la humedad del suelo cultivado con maíz y la relación con ... · la humedad del suelo (hs y hse)...
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— Ciencia, Vol. 3, Nº 7, Diciembre 2008. Página 65 —
La Humedad del Suelo Cultivado con Maíz y la Relación con la Temperatura Radiativa de su Cubierta Vegetal.
Houspanossian, Javier; Rivas, Raúl; Vazquez, Patricia
Instituto de Hidrología de Llanuras (CIC-UNCPBA-MA), CC44, (7300)
Azul, provincia de Buenos Aires, Argentina. [email protected]
The Soil Moisture in a Crop Corn, and it Relationship with
the Radiative Temperature of Canopy Cover.
Abstract: Transpiration (T) is a physiological process that consists in the trans-
fer of water vapour between substomatal cavities to the atmosphere,
this process require that hydrical potential of the atmosphere be
smaller that ones of the structures beginning from T have place.
The T moreover of contribute to the movement of water in a plant and
with that to the extraction of nutrients of soil, produce a heat releasing,
regulating the temperature of the leaf. Therefore if we measure the
temperature of the leaf in a crop of interest, we could know about the
hydric conditions of the soil.
This Work presents a mathematical function, relating the radiative
temperature of the canopy (Tc) with the volumetric humidity of the soil
Hs. This relationship was obtain then of a sequence of measurements
in the campaign in 2005-2006 in a crop corn. The leaf temperature in
the crop were measured with a portable radiometer witch bases in the
radiative temperature of black body, and a soil moisture sensor, which
uses dielectric permittivity of the soil to sense soil mositure.
The radiative temperature of a crop could be obtained with satellites
imaginery and using this equation would allow estimate the hydric
condition of a canopy.
As future work, rest the validation of this equation and his functiona-
lity, analyzing your response under an other soil and another crop.
— Ciencia, Vol. 3, Nº 7, Diciembre 2008. Página 66 —
Resumen:
La transpiración (T), es un proceso fisiológico que consiste en la trans-
ferencia de vapor de agua contenido en las cavidades subestomáticas
hacia la atmósfera, lo cual requiere que el potencial hídrico de la
atmósfera sea menor que el de las estructuras a partir de las cuales
tiene lugar la T.
La T además de contribuir en el movimiento de agua en una planta y con
ello a la extracción de los nutrientes del suelo, produce una liberación
de calor regulándose así la temperatura de las hojas. Por lo tanto, si
medimos la temperatura de las hojas de un cultivo podremos conocer
acerca de las condiciones hídricas en las que se encuentra un suelo.
Este trabajo presenta una expresión matemática simple, que relaciona
la temperatura radiativa de una cubierta vegetal (Tc) y la humedad
volumétrica del suelo (Hs). Esta relación fue lograda luego de un segui-
miento durante la campaña 2005-2006 de un cultivo de maíz, en
horario de máxima radiación solar, donde se registraron los valores de
Tc de la hoja del maíz con un radiómetro de mano, y la Hs del suelo por
debajo de esa cubierta vegetal utilizando un sensor de humedad,
durante 7 jornadas en el periodo considerado.
La utilización de imágenes satelitales permite obtener de manera
sencilla y económica valores de temperatura de superficies, entonces
aplicando una ecuación de este tipo, seria posible conocer el contenido
de humedad de grandes áreas sembradas homogéneamente.
Como trabajo futuro, queda la validación de la funcionalidad de la
expresión obtenida, realizando más campañas de muestreo, analizando
su respuesta bajo distintos tipos de suelo y observando otros cultivos.
Houspanossian, J.; Rivas, R.; Vazquez, P. : La Humedad del Suelo Cultivado con Maíz y la Relación con la Temperatura Radiativa de su Cubierta Vegetal.
— Ciencia, Vol. 3, Nº 7, Diciembre 2008. Página 67 —
Introducción
La transpiración (T) es el proceso
de evaporación de agua desde el
sistema vascular de la planta hacia la
atmósfera. El proceso entero abarca
la absorción de agua del suelo por las
raíces de la planta; el movimiento en
fase líquida a través del sistema
vascular de las raíces, tallo y ramas
hasta las hojas, y el movimiento a
través del sistema vascular de las
hojas hacia las diminutas cavidades
de éstas llamadas cavidades subesto-
máticas, donde la evaporación (T)
tiene lugar. El vapor de agua pasa
hacia la atmósfera, lo cual requiere
entre otras cosas que el potencial
hídrico de la atmósfera sea menor que
el de las estructuras a partir de las
cuales tiene lugar la T.
La T además de contribuir en el
movimiento de agua en una planta y
con ello a la extracción de los nutrien-
tes del suelo, produce una liberación
de calor regulándose así la tempera-
tura de las hojas. Por lo tanto, si
medimos la temperatura de las hojas
de un cultivo podemos conocer las
condiciones hídricas en las que se
encuentra un suelo.
Es importante remarcar que
existe una elevada complejidad en los
procesos biológicos y físicos envuel-
tos en la transferencia de agua desde
la superficie de las hojas de las plan-
tas hacia la atmósfera, así como
también lo es la regulación de tempe-
ratura de las hojas. Las plantas
pueden reaccionar de diferentes
maneras a la precedencia de nutrien-
tes del suelo, a las condiciones de la
atmósfera, y a otros tantos agentes
externos, pero, si nos independiza-
mos de estos, es posible lograr cono-
cer la T de forma sencilla. Se podrá
así, encontrar una relación con base
física sencilla que permita obtener
resultados con una precisión adecua-
da (Rivas & Caselles, 2004) ayudando
a resolver problemas prácticos y
transferir soluciones de manera
rápida.
Este trabajo presenta una expre-
sión matemática simple, lograda
mediante mediciones en campo, que
relaciona la temperatura radiativa de
una cubierta vegetal (Tc) y la hume-
dad volumétrica del suelo (Hs) por
debajo de esa cubierta vegetal.
Metodología
La experiencia se realizó sobre
un predio sembrado con maíz en el
establec imiento “La Bernarda” ,
ubicado al noreste de la ciudad de
Tandil, provincia de Buenos Aires
(Figura 1). El predio se ubica en una
zona llana de suelos argiudoles. El
período de muestreo abarcó los meses
de noviembre y diciembre de 2005 y
enero y febrero de 2006.
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En la cercanía del predio de maíz
se instaló una estación meteorológica
para registrar las variaciones de
temperatura del aire (Ta), humedad
relativa del aire (HR) y velocidad del
viento (V). Además, se registraron las
precipitaciones diarias (P). Durante
el período de medición se presentaron
variaciones climáticas típicas de las
estaciones de primavera-verano. Una
particularidad destacable del perío-
do es que a finales de la primavera se
produjeron 3 heladas significativas,
las que tuvieron efecto en el desarro-
llo inicial del cultivo de maíz bajo
análisis.
Durante la experiencia se midió
periódicamente en transectos la
temperatura radiativa y la humedad
volumétrica sobre el cultivo (Tc(k) y
Hs(%)) y sobre el suelo desnudo del
entresurco (Te(k) y Hse(%)) respecti-
vamente; siempre lejos de los extre-
mos del predio sembrado para evitar
efectos de contorno. Los transectos
siempre se realizaron en horarios de
máxima radiación solar, durante días
con cobertura nubosa menor a 3/8.
Las temperaturas radiativas Tc
y Te se midieron utilizando un radió-
metro sensor infrarrojo térmico-IRT y
la humedad del suelo (Hs y Hse) con
un sensor de humedad. El radiómetro
registra la temperatura emisiva de
las superficies (Tc y Te) en un ancho
de banda de 8-14 m y el sensor de
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Figura 1: Ubicación del área de estudio (composición falso color compuesto lograda a partir de una imagen Landsat Thematic Mapper).
— Ciencia, Vol. 3, Nº 7, Diciembre 2008. Página 69 —
humedad mide ésta a partir de la
permitividad dieléctrica del suelo. En
la Tabla 1 se muestran los detalles del
radiómetro y del sensor de humedad y
en la Figura 2 la disposición de la
estación meteorológica y el instru-
mental utilizado en terreno.
La Tc se registró a 30 cm por
encima de la cubierta vegetal, en
dirección hacia abajo, asegurando
que el área observada correspondiese
únicamente a vegetación y la Hs se
midió siempre insertando el sensor
de humedad en el suelo, a unos 15 cm
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Tabla 1. Sensores utilizados.
Equipo Marca Rango Error
Radiómetro IRT ST Pro, Raytec 0 a 50 °C ± 0,82 °C
Sensor de humedad Hydrosense Campbell. 0 % 100 % ± 3,0 %
Fuente de Calibrado Everest 0 a 60 °C ± 0,1 °C
— Ciencia, Vol. 3, Nº 7, Diciembre 2008. Página 69 —
humedad mide ésta a partir de la
permitividad dieléctrica del suelo. En
la Tabla 1 se muestran los detalles del
radiómetro y del sensor de humedad y
en la Figura 2 la disposición de la
estación meteorológica y el instru-
mental utilizado en terreno.
La Tc se registró a 30 cm por
encima de la cubierta vegetal, en
dirección hacia abajo, asegurando
que el área observada correspondiese
únicamente a vegetación y la Hs se
midió siempre insertando el sensor
de humedad en el suelo, a unos 15 cm
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Tabla 1. Sensores utilizados.
Equipo Marca Rango Error
Radiómetro IRT ST Pro, Raytec 0 a 50 °C ± 0,82 °C
Sensor de humedad Hydrosense Campbell. 0 % 100 % ± 3,0 %
Fuente de Calibrado Everest 0 a 60 °C ± 0,1 °C
Sensor deHumedadSensor deHumedad
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humedad mide ésta a partir de la
permitividad dieléctrica del suelo. En
la Tabla 1 se muestran los detalles del
radiómetro y del sensor de humedad y
en la Figura 2 la disposición de la
estación meteorológica y el instru-
mental utilizado en terreno.
La Tc se registró a 30 cm por
encima de la cubierta vegetal, en
dirección hacia abajo, asegurando
que el área observada correspondiese
únicamente a vegetación y la Hs se
midió siempre insertando el sensor
de humedad en el suelo, a unos 15 cm
Houspanossian, J.; Rivas, R.; Vazquez, P. : La Humedad del Suelo Cultivado con Maíz y la Relación con la Temperatura Radiativa de su Cubierta Vegetal.
Tabla 1. Sensores utilizados.
Equipo Marca Rango Error
Radiómetro IRT ST Pro, Raytec 0 a 50 °C ± 0,82 °C
Sensor de humedad Hydrosense Campbell. 0 % 100 % ± 3,0 %
Fuente de Calibrado Everest 0 a 60 °C ± 0,1 °C
Sensor deHumedadSensor deHumedad
SensoresIRT
SensoresIRT
— Ciencia, Vol. 3, Nº 7, Diciembre 2008. Página 69 —
humedad mide ésta a partir de la
permitividad dieléctrica del suelo. En
la Tabla 1 se muestran los detalles del
radiómetro y del sensor de humedad y
en la Figura 2 la disposición de la
estación meteorológica y el instru-
mental utilizado en terreno.
La Tc se registró a 30 cm por
encima de la cubierta vegetal, en
dirección hacia abajo, asegurando
que el área observada correspondiese
únicamente a vegetación y la Hs se
midió siempre insertando el sensor
de humedad en el suelo, a unos 15 cm
Houspanossian, J.; Rivas, R.; Vazquez, P. : La Humedad del Suelo Cultivado con Maíz y la Relación con la Temperatura Radiativa de su Cubierta Vegetal.
Tabla 1. Sensores utilizados.
Equipo Marca Rango Error
Radiómetro IRT ST Pro, Raytec 0 a 50 °C ± 0,82 °C
Sensor de humedad Hydrosense Campbell. 0 % 100 % ± 3,0 %
Fuente de Calibrado Everest 0 a 60 °C ± 0,1 °C
Sensor deHumedadSensor deHumedad
SensoresIRT
SensoresIRT
Fuente de CalibradoFuente de Calibrado
Figura 2: Estación meteorológica junto al predio de maíz (izquierda) y foto de los equipos de terreno.
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del tallo del maíz, usando electrodos
de 12 cm de longitud (Figura 3a).
La Te se midió en el entresurco
del campo muestreado de manera tal
que el sensor radiómetro siempre se
encuentre observando el suelo des-
nudo hacia abajo, a unos 30 cm de la
superficie y la Hse se registró clavan-
do el sensor de humedad en el entre-
surco, usando electrodos de 12 cm
(Figura 3b).
Los valores de Tc fueron corregi-
dos por efectos de emisividad siguien-
do la siguiente expresión (IRT, 2005):
(1)
0donde L (Tc) es la radiancia corregida
–2(W m ); e la emisividad del cultivo
0 *(asumida 0.985); L (Tc ), la radiancia
correspondiente para la temperatura –2
de la vegetación medida (W m ); L la hem
radiancia emitida por la atmósfera –2
hacia abajo (W m ). Los valores de L hem
han sido estimados a partir de radio-
sondeos medidos en las estaciones de
los aeropuertos Ezeiza (-34º 81, -58º
53) y Santa Rosa (-36º 56, -64º 26).
Para obtener la temperatura atmosfé-
rica (T ) de la atmósfera se realizó un atm
promedio ponderado de Tatm en
función del espesor de la capa respec-
to del espesor total del radiosondeo.
Para la transformación de T a atm
radiancia en cada caso se aplicó la
función de Planck.
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Figura 3: Metodología de medición (a) sobre el cultivo de Tc (1) y Hs (2) y (b) sobre el suelo desnudo, de la Te (3) y la Hse (4).
(1)
(2)
(3)
(4)
(a) (b)
0 0 *L (Tc) = (L (Tc ) – (1 – e)L )hem
1 e
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Por último se volcaron los datos
de Te y Hse y los datos de Tc y Hs en
gráficos de dispersión x-y. Luego se
ajustó una función matemática a la
dispersión de puntos Tc vs Hs.
Resultados y Conclusiones
En la Tabla 2 se describe el
comportamiento de la Ta, HR y V
promedio y P total del período de
análisis.
Los datos de Te y Hse y los datos
de Tc y Hs fueron volcados en gráficos
de dispersión x-y asignando en el eje
de las abscisas Temperatura radiati-
va y en el de ordenadas la humedad
del suelo, que pueden verse en la
Figura 4.
La Figura 4a muestra la disper-
sión de los Te-Hse medidos y la Figura
4b la dispersión de los Tc-Hs medidos.
Del análisis de los gráficos de la
Figura 4(a y b), podemos observar que
los datos medidos sobre suelo pre-
sentan una mayor temperatura
máxima que los medidos sobre el
cultivo, además que la distribución
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Tabla 2. Datos promedio de las variables climáticas medidas.
Variable Promedio Total (nov-febr)
Ta (°C) 19.2 —
HR (%) 57 —
V (m s-1) 1.25 —
P (mm) — 360
Figura 4. Dispersión de los datos medidos de: (4.a) Te y Hse medidos; (4.b) Tc y Hs.
4a
290 300 310 320 330 340
10
0
20
Hv
[%]
30
40
50
60
Ts [K]285 290 295 300 305 310
10
20
30
40
50
Tc [K]
Hs [
%]
4b
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de datos de la figura 4a (medidos
sobre suelo desnudo) no aparenta
tener relación entre ambas variables
medidas, no así en la figura 4b. donde
se observa una relación decreciente
entre la Humedad y la temperatura
radiométrica del cultivo. Es por ésto
que se buscó una solución matemáti-
ca para dicha relación.
La función matemática que
mejor se ajusta a la distribución de la
figura 4b es de forma logarítmica y
tiene la siguiente expresión (Figura 5):
(2)
siendo
a = 9.91475 ± 1.11258 (%);
b = 38.77137 ± 2.63534 (K);
c = -287.88987 ± 0.21119 (K)
y Tc la temperatura corregida de
efectos de emisividad.
La función logarítmica ajustada
da un coeficiente de determinación de
0.84 y un chi-cuadrado de 25.9, por lo
cual el ajuste obtenido es bueno.
El significado físico de la función
ajustada indica que para temperatu-
ras de la cubierta superiores a 307.5
K (34.5 °C) el cultivo de maíz se
encuentra con importantes limitacio-
nes de disponibilidad de agua para
transpirar; mientras que, para tem-
peraturas de cultivo de 287.5 K (14.5
°C) el maíz se encuentra sin limitacio-
nes de agua en el suelo y por lo tanto
sin limitaciones para transpirar.
Estos resultados son prelimina-
res y por el momento, propios de un
cultivo de maíz, bajo el tipo de suelo
considerado; aunque es probable,
que otros cultivos sigan funciones
similares y que éstas se desplacen por
encima o por debajo de la función
obtenida en este trabajo.
Por lo tanto, la ecuación 2 permi-
te conocer la Hs del cultivo de maíz a
partir de la Tc medida con un sensor
IRT. La función representa una
buena alternativa para evaluar las
necesidades de riego de estos cultivos
en zonas en las que se realiza riego
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Hs[%] = –a*ln Tc[k] + c
b
Figura 5. Distribución Tc vs Hs con función ajustada.
285 290 295 300 305 310
10
20
30
40
50
Tc [K]
Hs
[%]
— Ciencia, Vol. 3, Nº 7, Diciembre 2008. Página 73 —
complementario. Además, la ecua-
ción logarítmica ajustada sería una
buena alternativa para su uso con
imágenes de satélite. En este caso
bastaría con sustituir el valor de Tc
medido con el sensor por el valor de Tc
obtenido por teledetección.
La Figura 6 muestra un ejemplo
de aplicación utilizando una imagen
del satélite Landsat 7 (sensor ETM+)
en la se ha aplicado la ecuación 2
sustituyendo la Tc (banda 6) por la
obtenida desde satélite.
Agradecimientos
Los autores desean expresar su
agradecimiento a la Comisión de
Investigaciones Científicas de la
provincia de Buenos Aires por los
fondos otorgados para el desarrollo
del presente trabajo.
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Humedad del suelo (%)
0 10 20
Figura 6: Ejemplo de aplicación de la ecuación 2 (Hs en %) usando una imagen Landsat (ETM+) captada el 5 de enero de 2001, Path 225 y Row 86
correspondiente al partido de Tandil, Buenos Aires, Argentina.
Referencias Bibliográficas
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Rivas, R. & Caselles, V. 2004. A simplified equation to estimate spatial reference evaporation from remote sensing-based surface temperature and local meteorolo-g i c a l d a t a . R e m o t e S e n s i n g o f Environment, 93: 68-76.
Shuttleworth, W. J. & Gurney, R. J. 1990. The theoretical relationships between foliage temperature and canopy resistance in sparse crops. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 116: 497-519.
Lawrence Dingman, Physical Hydrology Second edition.
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