54 kg ha-1 en MM-06 hasta 137 kg ha-1

en MM-05; mientras que el perfil de 0-60 cm, el RMSE fluctúo desde 70 kg ha-1 en MM-06 hasta

187 kg ha-1 en MC-05 (Tabla 8).


107

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

N e

n su

elo

(kg

ha-1)

0

150

300

450

600

750


Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

N e

n su

elo

(kg

ha-1)

0

150

300

450

600

750


Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

N e

n su

elo

(kg

ha-1)

0

150

300

450

600

750

900Medido 0-30 cmSimulado 0-30 cmMedido 0-60 cm Simulado 0-60 cm

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300 350 400

Hum

edad

del

sue

lo (

cm3 c

m-3)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7Medido 0-30 cmSimulado 0-30 cmMedido 30-60 cm Simulado 30-60 cm

Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

Hum

edad

del

sue

lo (

cm3 c

m-3)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6


Tiempo (DDT)0 50 100 150 200 250 300

Hum

edad

del

sue

lo (

cm3 c

m-3)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6


a) MC-05 b) MM-05 c) MM-06

d) MC-05 e) MM-05 f) MM-06

Figura 6. Evolución estacional de valores medidos y simulados de humedad volumétrica y N mineral en diferentes perfiles de suelo, en las secuencias

melón-PEC-pimiento bajo (a, d) MC-05, (b, e) MM-05 y (c, f) MM-06. PEC: periodo entre cultivos. Las barras indican el error estándar de las medias.

PEC Melón Pimiento PEC Melón Pimiento PEC Melón Pimiento

Capítulo 3

108

4. Discusión

La mayoría de las investigaciones con EU-Rotate_N, disponibles en la actualidad, han sido

realizadas en rotaciones de cultivos al aire libre, en Alemania y Noruega (Rahn et al., 2007; Ranh

et al., 2010; Nendel et al., 2009; Schmutz, et al., 2008; Rayns et al., 2009), en España (Doltra y

Muñoz, 2010), en Italia (Nendel, et al., 2012); y muy pocas en cultivos en invernadero (Guo et al.,

2010; Sun et al., 2012). Sin embargo, en algunos parámetros el modelo no ha sido calibrado y

validado contrastando los valores simulados con datos experimentales. Lo anterior es razonable,

cuando el modelo se aplica en el contexto regional en que fue creado, puesto que muchos

parámetros de la base de datos del modelo, han sido obtenidos de investigaciones realizadas en

el centro y norte de Europa. Cuando el modelo se aplica en condiciones diferentes a la que fue

creado, para verificar su fiabilidad como herramienta de apoyo a la decisión y de evaluación y/o

investigación de alternativas de manejo del riego y el abonado N, algunos parámetros del modelo

podrían requerir de una calibración previa y validación posterior (Thornley y Johnson, 2005;

Cannavo et al., 2008).

En este estudio, se realizó una simulación previa del modelo utilizando los parámetros

agronómicos de los cultivos de melón y pimiento por defecto (sin calibrar), comparando los

valores simulados con datos experimentales, para determinar los parámetros a calibrar.

Seguidamente el modelo fue calibrado, y validado contrastando rigurosamente con datos

experimentales de cultivos diferentes a los usados en la calibración. En general, en ambos cultivos

de todas las secuencias, una vez calibrado el modelo, fue capaz de simular adecuadamente la

evolución estacional de los valores de MS, extracción de N, ETc, drenaje y humedad del suelo,

mientras que la simulación del N-NO3- lixiviado y el N mineral del suelo, mostraron un

comportamiento más irregular. Estos resultados coinciden con los obtenidos por Nendel et al.,

(2012), en clima mediterráneo en rotaciones de cultivos hortícolas al aire libre, donde el modelo

mostró una tendencia a simular con mayor exactitud las variables de cultivo que las variables de

suelo.

El efecto de la calibración de los parámetros de cultivo que determinan el crecimiento y la

extracción de N, fue diferente entre cultivos de una misma secuencia. En melón, la calibración de

la temperatura base, el tiempo térmico para iniciar el crecimiento radicular y los coeficientes PNIF

y βo de la curva de Ncrit, contribuyeron a una correcta simulación del crecimiento, la extracción de

N y consecuentemente el rendimiento. En el cultivo de melón en invernadero, el patrón de

crecimiento y la extracción de N son afectados por las técnicas de cultivo aplicadas, tales como el

entutorado y las podas de formación. En pimiento, la calibración de la temperatura base y el

tiempo térmico para iniciar de crecimiento radicular, sin modificar los coeficientes PNIF y βo,


109

mostró poco efecto sobre la simulación del crecimiento y extracción de N. Por tanto, los

coeficientes de la curva de Ncrit para el cultivo al aire libre incluidos en la base de datos del

modelo, se adaptaron bien al patrón de crecimiento y extracción de N del cultivo de pimiento en

invernadero.

Los índices estadísticos obtenidos, demostraron un buen comportamiento del modelo en

la simulación de parámetros de cultivo. El d obtenido entre valores de MS simulados y medidos

(d= 0.99) para ambos cultivos en todas las secuencias, estuvo dentro del rango obtenido por Rahn

et al., (2010), en Alemania, y Nendel et al., (2012), en clima mediterráneo, (d= 0.87-0.97) en

rotaciones de cultivo al aire libre. En China, en el cultivo de pepino bajo invernadero, Guo et al.,

(2010), obtuvieron un rango de RMSE (25–40 kg ha-1) entre valores simulados y medidos de

extracción de N, superior al rango de RMSE obtenido en este estudio (15–25 kg ha-1). En China, en

pepino bajo invernadero, Sun et al., (2012), obtuvieron un buen ajuste entre valores simulados y

medidos de MS y de extracción de N, después de calibrar la temperatura base del cultivo, y los

coeficientes de ETc y de Ncrit, lo cual es consistente con los resultados obtenidos en este estudio,

sugiriendo que hay un efecto positivo al calibrar dichos parámetros en el modelo.

En la mayoría de cultivos la bondad de simulación de la MS y extracción de N se reflejó en

la buena simulación del rendimiento comercial de fruto. La subestimación observada en los

cultivos de pimiento del 2005, considerando que no hubo factores de estrés por agua, N y clima,

probablemente está relacionado con la alta incidencia del virus del moteado de las venas del

pimiento (PVMV) durante la etapa productiva del cultivo.

La calibración de los coeficientes de transpiración y evaporación (Kcb, Ke), en general

resultó en un buen ajuste entre valores de ETc simulados y medidos, a pesar de presentar una

ligera subestimación en pimiento MC-05 y MM-05. El acolchado de grava por sus características

físicas no permite el flujo ascendente de agua por difusión hasta la superficie, por lo cual la

evaporación superficial se reduce sustancialmente. Por tanto, al ajustar en el modelo los

componentes de la evaporación (Fω, Ze y REW), de acuerdo a las características del suelo, tipo y

manejo del riego y manejo del cultivo, se consideró el efecto reductor de la evaporación debido al

acolchado de arena.

En los cultivos de pimiento MC-05 y MM-05, se observaron desajustes entre valores

simulados y medidos de ETc (Fig. 5a, 5b), y una ligera sobreestimación del N extraído al final del

ciclo (Fig. 4d, 4e) y del rendimiento fresco medido (Tabla 6). Lo anterior pudo estar relacionado

con la alta incidencia del virus PVMV al final del ciclo de estos cultivos. El modelo EU-Rotate_N,

como ocurre con la gran mayoría de modelos, no contempla la influencia de factores bióticos

como la incidencia de hongos, bacterias y virus en los cultivos, y están diseñados para cultivos

libres de plagas y enfermedades. La clorosis foliar causada por el virus, probablemente afectó la

Capítulo 3

110

capacidad fotosintética y la transpiración del cultivo, lo cual redujo la translocación del N en la

planta y consecuentemente la producción de MS y cantidad de N extraído. Análogamente, la

virosis causó una reducción en el rendimiento en dichos cultivos, siendo sobreestimado por el

modelo.

El comportamiento del modelo para simular la ETc, fue muy preciso en las secuencias de

2006 y menos exacto en las secuencias 2005. En ambos cultivos MC-06 y MM-06 (Fig. 2b, 5c), el

modelo fue capaz de predecir correctamente los valores de ETc medidos, probablemente

favorecido por el hecho de calibrar ambos cultivos en la secuencia MC-06. Las secuencias de

cultivos MC-06 y MM-06 fueron realizadas simultáneamente, siendo sometidas a condiciones

similares de clima, y manejo cultural y fitosanitario. La sobreestimación de los valores de ETc en

los cultivos de pimiento MC-05 y MM-05 (Fig. 5a, 5b), probablemente estuvo relacionada con la

reducción de la transpiración debida al virus PVMV.

El comportamiento del modelo para simular la ETc, se reflejó en la dinámica del agua en el

suelo. El modelo calcula la variación diaria del contenido de humedad del suelo a través del

balance de agua entre entradas (riego) y salidas (ETc, drenaje), determinando así el contenido de

humedad diario a partir del contenido de humedad inicial. Consecuentemente, el buen ajuste

entre valores simulados y medidos de ETc, tuvo un efecto positivo en el ajuste de los

componentes del balance de agua en el suelo (drenaje y humedad).

En general, en todas las secuencias de cultivos, en ambos perfiles de suelo, el modelo

simuló muy bien la dinámica estacional de la humedad volumétrica (Fig. 3b, 6a, 6b, 6c), que se

mantuvo más o menos constante en valores próximos a capacidad de campo (Tabla 3). El máximo

RMSE (0.03 cm3 cm-3) observado en el perfil 30-60 cm, de la secuencia MM-05 (Fig. 6b, Tabla 8),

estuvo relacionado con los desajustes entre valores de ETc medidos y simulados en el cultivo de

pimiento, asociados a los problemas de virosis que afectaron al cultivo. La capacidad del modelo

para simular la humedad del suelo, es consistente con los resultados obtenidos por Ranh et al.,

(2010), Lidón et al., (2011), y Sun et al., (2012), cuando usaron el modelo para simular la humedad

volumétrica del suelo. El rango de valores de RMSE obtenidos para la humedad del suelo en el

perfil de 0-30 cm (0.01–0.02 cm3 cm-3), fue menor que el valor obtenido por Ranh et al., (2010),

(0.07 cm3 cm-3), y Lidón et al., (2011), (0.03-0.06 cm3 cm-3).

En varios estudios, el modelo ha sido usado para evaluar el efecto de las prácticas de

manejo del riego y fertilización N sobre el drenaje y la lixiviación de N-NO3- (Rahn et al., 2007;

Schmutz et al., 2008; Nendel, et al., 2009; Doltra y Muñoz, 2010; Guo et al., 2010; Sun et al.,

2012). Sin embargo, el modelo no ha sido validado contrastando los valores simulados de dichos

parámetros con valores experimentales, lo cual limita la interpretación de los resultados

obtenidos en el contexto de la literatura actual. En el presente estudio, el modelo EU-Rotate_N ha


111

sido validado contrastando los valores de drenaje y N-NO3- lixiviado simulados, con valores

medidos experimentalmente, obtenidos en diferentes años, ciclos de cultivo y prácticas de

manejo del riego y abonado N.

La capacidad del modelo para simular la ETc, se reflejó en la simulación del drenaje. En

general, el rango de valores de RMSE entre valores medidos y simulados de drenaje, pueden

considerarse aceptables, variando desde 3 mm en melón MM-06 hasta 16 mm en MC-05 (Tabla

7). La sobreestimación de la ETc en pimiento MC-05 y MM-05 tuvo como consecuencia indirecta

una subestimación intermedia de los valores de drenaje (Fig. 5d, 5e).

El buen ajuste entre valores simulados y medidos de ETc, se reflejó en la capacidad del

modelo para predecir el drenaje y la humedad volumétrica del suelo, observándose una tendencia

similar en el patrón de simulación de la ETc, el drenaje y el contenido de agua en el suelo. En

ambos cultivos MC-06 y MM-06, una mayor exactitud en la ETc, se reflejó en una mejor simulación

del drenaje, la humedad del suelo y consecuentemente en la lixiviación de N-NO3- y N mineral del

suelo. Por el contrario, la sobreestimación de la ETc en los cultivos de pimiento MC-05 y MM-05,

como consecuencia de la incidencia de virus, afectó el balance de agua en el suelo, reflejándose

en una ligera subestimación del drenaje, y análogamente en una apreciable subestimación del N-

NO3- lixiviado y N mineral en el suelo.

Los valores de RMSE para el N mineral en ambos perfiles de suelo, fueron mayores en las

secuencias de cultivos 2005 que en las de 2006. En el perfil 0-30 cm, el RMSE en las secuencias

MC-06 (46 kg ha-1) y MM-06 (53 kg ha-1), fueron similares al RMSE obtenido por Ranh et al.,

(2010), (63 kg ha-1) al evaluar el funcionamiento del modelo para simular el N mineral del suelo en

cultivos en rotación al aire libre. El RMSE obtenido en el perfil 0-60 cm en la secuencia MC-05

(187 kg ha-1), estuvo dentro del rango de error obtenido por Guo et al., (2010), (100-317 kg ha-1),

al evaluar el modelo en el cultivo de pepino en invernadero bajo condiciones no limitantes de N

mineral en el suelo.

En este estudio, la tendencia a subestimar el N mineral del suelo, probablemente se debe

a un funcionamiento deficiente del modelo en la sub-rutina de mineralización del N orgánico de la

materia orgánica aplicada (MOA) y la materia orgánica del suelo (MOS). Varios autores (Nendel et

al., 2012; Lidón et al., 2011; Olasolo et al., 2011), han obtenido resultados similares, sugiriendo

que en clima mediterráneo, la dinámica de mineralización de la MO sigue un patrón diferente al

establecido en el modelo. Los coeficientes de mineralización del N orgánico, obtenidos para el

clima del norte de Europa, no son extrapolables a las condiciones mediterráneas. Por tanto, el

modelo podría estar subestimando sustancialmente el N mineralizado y consecuentemente el N

mineral en el suelo. De esta forma, una menor [N-NO3-] en el suelo supondría una reducción en la

cantidad de N-NO3- lixiviado, afectando el balance de N mineral en el suelo.

Capítulo 3

112

El funcionamiento deficiente del modelo para simular el N mineral en las secuencias de

2005, aparentemente está relacionado con una subestimación del N mineralizado de la materia

orgánica bajo condiciones de clima mediterráneo (Nendel et al., 2012; Lidón et al., 2011; Olasolo

et al., 2011). Los cultivos del 2005, estuvieron más próximos a las aplicaciones de estiércol (115 t

ha-1) del año 2003. Dependiendo del estado de descomposición y composición del estiércol (puro

o de cama) al momento de aplicarlo, es probable que en años posteriores, exista un excedente de

estiércol sin descomponer que se comporta como materia orgánica aplicada (MOA). Sin embargo,

no es posible incluirla como parte de un abonado orgánico en las entradas del modelo, siendo

considerada indirectamente como dato de entrada en la MOS del horizonte 0-10 cm (Tabla 3). Sin

embargo, la dinámica de mineralización del grupo de MOA en el estiércol es diferente al de la

MOS, tomando en cuenta que las tasas de mineralización, los coeficientes de partición y la

relación C/N son diferentes.

Por otra parte, la subestimación del N mineral del suelo en las secuencias de cultivo del

2005 (Fig. 6d y 6e), pudo estar relacionada con un funcionamiento deficiente del modelo bajo

condiciones de elevados contenidos de N disponible en el suelo. En estudios realizados por Guo et

al., (2010), Doltra y Muñoz, (2010), y Sun et al., (2012), se ha observado que bajo condiciones de

alta disponibilidad de N mineral en el suelo, hay una tendencia a disminuir la capacidad de

EU_Rotate-N para simular el N mineral en el suelo.

En este estudio, al comparar los valores medidos y simulados por el modelo, se observó

que este fue capaz de simular una reducción apreciable de los valores de drenaje y N-NO3-

lixiviado en los cultivos bajo MM, comparados con los cultivos bajo MC del riego y abonado N.

Considerando la secuencia completa (melón-PEC-pimiento), el modelo simuló una reducción de

116 mm de drenaje y 202 kg ha-1 de N-NO3- lixiviado en la secuencia bajo MM-06 (Fig. 5i),

respecto a la secuencia MC-05 (Fig. 5g).

En los PEC de todas las secuencias, partiendo del nivel de N mineral acumulado en el suelo

tras finalizar el cultivo de melón, el modelo simuló una drástica disminución del N mineral desde

el inicio del PEC hasta el trasplante de los cultivos de pimiento (Fig. 3d, 6d, 6e, 6f). Análogamente,

en el PEC el modelo simuló un notable incremento en el drenaje (Fig. 5d, 5e) y en la lixiviación de

N-NO3- (Fig. 5g, 5h), como consecuencia de la práctica de aplicar riegos excesivos de lavado y

desinfección en el PEC. Estos resultados son consistentes con los obtenidos por Thompson et al.,

(2007a), Bonachela et al., (2006), y Granados, (2011), quienes demostraron que la práctica común

de aportar altas cantidades de N durante el ciclo de cultivo y aplicar riegos excesivos de lavado y

desinfección durante el PEC, afectan directamente el contenido de N mineral del suelo y los

volúmenes de drenaje, y consecuentemente la cantidad de nitrato lixiviado.


113

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Capítulo 4

Efecto de niveles crecientes de nitrógeno sobre la productividad y

lixiviación de nitratos en un cultivo de tomate en suelo enarenado bajo

invernadero mediterráneo

Efecto de niveles crecientes de nitrógeno sobre la productividad y lixiviación de nitratos en un cultivo de tomate en suelo enarenado

118

Resumen

En este estudio se evaluó el efecto de niveles crecientes de N disponible en el suelo sobre

la producción de materia seca, índice de área foliar (IAF), rendimiento y calidad del fruto,

extracción de nitrógeno, drenaje, lixiviación de nitratos y contenido de N mineral del suelo, en el

cultivo de tomate bajo invernadero mediterráneo. El estudio se realizó en un ciclo de otoño-

invierno en 2010-11 (OI-2010) y otro de primavera en 2011 (P-2011), en condiciones de N en el

suelo similares a cultivos comerciales, donde es común la aplicación de soluciones nutritivas

estándar en fertiriego, sin considerar el N mineral en el suelo en trasplante procedente de

aplicaciones de estiércol y del N fertilizante aplicado en el cultivo precedente. Se aplicaron cuatro

tratamientos con concentraciones crecientes de N aportadas en fertiriego, siendo 0.65 (N1), 4.4

(N2), 13.5 (N3) y 20.5 mmol L-1 (N4) en OI-2010, y 1.0 (N1), 5.1 (N2), 13.5 (N3) y 22 mmol L-1 (N4) en

P-2011. Para la evaluación, los tratamientos se definieron en función del N disponible para el

cultivo incluyendo (i) el N aplicado como fertilizante, (ii) el N mineral en el suelo en trasplante y

(iii) la mineralización aparente de N de la materia orgánica. En el ensayo OI-2010, no hubo

diferencias significativas entre tratamientos, en producción de MS y extracción de N por

componente, MS total y rendimiento, excepto en el N extraído en frutos donde el tratamiento N1

presentó la menor extracción. El tratamiento N2 a pesar de no presentar diferencias significativas

en rendimiento de frutos, obtuvo un 23% y 10% más de producción comercial y total,

respectivamente, que el promedio del grupo N1-N2-N4, debido a una mayor producción de frutos

calibre M, y menor producción de frutos calibre MM y destrío. En el ensayo P-2011, hubo

diferencias significativas entre tratamientos, en producción de MS y extracción de N por

componente, MS total, rendimiento e IAF. En este cultivo, el tratamiento N1 presentó la menor

producción de MS y extracción de N por componente y total. El tratamiento N2 comparado con

N3 y N4, no presentó diferencias significativas en MS de frutos y MS total; mostrando diferencias

significativas en MS tallos, hojas e IAF. El tratamiento N2 obtuvo la mayor producción de MS en

fruto (1.73 kg) por kg de MS vegetativa, con la menor extracción de N en tallos, hojas y total. A

pesar de que no hubo diferencias significativas en producción comercial entre los tratamientos N2,

N3 y N4, el tratamiento N2 obtuvo un promedio de 10%, 73% y 16% más de frutos comercial,

calibre G y calibre M, respectivamente, respecto al promedio de los tratamientos N3 y N4. La

cantidad de N-NO3- lixiviado y la acumulación de N mineral en el suelo al final de ciclo,

incrementaron con el aumento en la concentración de N aplicado en fertiriego y la cantidad de N

disponible para el cultivo. Este estudio demostró que bajo condiciones de N disponible en el

suelo, similares a las evaluadas, que se suelen presentar en cultivos comerciales bajo invernadero

mediterráneo, se puede reducir la concentración de N en fertiriego sin afectar el rendimiento y

calidad de fruto, mejorando la rentabilidad y reduciendo la contaminación ambiental.

Palabras claves: Tomate, Nitrógeno, Mineralización aparente, Lixiviación, Nitratos, Extracción de N

Capítulo 4

119

1- Introducción

La sobreexplotación y la contaminación por nitratos de los recursos hídricos (Costa et al.,

2002, Almasri, 2007), y el incremento de los costes en fertilizantes en la agricultura, hace cada vez

más necesario el uso eficiente del agua y nutrientes minerales (Doberman, 2007) para asegurar la

sostenibilidad y rentabilidad de las explotaciones agrícolas.

La producción hortícola bajo invernadero del área mediterránea de España, ocupa una

superficie aproximada de 45,562 ha, de las cuales el 60% se ubica en la provincia de Almería,

(Castilla y Hernández, 2005). En el sistema de producción bajo invernadero de Almería, el tomate

es el principal cultivo de importancia económica, representando en la campaña 2009-2010 un

20% de la producción total de hortalizas, con un valor aproximado de 765,229 miles de euros

(Anón., 2009). Los ciclos de cultivo de tomate más habituales son: (i) un ciclo corto de otoño-

invierno, trasplantado entre julio - setiembre y finalizado en febrero y (ii) un ciclo largo desde julio

o setiembre hasta junio (Cadenas et al., 2003). Dicho sistema productivo ha sido relacionado con

la contaminación de recursos hídricos por nitratos (Pulido-Bosch, 2005) habiendo sido el 95% de

la superficie invernada declarada zona vulnerable a la contaminación con nitratos de acuerdo al

decreto 36/2008 de la Junta de Andalucía (Anón., 2008).

La lixiviación de nitratos ocurre bajo aportes excesivos de agua y nitrógeno (Hothmund et

al., 2000), prácticas de manejo muy comunes en el sistema de agricultura intensiva de Almería

donde el manejo del riego y N, en su mayoría se basa en la experiencia siguiendo recetas

estándar, (Fernández et al., 2007; Thompson et al., 2007). Esto conlleva a aplicar cantidades de N

superiores a los requerimientos de los cultivos. En un estudio sobre prácticas de manejo del agua

y del N, en hortalizas bajo invernadero de Almería, Thompson et al., (2007), encontraron que en el

63% de los casos estudiados, la cantidad de N aplicado en el fertiriego excedía 1.5 veces el

requerimiento de los cultivos. Además, el 74% de los agricultores no consideran en la

planificación del abonado, el N aportado mediante el estiércol, a pesar de que en el 98% de los

invernaderos las cantidades aplicadas excedían hasta 18 veces el límite máximo de N de origen

orgánico (170 kg ha-1 año-1) establecido en la legislación de España (Anón., 1996).

La aplicación de cantidades excedentarias de N durante el cultivo, y el exceso de drenaje

asociado a la práctica común de aplicar altos volúmenes de riego durante el pretrasplante,

postrasplante y en el periodo entre cultivos, contribuye sustancialmente a la lixiviación del

nitratos acumulado en el perfil del suelo, tras finalizar el cultivo (Thompson et al., 2007;

Bonachela et al., 2006). Pulido-Bosch, (2005), encontró que una proporción considerable de los

acuíferos superficiales de la zona, presentaron concentraciones de nitratos superiores al límite

establecido (50 mg L-1) por la Unión Europea (Anon., 1998), la cual ha aumentado


120

progresivamente con el tiempo. Estudios realizados en la zona han determinado volúmenes de

drenaje de 50 a 130 mm por ciclo de cultivo en suelo, con concentraciones de nitratos desde 520

hasta 1,000 mgL-1 (Gallardo et al., 2006; Thompson et al., 2006).

Con el objetivo de cumplir con la normativa de la Unión Europea, referente a la protección

de los recursos hídricos (Anon., 1991), es imperante realizar un manejo eficiente del riego y el N.

Para ello se requiere evaluar las prácticas de fertilización nitrogenada para cada región, desde el

punto de vista del cultivo, económico y ambiental. Es importante optimizar la aplicación del N

determinando los requerimientos de N crítico del cultivo por etapas fenológicas, evitando

aplicaciones excesivas y el consumo de lujo del cultivo. El N crítico, definido como la

concentración mínima de N en la cual se obtiene el máximo crecimiento (Greenwood et al., 2001),

ha sido un parámetro muy utilizado para describir la relación entre producción de materia seca y

la dilución en la concentración de N durante el ciclo, en cultivos C3 y C4 (Lemaire y Gastal, 1997) y

tomate al aire libre (Tei et al., 2002), entre otros. No obstante, aún no ha sido determinado para

el cultivo de tomate bajo invernadero.

La eficiencia de los programas de fertilización debe ser evaluada considerando la partición

de materia seca (MS) en los componentes vegetativo (tallos, hojas) y productivo (fruto), y la

eficiencia del uso del N para la producción de fruto (Doberman, 2007). La respuesta en

rendimiento a dosis crecientes de N, permite determinar el nivel de N en el cual se obtiene el

máximo rendimiento y rentabilidad (óptimo económico). El impacto ambiental, puede ser

evaluado con diferentes metodologías, siendo la lixiviación de nitratos por debajo del perfil de

suelo cultivado, uno de los indicadores más comúnmente utilizado.

El objetivo de este estudio fue evaluar el efecto de cuatro niveles crecientes de N aplicado en

fertiriego, sobre la producción de materia seca, rendimiento y calidad del fruto, extracción de

nitrógeno, drenaje, lixiviación de nitratos y contenido de N mineral del suelo. El estudio se realizó

en cultivo de tomate en ciclos de otoño-invierno y de primavera en condiciones de invernadero

en suelo similares a las comerciales, donde es común la aplicación de estiércol y la existencia de N

mineral residual del cultivo precedente en el suelo al comienzo del ciclo. Por ello, se consideró

adicionalmente al N aplicado como fertilizante, el N mineral del suelo en trasplante y el N

mineralizado de la materia orgánica aportada.

Capítulo 4

121


2.1. Sitio experimental

El trabajo experimental se realizó en la estación experimental de la Universidad de

Almería-ANECOOP, ubicada en Retamar, Almería, sureste de España (36° 51’ N, 2° 16’ O y 92 m de

elevación). Se utilizó un invernadero multitúnel (1,412 m2) orientado este-oeste, con un techo

plástico de polietileno de baja densidad. El invernadero disponía de ventilación pasiva compuesta

por ventanas laterales y cenitales con apertura o cierre automatizado. Las ventanas laterales

funcionaban por cortinas enrollables de polietileno, mientras que las cenitales por la apertura de

medio arco de cada capilla. Ambas ventanas estaban protegidas por malla anti-insectos de 20 x

10 hilos cm-2.

El suelo utilizado fue un enarenado típico de la zona (Castilla et al., 2005), construido

artificialmente durante la construcción del invernadero, colocando una capa de 30 cm de suelo

importado (franco) sobre el suelo original (franco-arenoso) de la finca, y una capa superior de 10

cm de grava como acolchado. Antes de colocar el suelo importado, se mezcló una capa de grava

de 5 cm con la capa superficial del suelo original para mejorar la infiltración. Una vez colocado el

suelo importado, se incorporaron 200 m3 ha-1 de estiércol de oveja (63% MS, 1.7% de N y

densidad aparente de 0.7 t m-3) en la capa superior del suelo aportado. En la Tabla 1, se

presentan las características físicas, químicas e hidráulicas del suelo experimental, excluyendo la

capa superior de arena. La granulometría de la grava usada como acolchado fue de 8.9, 62.4 y

28.8% para las fracciones entre 0.05-2 mm, 2-5 mm y > 5 mm, respectivamente.

Tabla 1. Principales propiedades físicas, químicas e hidráulicas del perfil de suelo de 0-60 cm al inicio del estudio.

Parámetro Metodología Profundidad (cm)

0-20 20-40 40-60

Nitrógeno total (%) Kjeldahl 0.12 0.04 0.05

Materia orgánica (%) Walkey-Black 2.98 0.52 0.40

Densidad aparente (kg m-3) USDA, (2004) 1,460 1,670 1,440

Hv a 30 kPa (%) Gravimétrico 25.3 17.1 24.9

pH (suelo:agua= 1:1) USDA (2004) 8.3 8.5 7.8

CE (dS m-1) USDA (2004) 2.72 1.85 11.6

Textura USDA (2004) Franco Franco-

arenoso

Franco-

arenoso.

Hv: humedad volumétrica del suelo, CE: conductividad eléctrica


122

El invernadero disponía de 12 lisímetros de drenaje libre de 4 m de largo, 2 m de ancho y


el lisímetro reproducía las características del perfil de suelo exterior hasta una profundidad de 0.6

m, con una capa de grava colocada en el fondo, sobre la lámina de caucho.

2.2. Experimentos y tratamientos

Durante los años 2010 y 2011, se realizaron dos experimentos en tomate (Solanum

lycopersicum L.) tipo ramo, uno en otoño-invierno (OI-2010) y otro en primavera (P-2011), bajo

cuatro concentraciones crecientes de N en fertiriego (Tabla 2).

Tabla 2. Para cada ensayo y tratamiento, valores totales de volumen de riego y cantidad de N

mineral en el suelo al trasplante, concentración media de N (N-NO3- + N-NH4

+) aplicado, cantidad

de N aplicado en fertiriego, mineralización aparente de N de la materia orgánica del suelo (MAN)

y de nitrógeno disponible para el cultivo (NDC).

Cultivo/

estación

Fechas de

cultivo Tratamiento

Riego

(mm)

N al

trasplante

(kg ha-1)

N

aplicado

(mmol L-1)

N

aplicado

(kg ha-1)

MAN

(kg

ha-1)

NDC

(kg

ha-1)

Otoño-

invierno

2010

(cv.

Razimo)

05/08/2010-

25/01/2011

(175 *DDT)

N1 273 44 0.65 32

140

216

N2 288 64 4.4 167 370

N3 285 28 13.5 491 659

N4 284 114 20.5 731 985

Primavera

2011

(cv.

Ramylle)

14/03/2011-

14/07/2011

(122 DDT)

N1 181 17 1.0 28

133

177

N2 225 14 5.1 150 297

N3 247 13 13.5 427 573

N4 243 66 22.0 676 875

*DDT: días después del trasplante

En la Tabla 3, se presentan para cada cultivo, los valores promedios estacionales de

temperatura, déficit de presión de vapor y humedad relativa (máxima, media y mínima), radiación

solar y evapotranspiración de referencia, de periodos de 24 horas, en el interior del invernadero.

En ambos experimentos, cada tratamiento tenía un sector de riego independiente. Se

utilizó un sistema de riego por goteo superficial con tuberías de polietileno provistas de goteros (3

L h-1) separados cada 0.50 m. Las tuberías se distribuyeron en líneas pareadas espaciadas a 0.80

m, y 1.20 m entre pares de líneas.

Capítulo 4

123

Tabla 3. Para cada experimento, valores promedios estacionales de temperatura del aire y déficit

de presión de vapor (DPV), máxima, mínima y media, radiación solar (RS) y evapotranspiración de

referencia (ETo) de periodos de 24 horas, en el interior del invernadero.

Cultivo Temperatura (ºC) DPV (kPa) RS (MJ m-2 d-1)

Máxima Mínima Promedio Máximo Mínimo Promedio Integral

OI-2010 26.90 14.90 19.80 1.65 0.17 0.91 6.70

P-2011 30.20 16.70 22.60 2.00 0.20 1.09 9.40

En ambos experimentos se utilizaron plántulas de 30 días de edad (3-4 hojas verdaderas),

colocadas a 8 cm de cada gotero y de la línea de goteros, distribuidas en un sistema de hileras

dobles, en dirección paralela y en el área interior adyacente entre líneas pares de goteros. La

densidad de plantación (2 plantas m-2) fue correspondiente a la densidad de goteros.

El manejo agronómico y control fitosanitario en ambos experimentos, fue similar al

utilizado en explotaciones comerciales del sureste (SE) de España. En el ensayo OI-2010, al inicio

se realizó un blanqueo con una suspensión de carbonato de calcio (25% p/v), que fue retirado a

los 30 (DDT); mientras que en P-2011, se realizaron tres blanqueos consecutivos a los 25 DDT

(17% p/v), 50 DDT (12.5% p/v) y 73 DDT (20% p/v), respectivamente. Los cultivos fueron

formados a un tallo por planta, entutorado verticalmente mediante el sistema de gancho y

descuelgue con hilos de nylon. Las plantas fueron despuntadas, una vez formados 11 racimos en

OI-2010 y 8 en P-2011. En ambos experimentos, al inicio de la floración se introdujeron colmenas

de “abejorros” (Bombus terrestris L.) para la polinización.

En ambos experimentos, un día antes del trasplante se aplicó un riego de

humedecimiento entre 3-6 mm, aplicando agua sin nutrientes durante la primera semana y

posteriormente una fertirrigación de mantenimiento hasta a los 25 DDT. La ETc fue calculada con

el software PrHo (Fernández et al., 2001) que calcula la ETc para cultivos de hortalizas de

invernadero en el sudeste de España, utilizando coeficientes de cultivo (Kc) según Orgaz et al,

(2005.), valores de evapotranspiración de referencia (ETo) según Fernández et al., (2010; 2011) y

una base de datos climáticos locales de 23 años (Bonachela et al., 2006). La frecuencia de riego

fue ajustada manteniendo el potencial mátrico del suelo en el rango de -10 y -40 kPa, utilizando

tensiómetros instalados a 8 cm de la planta y a 15 cm de profundidad.

En ambos experimentos, se aplicaron 4 concentraciones crecientes de N en fertiriego,

siendo 0.65 (N1), 4.4 (N2), 13.5 (N3) y 20.5 (N4) mmol L-1 en OI-2010, y 1.0 (N1), 5.1 (N2), 13.5 (N3) y

22 (N4) mmol L-1 en P-2011 (Tabla 2), donde el 95% del N aportado se aplicó como nitrato y el

resto como amonio. Las concentraciones de N se aplicaron en los distintos tratamientos a partir

de soluciones nutritivas inyectadas en el fertiriego, programado con ordenador e introduciendo


124

los porcentajes de inyección fertilizante de acuerdo al pH, CE y concentración de macronutrientes

establecidos en cada etapa de cultivo (Tabla 4). Las concentraciones de macronutrientes en el

agua de riego fueron consideradas en el balance de la soluciones nutritivas, siendo los valores de

pH y CE, 8.0 y 1.35 dS m-1, respectivamente. Las soluciones nutritivas concentradas fueron

distribuidas en 7 tanques de 1,000 L, en el siguiente orden: (1) sulfato potásico y sulfato

magnésico, (2) nitrato cálcico, (3) nitrato potásico, (4) ácido fosfórico, (5) micronutrientes, (6)

fosfato monopotásico, y (7) calcio quelatado.

Tabla 4. Concentración de macronutrientes en solución nutritiva aplicada en el fertiriego por

etapa fenológica, en los cultivos OI-2010 y P-2011.

En cada experimento, el N disponible para el cultivo (NDC) fue calculado como la suma del

N mineral al trasplante (Nt), N aplicado en fertiriego (Nf) y la mineralización aparente de N de la

materia orgánica del suelo (MAN). La MAN fue calculada para cada ensayo, utilizando los datos

experimentales del tratamiento N1, realizando un balance entre aportes y salidas de N en el suelo

(Feller y Fink, 2002). Como aportes de N se incluyeron el Nt más el Nf, mientras que las salidas de

N correspondieron a la suma del N lixiviado (NL), el N extraído por el cultivo (Nex) y el N mineral en

el suelo al finalizar el cultivo (Nr). En el balance de N se asumió que las pérdidas de N en forma

gaseosa fueron despreciables.

MAN= (Nt + Nf) – (Nex + NL+ Nr) (1)

2.3. Parámetros de clima

En ambos experimentos, la temperatura húmeda y seca del aire dentro del invernadero se

midió en continuo con un psicrómetro ventilado (PRIVA Nutricontrol, Veghel, The Netherlands),

cuya altura fue gradualmente ajustada a la del cultivo (2 m). La radiación solar global fue medida

con un piranómetro (modelo SKS 1110, Skye Instruments, Llandrindod Wells, Wales, UK) colocado

a una altura de 2 m. Ambos instrumentos fueron ubicados en la parte central del invernadero,

registrando valores promedio de 30 minutos en un data logger (CR10X, Campbell Scientific Inc.,

Etapa

Cationes (mmol L-1) Aniones (mmol L-1)

Ca++ K+ Mg++ SO4= H2PO4-

Trasplante- semana 4 - 3.5 - 2.0 4.0

Semana 4- 8º ramo 2.0 5.0 1.0 2.0 4.0

8º ramo- último cuajado 3.5 7.0 1.5 2.0 3.0

Ultimo cuajado-final 4.0 6.0 2.0 2.0 1.5

Capítulo 4

125

Utah, EE.UU.). Con los datos de temperatura húmeda y seca se determinaron los valores diarios

máximos, mínimos y promedios de temperatura del aire y déficit de presión de vapor (DPV). Con

los datos de radiación solar se determinó la integral de radiación solar diaria. Para cada cultivo,

los valores promedio estacionales de cada parámetro se presentan en la tabla 3.

2.4. Propiedades físicas, químicas e hidráulicas del suelo

Al inicio del estudio, se determinaron las características físicas, químicas e hidráulicas del

suelo en capas de 20 cm de espesor, hasta una profundidad de 60 cm (Tabla 1). La textura,

conductividad eléctrica (CE), el pH, nitrógeno total y carbono orgánico, fueron determinados por

los métodos de Bouyoucos, pasta saturada, pH en agua 1:1, Kjeldahl y Walkey-Black,

respectivamente, descritos por USDA, (2004). La densidad aparente se determinó extrayendo una

muestra de suelo “in situ” con un anillo de volumen conocido. La muestra de suelo se secó en

una estufa a 105 ºC hasta peso constante y la densidad aparente se calculó como el cociente

entre el peso seco del suelo y el volumen (USDA, 2004). El contenido de humedad volumétrica a

capacidad de campo se determinó siguiendo la metodología propuesta por Romano y Santini,

(2002).

2.5. Contenido de humedad y nitrógeno mineral del suelo

Durante el ciclo de cada cultivo, para cada tratamiento y repetición se determinó el

contenido de N mineral del suelo al inicio y final del ciclo. El suelo fue muestreado en los perfiles

0-20, 20-40 y 40-60 cm, y en tres posiciones respecto al gotero: (1) a 5 cm del gotero y de la línea

de goteros, (2) en un punto intermedio entre dos goteros, dentro de la línea de goteros y (3) en el

centro de la entrecalle, frente al gotero. La muestra obtenida en cada repetición, perfil de suelo y

posición de muestreo, fue tratada como una muestra independiente.

El contenido de N mineral (N-NO3- + N-NH4

+) se determinó en una submuestra de 40 g de

suelo húmedo tras la extracción con 200 ml de KCl 2 M. Las concentraciones de nitrato ([N-NO3-])

y de amonio ([N-NH4+]) se determinaron utilizando un analizador automático de flujo segmentado

(modelo SAN++, Skalar Analytica lBV, Breda, Países Bajos). El nitrato (NO3-) se determinó como

nitrito (NO2-) utilizando el método de Griess-Illosvay (Mulvaney, 1996) después de la reducción de

NO3- a NO2

- utilizando una columna de cadmio (Mulvaney, 1996). El contenido de N mineral para

cada capa de 20 cm, tratamiento y repetición se calculó como: (0,1 x posición 1) + (0,35 x posición

2) + (0,55 x posición 3).


126

2.6. Volúmenes de riego y drenaje, y lixiviación de nitratos

En ambos experimentos, para cada tratamiento, se midieron los volúmenes de riego y

drenaje determinando sus respectivas concentraciones de N (N-NO3- + N-NH4

+). El volumen de

cada riego fue medido utilizando caudalímetros, y una vez por semana se determinó la

concentración de N en la solución nutritiva aplicada en fertiriego, tomando dos submuestras

desde bandejas de 7 L ubicadas en dos goteros diferentes seleccionados al azar.

El volumen de drenaje fue medido desde dos lisímetros por tratamiento, a las 9:00 horas,

24 horas después de cada riego, recogiendo submuestras para determinar la concentración de N.

La [N-NO3-] y [N-NH4

+] fue determinada con un analizador automático de flujo segmentado

descrito en la sección 2.5.

En cada cultivo, la cantidad de N aplicado (kg ha-1) se calculó a partir de los volúmenes de

riego y su respectiva concentración de N, mientras que la cantidad de N lixiviado (kg ha-1) se

calculó a partir de los volúmenes de drenaje, su respectiva concentración de N y el área de los

lisímetros.

2.7. Evapotranspiración

En ambos experimentos se determinó la evapotranspiración del cultivo (ETc) para

periodos semanales, a partir del balance de agua en el suelo.

ETc= (Hvi – Hvf) + R - D (1)

donde (Hvi – Hvf) es la diferencia entre el contenido de humedad volumétrica del suelo (mm) al

inicio (Hvi) y al final (Hvf) del periodo; R y D, son los volúmenes de riego y drenaje (mm) para dicho

período, respectivamente.

El contenido volumétrico de agua en el suelo fue medido semanalmente con un equipo

TDR en cada lisímetro (model MiniTRASE, Soil Moisture Equipment., Santa Barbara, CA, USA). Las

sondas TDR (45 cm) fueron instaladas en tres posiciones diferentes respecto al gotero: (1) a 5 cm

del gotero, (2) un punto intermedio entre líneas pares de goteros y (3) en el centro de la

entrecalle, frente al gotero. El contenido de humedad volumétrica se calculó como: (0,1 x

posición 1) + (0,35 x posición 2) + (0,55 x posición 3).

2.8. Materia seca, producción de frutos y extracción de nitrógeno

Durante el ciclo de cada cultivo, se realizaron siete muestreos periódicos de biomasa

aérea, utilizando dos plantas completas por repetición, en las cuales se determinó el peso fresco

Capítulo 4

127

de hojas, tallos y frutos no cosechados. El porcentaje de materia seca (MS) se determinó en una

submuestra de cada componente, secada a 65 °C en horno de ventilación forzada hasta peso

constante. A partir del peso fresco en cada componente y el %MS respectivo, se obtuvieron los

valores de peso seco total por unidad de superficie. Los muestreos se realizaron los días 1, 22, 43,

69, 102, 132 y 173 DDT en el cultivo OI-2010, y los días 1, 21, 42, 63, 81, 105 y 122 DDT en el

cultivo P-2011. La MS el día del trasplante se determinó en 100 plántulas seleccionadas al azar.

Adicionalmente, para cada cultivo y repetición, se identificó una parcela de 4 m2 (8

plantas), para determinar la MS de podas y MS de frutos cosechados. En los experimentos OI-

2010 y P-2011 se realizaron 14 y 11 podas, y 11 y 4 cosechas, respectivamente. En cada poda se

determinó el peso fresco de hojas y tallos por separado, y en cada cosecha se midió el peso fresco

de frutos. El contenido de MS en podas de hojas y tallos, y en frutos cosechados, se determinó de

igual forma a la descrita para MS aérea de planta completa.

La MS en podas de hojas y tallos, y en frutos cosechados, fue sumada respectivamente, a

la MS de hojas, tallos y frutos no cosechados de planta completa en cada muestreo de biomasa

aérea, obteniendo así el contenido de MS para cada componente. Para cada fecha de muestreo

de biomasa aérea, la MS total correspondió a la suma de MS de tallos, hojas y frutos, incluyendo

la MS en podas y frutos cosechados, determinados previamente.

A partir de los valores de MS en tallos, hojas y frutos se calculó el índice generativo-

vegetativo (IGV), que expresa la relación entre producción de frutos y crecimiento vegetativo.

IGV = ��e��f (6)

donde MSF es el contenido de MS en frutos (kg ha-1) y MSV es el contenido de MS vegetativa

(hojas + tallos) en kg ha-1.

En cada muestreo de biomasa aérea y podas realizadas, se tomaron submuestras de hoja

para determinar el índice de área foliar (IAF), utilizando un medidor de área foliar digital (LI-COR

modelo LI-3100C, Cambridge, United Kingdom). El IAF fue acumulado para cada fecha de

muestreo de biomasa, como la suma del IAF en podas más IAF en planta completa.

La extracción de N se determinó en las submuestras de MS de tallos, hojas y frutos no

cosechados de plantas completas; MS de podas de hojas y tallos; y MS de frutos cosechados. Una

vez secadas y pesadas, las submuestras se molieron por separado y secuencialmente con un

molino de cuchillas (modelo SM100 Confort, Retsch, Haan, Alemania) y un molino de bolas

(modelo MM200, Retsch, Haan, Alemania). La concentración de N se determinó utilizando un

sistema de análisis elemental tipo Dumas (modelo 3000 EA, SpA EUROVECTOR, Milán, Italia).

La cantidad de N extraído (kg ha-1) en tallo, hoja y frutos de planta completa; en hojas y

tallos de podas; y en frutos cosechados, fue calculada a partir de sus respectivos contenidos de


128

MS (kg ha-1) y concentraciones de N (%). El N extraído en hojas y tallos de podas, y en frutos

cosechados, determinados previamente, fue sumado respectivamente, al N extraído en hojas,

tallos y frutos de planta completa, obteniendo así el N extraído por componente. La extracción

total de N (kg ha-1) fue calculada para cada fecha de muestreo de biomasa aérea, como la suma de

N en tallos, N en hojas y N en frutos, incluyendo el N extraído en podas y frutos cosechados

determinados previamente.

2.9. Determinación de nitrógeno crítico

La concentración de N crítico (Ncrit) fue obtenida siguiendo el procedimiento descrito por

Tei et al., (2002). En cada tratamiento de ambos experimentos, para cada fecha de muestreo de

MS, se determinó la concentración mínima de N (%) en la cual se obtuvo la máxima producción de

MS (t ha-1). Los valores de MS < 1 t ha-1 no se consideraron debido a la gran variabilidad de la

concentración de N en tejidos vegetales durante el desarrollo inicial del cultivo (Greenwood et al.,

1990). Relacionando la concentración de Ncrit con la MS, se obtuvo la ecuación potencial del

modelo ajustado para el cálculo de Ncrit.

%N= aMS-b (9)

Donde a representa la concentración de N (%) cuando la MS es ≥ 1 t ha-1, y b es la pendiente de

dicha relación. Una vez determinada la curva de Ncrít, se calculó en cada ensayo, para cada fecha

de muestreo la cantidad de Ncrit (kg ha-1) extraído adaptado la ecuación (9) según Tei et al., (2002).

Para cada tratamiento y fecha de muestreo, se determinó el consumo de lujo según Rahn

et al., (2010), como el cociente entre la concentración máxima de N en planta y el Ncrit,

correspondiente a dicha fecha.

2.10. Producción y calidad de frutos

En los experimentos OI-2010 y P-2011, en cada cosecha se determinó el peso fresco de

fruto comercial y destrío. Los frutos comerciales fueron clasificados en categorías M, MM y G,

con un diámetro ecuatorial de 45–57, 57–67 y 67-82 mm, respectivamente, de acuerdo al

Reglamento (CE) Nº 790/2000 (Anón., 2000). Además, se cuantificó el número total de frutos por

categoría, y se calculó el peso medio de fruto y el número de frutos por m-2.

En ambos experimentos se realizaron 4 muestreos de frutos en los cuales se determinó la

firmeza, el pH, grados brix y porcentaje de MS. Para cada parámetro se muestrearon seis frutos

por repetición, de similar grado de madurez y sanidad. En firmeza se midió la resistencia de la

pulpa en tres puntos diferentes de cada fruto, utilizando un penetrómetro digital con vástago de 8

Capítulo 4

129

mm, (Agro Technologie modelo PENEFEL DFT 14, Forges Les Eaux, Francia). El pH fue medido en

el extracto de cada fruto macerado, utilizando un pHmetro digital (modelo Crison PH-25,

Barcelona, España). Los grados brix se midieron en el extracto de fruto macerado con un

refractómetro digital (modelo ATAGO Pocket Refractometer PAL-1, Tokyo, Japan), y la MS de

fruto se determinó según metodología descrita en la sección 2.8 utilizada para MS en planta.

2.11. Diseño experimental y análisis estadístico

En ambos experimentos, se utilizó un diseño de bloques completos al azar con cuatro

repeticiones. Cada parcela experimental medía 6 m x 6 m, estaba formada por 72 plantas

distribuidas en 6 hileras con 12 plantas cada una. Las hileras laterales y plantas ubicadas al final

de cada hilera se utilizaron como borde. Cada tratamiento de N dispuso de 2 lisímetros de

drenaje libre. Los datos experimentales fueron sometidos a un análisis de varianza, verificando su

normalidad y supuesto de igualdad de varianzas (homocedasticidad). Si el estadístico F del

ANOVA fue significativo (P<0.05), se realizó la comparación múltiple de medias según el

procedimiento de diferencia mínima significativa (LSD) de Fisher (P<0.05). Todos los

procedimientos estadísticos fueron realizados con el programa estadístico Statgraphics Centurión

XV.


130

3. Resultados

3.1. Crecimiento del cultivo

En la Figura 1 se presenta la evolución estacional de valores acumulados de MS (Fig. 1a, 1b) e

índice de área foliar (IAF) (Fig. 1c. 1d), por tratamiento y experimento. En el ensayo OI-2010, no

se presentaron diferencias significativas (P>0.05) entre tratamientos, en los valores acumulados

de MS e índice de área foliar (IAF), durante el ciclo de cultivo (Fig. 1a, 1c).

Días después del trasplante0 20 40 60 80 100 120 140

Índi

ce a

rea

folia

r (m

2 m-2

)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

N1N2N3N4

Días despues del trasplante0 20 40 60 80 100 120 140

Mat

eria

sec

a (t

ha

-1)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

N1N2N3N4

Días despues del trasplante0 40 80 120 160 200

Mat

eria

sec

a (t

ha

-1)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

N1N2N3N4

a) OI-2010 b) P-2011

Días después del trasplante0 40 80 120 160 200

Índi

ce a

rea

folia

r (m

2 m-2

)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

N1N2N3N4

c) OI-2010 d) P-2011

ds

ds

ds

ds

ds ds ds ds

Figura 1. Evolución estacional de valores acumulados de materia seca (MS) e índice de área foliar

(IAF) por tratamiento y experimento, (a) MS en OI-2010, (b) MS en P-2011, (c) IAF en OI-2010 y (c)

IAF en P-2011. Las siglas ds indican diferencias significativas (P<0.05) entre medias de

tratamientos, según el procedimiento de diferencia mínima significativa (LSD) de Fisher.

Capítulo 4

131

Aunque no se presentaron diferencias significativas (P>0.05) en la producción de MS e IAF

total al final del ciclo entre tratamientos, el tratamiento N4 mostró un IAF final 16%, 11% y 9%

más alto que los tratamientos N1, N2 y N3, respectivamente, (Tabla 5, Fig. 1c). Respecto a la

partición de MS por componente, en OI-2010 no se observaron diferencias significativas (P>0.05)

entre tratamientos en la cantidad total de MS en tallos, hojas y frutos (Tabla 5). No obstante, el

N1 produjo menos MS de frutos y consecuentemente menos MS total que el resto de

tratamientos. Los tratamientos N2, N3 y N4 produjeron un promedio de 9% más de MS en frutos y

consecuentemente un 10% más de MS total que el N1 (Tabla 5).

Tabla 5. Producción de materia seca en tallos, hojas, frutos y total, índice generativo vegetativo

(IGV) e índice de área foliar (IAF), para cada tratamiento de los experimentos OI-2010 y P-2011.

Nivel

de N

OI-2010 P-2011

Tallo

t ha-1

Hoja

t ha-1

Fruto

t ha-1

Total

t ha-1

IAF

m-2

m-2

IGV

kg kg-1

Tallo

t ha-1

Hoja

t ha-1

Fruto

t ha-1

Total

t ha-1

IAF

m-2

m-2

IGV

kg kg-1

N1 1.82 2.84 7.11 11.7 6.07 1.53 1.27a 2.17a 5.09a 8.52a 3.66a 1.48

N2 1.99 3.24 8.04 13.2 6.42 1.54 1.59b 2.51a 7.09b 11.2b 4.54a 1.73

N3 2.00 3.36 7.48 12.8 6.56 1.40 1.84c 3.17b 6.68b 11.7b 6.32b 1.33

N4 1.96 3.29 8.00 13.2 7.17 1.52 1.75c 3.22b 6.80b 11.8b 6.12b 1.37

Letras diferentes indican diferencias significativas (P<0.05) entre medias según el procedimiento de

diferencia mínima significativa (LSD) de Fisher.

En el ensayo P-2011, a partir de 63 DDT se presentaron diferencias significativas (P<0.05) en

crecimiento (MS, IAF) entre tratamientos (Fig. 1b, 1d). El tratamiento N1 presentó la menor

producción de MS acumulada en las diferentes fechas de muestreo, no habiendo diferencias

significativas (P>0.05) entre N2, N3 y N4. Al final del ciclo, el tratamiento N1 presentó un 26%

menos de MS total que el promedio de los tratamientos N2, N3 y N4 (Tabla 5).

A partir de 63 DDT, los tratamientos N3 y N4 presentaron valores más altos de IAF,

presentando diferencias estadísticamente significativas (P<0.05) con los tratamientos N1 y N2, sin

diferencias estadísticas (P>0.05) entre estos últimos. Al final del ciclo, los tratamientos N3 y N4

presentaron un promedio de 41% y 27% más de IAF final que los tratamientos N1 y N2,

respectivamente (Tabla 5).

Respecto a la partición de MS por componente, en P-2011, se presentaron diferencias

significativas (P<0.05) entre tratamientos en la cantidad de MS en tallos, hojas y frutos (Tabla 5).

El tratamiento N1 presentó la menor producción de MS por componentes, con un 27% menos de

MS vegetativa (MS tallo + MS hoja) y un 26% menos de MS en frutos, que los promedios de los

tratamientos N2, N3 y N4 (Tabla 5). Por otra parte, el tratamiento N2 no mostró diferencias

significativas (P>0.05) en producción de MS en frutos con N3 y N4; sin embargo, los tratamientos


132

N3 y N4 mostraron mayor crecimiento vegetativo que N2, lo cual se vió reflejado en mayor

cantidad de MS en tallos y hojas y mayor IAF. Los tratamientos N3 y N4 presentaron un promedio

de 18% más de MS vegetativa que el N2 (Tabla 5). Análogamente, el tratamiento N2 presentó un

mejor equilibrio entre crecimiento vegetativo y producción de frutos que los demás tratamientos,

obteniendo mayor producción de MS en fruto por kg de MS vegetativa (IGV= 1.73 kg kg-1) (Tabla

5). El tratamiento N2 presentó un 29%, 7% y 5% más de MS en frutos que N1, N3 y N4,

respectivamente (Tabla 5).

3.2. Extracción de nitrógeno

En la Figura 2 se presenta la curva de dilución del %N crítico (Ncrit) obtenida durante el

ciclo de los experimentos OI-2010 (Fig. 2a) y P-2011 (Fig. 2b), comparadas con las curvas de Ncrit

para tomate al aire libre (Tei et al., 2002) y plantas C3 (Lemaire et al., 1997). En OI-2010, la

ecuación obtenida fue 3.12*DW-0.156 (R2= 0.95), observándose que al inicio del cultivo el %Ncrit es

inferior a las curvas de referencia, igualándose cuando la MS del cultivo alcanza

aproximadamente 4 t ha-1 (Fig. 2a). En P-2011, la ecuación obtenida fue 4.25DW-0.228 (R2= 0.93),

siendo similar a las curvas de referencia para tomate y plantas C3. Las concentraciones de Ncrit en

el ensayo P-2011, fueron superiores a las obtenidas en el experimento OI-2010. En OI-2010, la

concentración de Ncrit disminuyó desde 2.9% al inicio del cultivo (1 t MS ha-1) hasta 2% al final de

la cosecha (Fig. 2a), mientras que en P-2011, el Ncrit varió desde 3.8% al inicio del cultivo hasta

2.5% al final de la cosecha (Fig. 2b).

La Fig. 2 muestra las curvas de extracción de N en todos los tratamientos de los

experimentos OI-2010 (Fig. 2c) y P-2011 (Fig. 2d). En general, la tendencia en la extracción de N

durante el ciclo de los cultivos mantuvo un patrón similar al crecimiento observado (MS, IAF),

mostrando un apreciable incremento en la extracción de N a partir de los 20 DDT.

En el ensayo OI-2010, la cantidad de N total extraído fluctuó de 209 kg ha-1 en N1 hasta

304 kg ha-1 en N4, con una ligera tendencia a incrementar conforme aumentó el NDC. A pesar de

que no hubo diferencias significativas (P>0.05) entre tratamientos, el tratamiento N2 extrajo un

10% menos de N total que el promedio extraído por N3-N4 (Tabla 6). Respecto a la partición de N

por componente de MS, no hubo diferencias estadísticamente significativas (P>0.05) entre

tratamientos, en la cantidad de N extraído en MS vegetativa (tallos + hojas). Sin embargó, se

observó que los tratamientos N3 y N4 absorbieron un promedio de 13% más de N para crecimiento

vegetativo que N2, mientras que N2 extrajo un 23% más de N en MS vegetativa que N1. Los

tratamientos N3 y N4, mostraron un consumo de lujo de N promedio de 10% a partir de 102 DDT

(Fig. 2c). El tratamiento N1 presentó la menor extracción de N en fruto, presentando diferencias

Capítulo 4

133

significativas (P<0.05) con N2, N3 y N4, y sin diferencias significativas entre estos últimos. La

cantidad de N extraído en frutos, representó un 48%, 47%, 44% y 45% del N total extraído en N1,

N2, N3 y N4, respectivamente (Tabla 6).

Días después del trasplante0 20 40 60 80 100 120 140

N e

xtra

ído

(kg

ha-1

)

0

50

100

150

200

250

300

350N1N2N3N4Ncrit-2011

Materia seca (t ha -1)0 2 4 6 8 10 12 14

Con

cent

raci

ón d

e N

(%

)0

1

2

3

4

5

6Ncrit experimental

Tei et al., (2002)Lemaire et al., (1997)Curva de Ncrit 2011

Materia seca (t ha -1)0 2 4 6 8 10 12 14

Con

cent

raci

ón d

e N

(%

)

0

1

2

3

4

5

6Ncrit experimental

Tei et al., (2002)Lemaire et al., (1997)Curva de Ncrit 2010

a) OI-2010 b) P-2011

Días después del trasplante0 40 80 120 160 200

N e

xtra

ído

(kg

ha-1

)

0

50

100

150

200

250

300

350N1N2N3N4Ncrit-2010

c) OI-2010 d) P-2011 ds

ds

ds

ds

Figura 2. Curvas de dilución de N crítico para el cultivo de tomate (a) OI-2010 y (b) P-2011,

comparadas con las curvas de N crítico de Tei et al., (2010) y Lemaire et al., (1997); y evolución

estacional de valores promedios de extracción de N acumulado en (a) OI-2010 y (b) P-2011, donde

las líneas de puntos corresponden a las curvas de extracción de N crítico obtenidas en cada

experimento. Las siglas ds indican diferencias estadísticamente significativas entre tratamientos,

según el procedimiento de diferencia mínima significativa (LSD) de Fisher.

En P-2011, se observó una tendencia a incrementar la extracción de N conforme aumentó

la cantidad de NDC. Aproximadamente a partir de 63 DDT se observaron diferencias significativas

(P<0.05) entre tratamientos, en la extracción de N acumulado en las diferentes fechas de

muestreo (Fig. 2b). La extracción total de N se incrementó desde 159 kg ha-1 en N1 hasta 304 kg


134

ha-1 en N4, presentado diferencias estadísticas (P<0.05) entre N2 y los demás tratamientos. El

tratamiento N2 extrajo 29% más de N que N1, y 23% y 27% menos que N3 y N4, respectivamente.

Tabla 6. Extracción de nitrógeno en tallos, hojas, frutos y total por tratamiento y experimentos

OI-2010 y P-2011.

Nivel

de N

Cultivo OI-2010 (kg ha-1)

Cultivo P-2011 (kg ha-1)

N tallos N hojas N frutos N total

N tallos N hojas N frutos N total

N1 29.02 79.75 100.61a 209.38

16.22a 49.73a 93.68a 159.63a

N2 37.97 103.27 127.53b 268.77

25.78b 70.64b 127.00b 223.42b

N3 42.20 115.92 127.04b 285.17

36.81c 117.35c 134.69b 288.85c

N4 44.68 121.43 137.69b 303.80

40.87c 116.14c 146.07b 303.09c



Respecto a la cantidad de N extraído en tallos, hojas y frutos en P-2011, el tratamiento N1

presentó diferencias significativas (P<0.05) con el resto de tratamientos, mientras que el

tratamiento N2, fue estadísticamente diferente (P<0.05) de N1, N3 y N4, y sin diferencias

estadísticas (P>0.05) entre N3 y N4 (Tabla 6). Para crecimiento vegetativo (tallos + hojas), el

tratamiento N2 extrajo un 32% más de nitrógeno que el N1 y un 38% menos que el promedio

extraído por N3 y N4. El grupo N3-N4 absorbió un promedio de 60 kg ha-1 más de nitrógeno para el

crecimiento vegetativo que el N2.

Respecto al N extraído en frutos, el tratamiento N1 fue estadísticamente diferente

(P<0.05) de los demás tratamientos, extrayendo un 31% menos de N que el promedio del grupo

N2, N3 y N4, sin diferencias significativas (P>0.05) entre estos últimos. El tratamiento N2 extrajo un

10% menos de nitrógeno que el promedio de N3 y N4 y 26% más que N1 (Tabla 6). A diferencia del

ensayo OI-2010, una mayor proporción del N total fue utilizado para la producción de frutos,

representando un 59, 57, 47 y 48% del N total extraído en N1, N2, N3 y N4, respectivamente.

En las Fig. 2c y 2d se presenta la curva de extracción de Ncrit (kg ha-1) obtenida (línea de

puntos), para los experimentos OI-2010 (31.2DW1-0.156) y P-2011 (42,5DW1-0.228), comparada con

los valores estacionales de extracción de N en cada tratamiento y experimento. En el

experimento OI-2010, a partir de 102 DDT los valores de Ncrit extraído fueron ligeramente

inferiores a los valores de extracción de los tratamientos N3 y N4, y similares a N2 y superiores a

N1.

En P-2011, a partir de 68 DDT, los valores estacionales de Ncrit extraído fueron inferiores a

la extracción de N en el tratamiento N4, similares en el tratamiento N3 y superiores en los

Capítulo 4

135

tratamientos N1 y N2. En ambos ensayos, los tratamientos N4 mostraron un consumo de lujo de N

promedio de 10% respecto al Ncrit (Fig. 2c, 2d).

3.3. Relación entre extracción de nitrógeno y nitrógeno disponible para el cultivo

En este estudio, la cantidad de mineralización aparente de N de la materia orgánica del

suelo (MAN) se obtuvo por el método del balance de N (sección 2.2 cap. 2) a partir del

tratamiento deficitario en N (N1), siendo los valores de MAN obtenidos, de 140 kg ha-1 en el

experimento OI-2010 y 133 kg ha-1 en P-2011. En todos los tratamientos no hubo condiciones

limitantes de N, con valores de NDC (N mineral al trasplante + N fertiriego + MAN) similares a las

salidas de N (N extraído + N lixiviado + N mineral residual) en los tratamientos N1 y superiores en

el resto de tratamientos (Tabla 2).

La Fig. 3a muestra la relación entre N extraído y NDC, para los ensayos OI-2010 y P-2011. En

ambos ensayos, la extracción de N incrementa conforme aumenta el NDC hasta alcanzar un valor

máximo, a partir del cual la extracción de N se mantiene constante. La tendencia de las curvas de

regresión obtenidas en OI-2010 (R2= 0.92) y P-2011 (R2= 0.99) fueron muy similares, mostrando

ser adecuadas para estimar la extracción de N en función del NDC (Fig. 3a). En OI-2010, la

máxima extracción de N estimada (302 kg ha-1) ocurrió cuando el NDC alcanza un valor de 870 kg

ha-1, mientras que en P-2011, la máxima extracción de N estimada (305 kg ha-1) ocurrió cuando el

NDC alcanza un valor umbral de 770 kg ha-1.

N extraído por el cultivo (kg ha -1)100 150 200 250 300 350

Ren

dim

ient

o (t

ha

-1)

0

20

40

60

80

100

120

140TotalComercial

N disponible para el cultivo (kg ha -1)0 150 300 450 600 750 900 1050

N e

xtra

ído

(kg

ha-1)

0

50

100

150

200

250

300

350OI-2010P-2011

a) c) P-2011

N disponible para el cultivo (kg ha -1)150 300 450 600 750 900 1050 1200

Ren

dim

ient

o (t

ha

-1)

0

20

40

60

80

100

120

140TotalComercial

OI-2010=150.3+0.35x - 0.0002x2 (R2 = 0.92)

P-2011= 62.5+0.65x -0.0004x2 (R2 =0.99) Comercial=102.3-1.57x -0.0032x2 (R2=0.99)

Total=109.8-1.81x - 0.0036x2 (R2 = 0.99)Total = 55.06+0.11x -1E-04x2 (R² = 0.44)

Comercial=69.13+0.16x-0.0001x2 (R² =0.61)

b) P-2011

Figura 3. Relación entre (a) N extraído y N disponible para el cultivo en los ensayos OI-2010 y P-

2011; y la relación entre rendimiento (total y comercial) del ensayo P-2011 con (b) el N disponible

para el cultivo y (c) el N extraído. Los marcadores representan valores promedios de rendimiento

para cada tratamiento. Las líneas continuas y de puntos corresponden a las líneas de regresión

polinomial.


136

3.4. Rendimiento

La Tabla 7 muestra la producción de frutos por categorías, comercial, destrío y total para

cada tratamiento y experimento. En OI-2010, en producción comercial y total, a pesar de que el

nivel de significancia estadístico obtenido (P= 0.0507) no muestra diferencias significativas

(P>0.05) entre tratamientos, el tratamiento N2 obtuvo mayor producción comercial y total, con

diferencias significativas (P<0.05) en la producción de frutos de categoría M y MM, respecto a los

demás tratamientos. El tratamiento N2, obtuvo un 23%, 10% y 9% más de producción de frutos

M, comercial y total, respectivamente, un 35% menos de destrío y 24% menos de frutos MM,

comparado con los valores promedios del grupo N1-N2-N4.

Tabla 7. Valores promedios de producción de fruto por categorías (G, M, MM), destrío (D),

producción comercial (PC) y total (PT) para cada tratamiento y experimentos OI-2010 y P-2011.

Nivel

de N

Cultivo OI-2010 (t ha-1)

Cultivo O-2011 (t ha-1)

G M MM PC D PT

G M MM PC D PT

N1 0.1 62.2a 29.1ab 91.4 3.1 94.5

3.4ab 38.6 24.3 66.3a 0.8 87.71a

N2 0.0 79.5b 23.0a 102.5 1.7 104.3

4.9a 61.2 22.2 88.4b 0.4 116.1b

N3 0.3 61.4a 27.9ab 89.6 2.3 91.9

1.4b 52.6 26.9 80.9b 0.7 112.2b

N4 0.0 61.3a 33.5b 94.8 2.5 97.3

1.2b 50.3 27.2 78.7ab 0.7 110.2b

Categorías según diámetro ecuatorial: calibre G: 67-82 mm, M: 57–67 mm y MM: 45–57 mm. Letras

diferentes indican diferencias significativas (P<0.05) entre medias según el procedimiento de diferencia

mínima significativa (LSD) de Fisher.

En el ensayo P-2011, el tratamiento N1 obtuvo la menor producción comercial y total,

presentando diferencias significativas (P<0.05) con el resto de tratamientos. A pesar de que no

hubo diferencias significativas (P>0.05) en producción comercial, entre los tratamientos N2, N3 y

N4, el tratamiento N2 obtuvo un 10% y 11% más de producción comercial que los tratamientos N3

y N4, respectivamente. Además, el tratamiento N2 produjo un 73% más de frutos calibre G, 16%

más de frutos calibre M, y un 18% menos de frutos calibre MM que el promedio de los

tratamientos N3 y N4 (Tabla 7).

3.5. Rendimiento, nitrógeno disponible para el cultivo y extracción de nitrógeno

En el ensayo OI-2010, no hubo una relación estadísticamente significativa (P>0.05) entre

el rendimiento (total y comercial) con el NDC y el N extraído, siendo los coeficientes de

determinación muy bajos (datos no mostrados). Por tal razón, los modelos de regresión

Capítulo 4

137

obtenidos en OI-2010, no fueron adecuados para predecir la respuesta en rendimiento en función

del N extraído y el NDC.

En el experimento P-2011, la relación entre rendimiento (total y comercial) y NDC, no fue

estadísticamente significativa (P>0.05), existiendo una falta de ajuste del modelo de regresión

obtenido (Fig. 3b). Por el contrario, la relación entre rendimiento (total y comercial) y N extraído

(Fig. 3c), fueron estadísticamente significativas (P<0.05) en P-2011, donde los modelos de

regresión obtenidos, con un R2= 0.99 en ambos casos, mostraron ser útiles para predecir la

producción total y comercial en función del N extraído. Los máximos rendimientos estimados,

comercial (91 t ha-1) y total (118 t ha-1), se obtuvieron a una extracción máxima de 252 kg N ha-1 y

245 kg N ha-1, respectivamente. En la Fig. 3c, se observa que el rendimiento total y comercial

incrementó progresivamente conforme aumentó la extracción de N, hasta alcanzar un valor

máximo a partir del cual la producción disminuyó. Las diferencias observadas entre las curvas de

rendimiento total y comercial, se debió a que todos los frutos inmaduros obtenidos en la cosecha

final fueron incluidos en la producción total.

3.6. Calidad de fruto

En general, en ambos experimentos no se observaron diferencias significativas (P>0.05)

en la mayoría de parámetros de calidad evaluados, excepto en la firmeza de fruto del tratamiento

N1 del ensayo OI-2010, y en el peso medio de frutos del tratamiento N1 de P-2011 (Tabla 8). No

obstante, el número total de frutos por m2 y el peso medio de frutos fue ligeramente superior en

los tratamientos N2 de ambos experimentos.

Tabla 8. Parámetros de calidad en frutos, incluyendo número total de frutos por m2 (Nº F), peso

medio de fruto (PMF), materia seca (MS), firmeza, grados brix y pH, para cada tratamiento y

experimentos OI-2010 y P-2011.

Nivel

de N

OI-2010

P-2011

Nº F PMF

(g)

MS

(%)

Dureza

(kg cm-2) Brix pH

Nº

FT

PMF

(g)

MS

(%)

Dureza

(kg cm-2) ºBrix pH

N1 143 91.4 6.1 8.2a 4.3 4.5

267 79.1a 6.7 4.8 4.6 4.5

N2 157 94.2 6 7.7b 4.4 4.6

324 90.9b 6.1 4.4 4.3 4.6

N3 152 91.9 6 7.6b 4.4 4.6

311 88.9b 6 4.5 4.8 4.7

N4 151 91.2 6.2 7.6b 4.4 4.6 303 88.4b 6.2 4.7 4.8 4.6




138

3.7. Drenaje, lixiviación de nitratos y nitrógeno mineral en el suelo

En la Figura 4, se presenta para cada tratamiento y experimento, los valores promedios

del volumen total de riego, ETc y drenaje (4a, 4d), concentración de N en el fertiriego y en el

drenaje (4b, 4e) y cantidad de NDC, N aplicado en fertiriego, N mineral residual y N-NO3- lixiviado

(4c, 4f). En ambos experimentos se observó que el manejo prescriptivo-correctivo aplicado al

riego (sección 2.2 cap. 2) optimizó el uso del agua, siendo el volumen de riego aplicado muy

similar a la ETc, en todos los tratamientos (Fig. 4a, 4d). Por tanto, los porcentajes de drenaje

obtenidos, desde 10% en N1 de OI-2010 hasta 26% en N1 de P-2011, estuvieron dentro de los

rangos normales para el nivel de salinidad del agua de riego utilizada en este estudio (Fig. 4a, 4d).

Considerando que el volumen de riego aplicado determina los volúmenes de drenaje y este a su

vez la cantidad de N-NO3- lixiviado, en este estudio el riego tuvo poca influencia sobre la lixiviación

de N-NO3-.

En ambos experimentos, la concentración de N en drenaje incrementó conforme

aumentó la concentración de N en fertiriego (Fig. 4b, 4e), y de forma análoga incrementó la

cantidad de N-NO3- lixiviado (Fig. 2c, 2f). En OI-2010, la concentración de N en drenaje incrementó

desde 0.9 mmol L-1 en N1 hasta 8.4 mmol L-1 en N4 (Fig. 4b), incrementando consecuentemente la

cantidad de N-NO3- lixiviado desde 3.5 hasta 40 kg ha-1 (Fig. 4c).

En P-2011, la ETc incrementó con el nivel de NDC, manteniéndose constante a partir de N3

(Fig. 4d), análogamente el volumen de drenaje disminuyó desde 47 mm en N1 a 38 mm en N4. Sin

embargo, un incremento en la concentración de N en drenaje, desde 0.24 mmol L-1 en N1 hasta

6.63 mmol L-1 en N4 (Fig. 4e), tuvo como consecuencia un aumento en la cantidad de N-NO3-

lixiviado (Fig. 4f). En los tratamientos N1 y N2 de 2011, a pesar de presentar volúmenes de drenaje

ligeramente más altos (Fig. 4d), las concentraciones de N en drenaje fueron muy bajas, y

consecuentemente las cantidades de N-NO3- lixiviado fueron menores (Fig. 4f).

En ambos experimentos, las cantidades de N mineral acumulado en el suelo al final del

ciclo (N residual), estuvieron relacionadas con la cantidad de N aplicado en fertiriego y con el nivel

de NDC, mostrando valores bajos en los tratamientos N1 y N2, y notoriamente más altos en los

tratamientos N3 y N4 (Fig. 4c, 4f).

En OI-2010, los contenidos de N residual en el suelo de los tratamientos N1 y N2 fueron

similares; mientras que N3 y N4 con valores similares, mostraron una diferencia apreciable

respecto a N2, de 260 y 280 kg ha-1 más de N residual, respectivamente (Fig. 4c). En P-2011, el N

residual en los tratamientos N1 y N2 mostró un comportamiento similar al observado en OI-2010;

los tratamientos N3 y N4 acumularon 151 y 381 kg ha-1 más de N residual, respectivamente, que el

tratamiento N2 (Fig. 4f).

Capítulo 4

139

TratamientoN1 N2 N3 N4

Con

cent

raci

ón N

(m

mol

L-1

)

0

5

10

15

20

25

Solución nutritivaDrenaje


Con

cent

raci

ón N

(m

mol

L-1

)

0

5

10

15

20

25

Solución nutritivaDrenaje


Nitr

ogen

o (k

g ha

-1)

0

200

400

600

800

1000

1200

N-N

O3- li

xivi

ado

(kg

ha-1

)

0

10

20

30

40

50NDCN fertiriegoN residualN-NO3

- lix


Vol

umen

de

agua

(m

m)

0

50

100

150

200

250

300

350

400RiegoETc

Drenaje


Vol

umen

de

agua

(m

m)

0

50

100

150

200

250

300

350

400RiegoETc

Drenaje

a) OI-2010

d) P-2011


Nitr

ogen

o (k

g ha

-1)

0

200

400

600

800

1000

1200

N-N

O3- li

xivi

ado

(kg

ha-1

)

0

10

20

30

40

50NDCN fertiriegoN residualN-NO3

- lix

b) OI-2010

e) P-2011

c) OI-2010

f) P-2011

Figura 4. Para cada tratamiento de los experimentos OI-2010 y P-2011, valores promedios (símbolos) de (a, d) volumen total de riego, evapotranspiración

(ETc) y drenaje; (b, e) concentración de N en solución nutritiva aplicada y en drenaje y (c, f) cantidad de N disponible para el cultivo (NDC), N aplicado en

fertiriego, N mineral en el suelo al final del cultivo (N residual) y nitrato lixiviado (N-NO3- lix).


140

4. Discusión

El estudio se realizó en condiciones de cultivo en suelo similares a las de producción a

escala comercial, existiendo al trasplante del nuevo cultivo cantidades variables de N mineral en

el suelo del cultivo anterior, y de N mineralizado procedente de aplicaciones de estiércol

realizadas 3 y 4 años antes del inicio de los ensayos OI-2010 y P-2011, respectivamente. Estas

condiciones de nitrógeno disponible para el cultivo (NDC), son bastante representativas de las

prácticas de manejo habituales en la zona (Thompson et al., 2007).

En el ensayo OI-2010, no hubo diferencias significativas (P>0.05) entre tratamientos en la

producción de MS en tallos, MS en hojas, MS en frutos y MS total (Tabla 5), lo cual se refleja en

valores similares entre tratamientos de IGV (Tabla 5). Sin embargo, el tratamiento N2, obtuvo

mayor rendimiento comercial y total que los tratamientos N1, N3 y N4, con 23% y 10% más de

producción comercial y total, respectivamente, que el promedio del grupo N1-N2-N4, debido a una

mayor producción de frutos M, y menor producción de frutos MM y destrío. Estas diferencias

tienen un valor económico importante desde el punto comercial, tal como se discute más

adelante.

En el cultivo P-2011, el tratamiento N1 presentó la menor producción de MS por

componente y total, y consecuentemente la menor extracción de N, y producción comercial y

total de frutos. A pesar de que no hubo diferencias significativas en la producción de MS total y

MS de frutos entre los tratamientos N2, N3 y N4, cuando la concentración de N aplicada en

fertiriego fue ≥ 13.5 mmol L-1 (N3 y N4) hubo mayor crecimiento vegetativo (>MS e IAF) (Tabla 5) y

menor producción de fruto fresco comercial (Tabla 7). Los tratamientos N3 y N4 presentaron en

promedio un 18% más de MS vegetativa que el N2, en el cual se observó una mejor partición de la

MS hacia la producción de frutos, presentando un IGV de 1.73 kg de MS en frutos por kg de MS

vegetativa, frente al promedio de N3-N4 (1.35 kg kg-1) (Tabla 5).

Lo anterior demuestra que hubo un mejor equilibrio entre crecimiento vegetativo y

generativo en el tratamiento N2. En los tratamientos N3 y N4 un mayor crecimiento vegetativo

(>MS e IAF), estuvo asociado a aumentos en el tamaño y el número de hojas (Sholberg et al.,

2000). El tratamiento N2 presentó un 27% menos de IAF que el promedio de N3-N4. La cantidad

de radiación PAR interceptada depende de diferentes factores tales como el índice de área foliar,

arquitectura de la planta, y estructura y forma de las hojas, entre otros. Un mayor IAF en N3 y N4,

probablemente provocó un efecto de autosombreo entre plantas y entre estratos de hojas,

reduciendo la interceptación de radiación PAR, afectando la fotosíntesis y consecuentemente la

producción de frutos.

Capítulo 4

141

En los tratamientos N3 y N4 del experimento P-2011, el mayor crecimiento vegetativo

estuvo relacionado con un consumo de lujo de N, debido a que en condiciones de sobre-

fertilización, el contenido de N incrementa más rápidamente en la MS vegetativa que en la MS de

frutos (Shepper et al., 1991), y las plantas pueden absorber más N que el requerido para un

máximo crecimiento (Zhang et al., 2009). El consumo de lujo se refleja en una mayor extracción

de N en los tratamientos N3 y N4 bajo condiciones de alto NDC (Tabla 6), y consecuentemente en

un mayor crecimiento vegetativo (MS en tallos y hojas) e IAF (Tabla 5).

Las diferencias en las concentraciones de Ncrit observadas entre los cultivos OI-2010 y P-2011,

probablemente se debieron a diferencias inherentes al clima de la época de cultivo y al cultivar.

Las condiciones de temperatura y radiación solar durante el cultivo de primavera P-2011 (Tabla

3), favorecieron una mayor asimilación del N disponible en el suelo, por lo cual las

concentraciones de N fueron mayores. Las diferencias en las concentraciones de Ncrit al inicio del

experimento OI-2010, respecto a las curvas propuestas por Lemaire y Gastal., (1997) y Tei et al.,

(2002), posiblemente se deben a las diferencias inherentes a la genética del cultivar, al clima

según época de cultivo, prácticas de manejo del riego y el abonado N, y densidad de siembra,

entre otros (Orgaz et al., 2005). Greenwood et al., (2001), señala la importancia de uniformizar

criterios a la hora de determinar la curva de Ncrit en las diferentes especies, ya que está depende

de la biomasa por unidad de área, que a su vez depende de muchos otros factores.

A partir del tratamiento N2 en el ensayo OI-2010, y del tratamiento N3 en P-2011, la

extracción de N de los cultivos se equipara a los requerimientos de N crítico obtenidos en ambos

ensayos. Sin embargo, el Ncrit por sí solo no aporta suficiente información para determinar cuál es

el mejor tratamiento de N desde la perspectiva de eficiencia de uso del N hacia la producción de

fruto. El Ncrit solo considera la absorción de N en función de la MS total, sin analizar la partición

del N en los componentes vegetativo (MS tallos, MS hojas) y productivo (MS frutos), y la

producción de fruto fresco.

Desde el punto de vista productivo, los tratamientos N2 (4- 5 mmol L-1) obtuvieron mayor

rendimiento comercial con menor extracción de N sin afectar la calidad del fruto. La relación

entre rendimiento de fruto y N extraído permite estimar la extracción de N a la cual se obtiene la

máxima producción (Sholberg et al., 2000). En el cultivo P-2011, el rendimiento máximo estimado

total (118 t ha-1) y comercial (91 t ha-1), fueron similares al tratamiento N2 (Tablas 7), y se

obtuvieron con una extracción promedio de 250 kg N ha-1, dentro del rango de valores

experimentales obtenidos entre N2 y N3 (Tablas 6). En ambos experimentos, al valorar las

diferencias en producción comercial de fruto entre N2 y el resto de tratamientos (Tabla 7), se

observó que éstas representan un valor económico importante.


142

En OI-2010, según los precios reportados en el periodo de producción (0.81 € kg-1) por el

observatorio de precios de la Junta de Andalucía (2010), el valor de la diferencia entre N2 y N1

(11.15 t ha-1) fue de 9,032 € ha-1, mientras que la diferencia entre N2 y el promedio de N3-N4 (10.4

t ha-1), fue equivalente a 8,393 € ha-1. En P-2011, con un precio de 0.2 € kg-1 el valor de la

diferencia entre N2 y N1 (22.1 t ha-1) fue de 4,417 € ha-1, mientras que la diferencia entre N2 y el

promedio de N3-N4 (8.6 t ha-1) fue equivalente a 1,715 € ha-1.

El análisis del modelo de regresión rendimiento-N extraído en P-2011 (Fig. 3c) sugiere que

la máxima producción se obtendría con una extracción de 225 kg N ha-1 en un cultivo de

primavera (N2 en P-2011), y de 270 kg N ha-1 en un ciclo de otoño invierno (N2 en OI-2010), que

correspondería al menor gasto de fertilizante N. Estos requerimientos de N, son extrapolables a

las condiciones particulares de la región, siendo recomendable su validación cuando se utiliza en

condiciones diferentes de manejo, clima, suelo, cultivar, habito de crecimiento, producción en

invernadero o al aire libre y densidad de plantación, entre otros (Sholberg et al., 2000).

El presente estudio ha demostrado la importancia de considerar otros fuentes de N (N

mineral al trasplante, MO del suelo, agua de riego) en los programas de fertilización N, con el fin

de determinar la concentración de N óptima a aplicar en fertiriego. Altas concentraciones de N en

fertiriego (N3, N4), tuvieron como consecuencia menor rendimiento, mayor consumo de N para

crecimiento vegetativo, y mayor lixiviación de nitratos y acumulación de N mineral en el suelo.

Una fracción significativa de los requerimientos de N en cultivos hortícolas, son obtenidos de la

mineralización aparente de N (MAN) de la materia orgánica del suelo (Fink, 2005; Feller y Fink,

2002). En el ensayo OI-2010, la MAN (139 kg ha-1) representó desde un 15% del NDC en el

tratamiento N4 hasta un 65% en N1, mientras que en P-2011 la MAN (133 kg ha-1) representó

desde un 16% del NDC en el tratamiento N4 hasta un 79% en N1.

Concentraciones de N en fertiriego ≥ 13 mmol L-1 (N3, N4), usuales en el manejo

convencional de la zona, normalmente han sido adaptadas del norte de Europa, donde la ETc es

baja (Muñoz et al., 2008). Sin embargo, al utilizarlas en un clima mediterráneo donde la ETc es

más alta y manteniendo la concentración de N, incrementa significativamente los aportes de N

fertilizante, y consecuentemente el NDC y el riesgo de contaminación por nitratos (5c, 5f).

En este estudio, la aplicación de altas concentraciones de N en fertiriego bajo un buen

manejo del riego, tuvo como consecuencia una acumulación sustancial de N mineral en el suelo

(Fig. 5c, 5f). En OI-2010, el N mineral residual acumulado en el suelo tras finalizar el cultivo,

alcanzó valores de hasta 284 kg N ha-1 en el tratamiento N4, mientras que en P-2011, se

acumularon hasta 396 kg N ha-1 en N4 al final del cultivo. Ambas cantidades serían suficientes

para suplir la demanda de N de un cultivo otoño-invierno (N2) determinada en este estudio (270

kg ha-1). Esta acumulación de N mineral en el suelo, representa el principal peligro potencial de

Capítulo 4

143

contaminación ambiental, potenciada por las prácticas usuales de lavado y desinfección del suelo

durante el PEC (Thompson et al., 2007; Granados, 2011), y la tendencia a regar en exceso en la

etapas iniciales del cultivo (Bonachona et al., 2006). Con el objetivo de reducir el riesgo potencial

de lixiviación de nitratos, es imprescindible supervisar la cantidad de N mineral residual en el

suelo, tras finalizar el cultivo. Al respecto, Fink, (2005), y Feller y Fink, (2002), para aquellos

cultivos en los que el rendimiento y calidad de frutos es afectado por excesos de N, recomiendan

niveles de N mineral residual de 40-70 kg ha-1. En los tratamientos N2 el N mineral residual fue

muy inferior a este valor, reduciéndose así el riesgo de contaminación por lixiviación de nitratos.

La lixiviación de nitratos ocurre bajo aplicaciones excesivas de agua y de N (Hothmund et

al., 2000). En este estudio, el adecuado manejo del riego permitió mantener el contenido de agua

del suelo en valores próximos a capacidad de campo (Tabla 1), evitando aplicaciones excesivas de

agua. Por tal razón, la cantidad de N-NO3- lixiviado no incrementó en proporción a la magnitud de

la concentración de N aplicada en fertiriego y a la cantidad de NDC; y consecuentemente el N

aplicado en exceso se acumuló en el suelo. Por ejemplo, en el tratamiento N4 de OI-2010 el

aporte de N en fertiriego fue 731 kg ha-1, sin embargo, la cantidad de N-NO3- lixiviado representó

solo un 5.5% (40 kg N ha-1) del N aplicado, con una acumulación de 284 kg ha-1 de N mineral en el

suelo. No obstante, la tendencia observada fue que a mayor nivel de NDC, la lixiviación de N-NO3-

incrementó.

De los resultados obtenidos en este trabajo, se podría recomendar que la concentración

(mmol L-1) o cantidad (kg ha-1) de N a aplicar en fertiriego, se debe calcular considerando las

condiciones particulares de cada finca o región, en función de las entradas y salidas de N en el

sistema de cultivo, no siendo adecuado el empleo de recetas estándar como viene siendo común

en la zona (Thompson et al., 2007). En este estudio se ha propuesto realizar estimaciones del N

fertilizante a aportar (Nap) basadas en el enfoque de balance de N descrito en el punto 2.2:

Nap= (Nt + MAN) – (Nex + NL+ Nr) (1)

donde Nt es el N mineral del suelo al trasplante, MAN es la mineralización aparente de N de la MO

del suelo, Nex es el requerimiento del cultivo (N extraído), NL el N lixiviado y Nr es el valor objetivo

de N mineral en el suelo al final del cultivo.

Sin embargo, se requieren más estudios para estimar las cantidades de MAN en clima

mediterráneo, considerando el ciclo y época de cultivo, y el tipo de materia orgánica, entre otros.

Del mismo modo, considerando el manejo del riego y abonado N en los diferentes cultivos, es

necesario determinar valores objetivo de N mineral residual en el suelo para cada especie (Feller y

Fink, 2002), para reducir el riesgo de lixiviación de nitratos tras finalizar el cultivo.

Aplicando esta metodología de cálculo en este estudio, el promedio de N total a aplicar de

todos los tratamientos, sería de 153 kg ha-1 en OI-2010 y 172 kg ha-1 en P-2011. Al dividir dichas


144

cantidades entre la ETc promedio medida, se obtienen concentraciones de N muy similares a las

aplicadas en los tratamientos N2 (3.5 mmol L-1 en OI-2010 y 4.5 mmol L-1 en P-2011). Para este

ejercicio, se asumió un valor de Nr objetivo de 50 kg ha-1 y se utilizaron los valores de MAN

obtenidos en OI-2010 (139 kg ha-1) y P-2011 (133 kg ha-1). Como requerimiento del cultivo se

utilizó el N extraído en los tratamientos N2 de OI-2010 (269 kg ha-1) y P-2011 (224 kg ha-1) y para el

NL se utilizó el valor promedio de los 4 tratamientos.

Los tratamientos N2 obtuvieron mayor rendimiento comercial con menor extracción de N,

lixiviación de N-NO3- y acumulación de N mineral en el suelo, por lo cual se puede concluir que

bajo las condiciones particulares de este ensayo, estas extracciones corresponden a los

requerimientos óptimos de un cultivo de tomate otoño-invierno (270 kg ha-1) y un cultivo de ciclo

de primavera (224 kg ha-1). El ahorro en aplicación de N en el tratamiento N2 respecto a N4 fue de

557 kg N ha-1 en OI-2010, y de 381 kg ha-1 en P-2011 (Tabla 2).

El presente estudio ha demostrado que con un buen manejo del riego y considerando el

NDC (N mineral en el suelo al trasplante y N mineralizado de la MO durante el ciclo de cultivo),

bajo las condiciones usuales de manejo del N bajo invernadero mediterráneo, es posible reducir

las concentraciones de N en fertiriego, sin afectar el rendimiento y calidad de fruto, mejorando la

rentabilidad y reduciendo la contaminación ambiental.

Capítulo 4

145

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Capítulo 4

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172.

Conclusiones generales

148


Capítulo 2 y 3.

1. En dos estudios de evaluación del modelo de simulación EU-Rotate_N en cultivos hortícolas

bajo invernadero mediterráneo, uno con varias secuencias de cultivo melón-pimiento,

incluyendo el periodo de manejo del suelo entre cultivos y otro con varios cultivos y

tratamientos de tomate, la calibración y/o ajuste de parámetros de crecimiento, rendimiento,

curva crítica de N y evapotranspiración del cultivo, tuvo un efecto determinante en el buen

funcionamiento del modelo, lo cual confirma la importancia de calibrar el modelo,

particularmente cuando se usa en condiciones diferentes a la que fue creado, como es el caso

de cultivos en invernadero.

2. Bajo condiciones no limitantes de N en el suelo, el modelo EU-Rotate_N simuló con mucha

exactitud, la evolución estacional de producción de materia seca (MS) y extracción de

nitrógeno en los cultivos de melón, pimiento y tomate bajo invernadero mediterráneo,

teniendo la relación lineal entre valores medidos y simulados, con pendiente de 0.95-1.1 y

coeficientes de determinación (R2) >0.96. La simulación de la producción comercial de fruto

fue adecuada en tomate y melón y sobreestimada en dos de los cuatro ciclos de pimiento.

3. En cultivo de tomate bajo condiciones limitantes de N en el suelo, el modelo EU-Rotate_N

subestimó la producción de MS, la extracción de nitrógeno y la producción comercial de fruto;

esta subestimación parece estar relacionada con (i) el no poder incluir en las entradas del

modelo, los altos aportes de materia orgánica aplicada como estiércol en años anteriores al

inicio del estudio, y (ii) con la subestimación atribuida al modelo, del N mineralizado de la

materia orgánica del suelo en clima mediterráneo.

4. El modelo EU-Rotate_N mostró un buen comportamiento en la simulación de los flujos de

agua en el sistema suelo-planta-atmosfera, incluyendo la evapotranspiración, el drenaje, y la

humedad volumétrica del suelo en los cultivos de melón, pimiento y tomate bajo invernadero.

5. En la simulación del N-NO3- lixiviado, en todos los cultivos de este estudio, el modelo mostró

un comportamiento irregular, con una tendencia a la subestimación en la mayoría de los casos,

y un buen comportamiento en algunos cultivos.


149

6. El modelo presentó un comportamiento aceptable para simular la dinámica del N mineral del

suelo en condiciones moderadas de N mineral en el suelo; sin embargo, subestimó

considerablemente el N mineral del suelo cuando los niveles de N en el suelo fueron elevados,

como es el caso de los cultivos de melón y pimiento del 2005, y de tomate del 2009,

consistente con los resultados obtenidos en otros estudios. Una menor concentración de

nitratos en el suelo debido a la subestimación del N mineralizado, supuso la subestimación en

la cantidad de N-NO3- lixiviado. Esta tendencia del modelo, a subestimar el N mineral del suelo

y la lixiviación de N-NO3-, probablemente esté relacionada con un funcionamiento deficiente

de la sub-rutina de mineralización del N de la materia orgánica aplicada y la del suelo, en clima

mediterráneo.

7. En este estudio, el modelo EU-Rotate_N, demostró su utilidad como herramienta de

evaluación de las prácticas de manejo del riego y abonado nitrogenado, sobre parámetros de

impacto sobre el medio ambiente, en cultivos hortícolas bajo invernadero mediterráneo.

7.1. En las secuencias de cultivos melón-pimiento, incluyendo el periodo entre cultivos (PEC),

el modelo simuló aceptablemente el efecto de un manejo convencional respecto a un

manejo prescriptivo-correctivo del riego y abonado nitrogenado, sobre la magnitud del

drenaje, la lixiviación de N-NO3- y la acumulación de N mineral en el suelo.

7.2. En los PEC de las secuencias melón-pimiento, tras finalizar el cultivo de melón, el modelo

simuló una drástica disminución del N mineral en el suelo, desde el inicio del PEC hasta el

trasplante de los cultivos de pimiento, y un notable incremento en el drenaje y

consecuentemente en la lixiviación de N-NO3-, como consecuencia de la práctica común

de aplicar riegos excesivos de lavado y desinfección durante el PEC.

7.3. En el cultivo de tomate, el modelo simuló razonablemente el efecto de (i) el volumen de

riego aplicado y (iii) la cantidad de N disponible en el suelo (N mineral al trasplante + N

aplicado en fertiriego), sobre el drenaje, la lixiviación de N-NO3- y la acumulación de N

mineral en el suelo.


150

Capítulo 4.

1. Este estudio sugiere que la aplicación de dosis crecientes de N en la solución de fertiriego a un

cultivo de tomate bajo invernadero, considerando además del fertiriego otras fuentes de N del

suelo, como el N mineral del suelo en el trasplante y el N mineralizado de la materia orgánica

del suelo tuvo distinta respuesta entre ciclos de cultivo en distintas estaciones. En un ciclo de

tomate de otoño, no hubo diferencias entre tratamientos en producción de MS, N extraído y

rendimiento de frutos, mientras que si hubo diferencias en el ciclo de tomate de primavera.

2. En ciclo de tomate de primavera, bajo dosis crecientes de N aplicado en fertiriego, el

tratamiento N1 (1 mmol L-1) presentó la menor producción de MS, extracción de N y

rendimiento. El tratamiento N2 (5.1 mmol L-1) no presentó diferencias en MS, extracción de N

y en producción comercial con los tratamientos N3 (13.5 mmol L-1) y N4 (22 mmol L-1). El

tratamiento N2 obtuvo la mayor producción de MS en fruto (1.73 kg) por kg de MS vegetativa,

con la menor extracción de N en tallos, hojas y total. A pesar de que no hubo diferencias

significativas en producción comercial entre los tratamientos N2, N3 y N4, el tratamiento N2

obtuvo un promedio de 10%, 73% y 16% más de frutos comercial, calibre G y calibre M,

respectivamente, respecto al promedio de los tratamientos N3 y N4.

3. La cantidad de N-NO3- lixiviado y la acumulación de N mineral en el suelo al final de ciclo,

incrementaron con el aumento en la concentración de N aplicado en fertiriego y la cantidad de

N disponible para el cultivo.

4. Este estudio ha demostrado que bajo condiciones de N disponible en el suelo similares a las

evaluadas, que se suelen presentar en cultivos comerciales bajo invernadero mediterráneo, se

podría reducir la concentración de N en fertiriego, sin afectar el rendimiento y calidad de fruto,

mejorando la rentabilidad y reduciendo la contaminación ambiental.

evaluación de la productividad y la dinámica del agua y el

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