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.

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Page 1: La Humedad del Suelo Cultivado con Maíz y la Relación con ... · la humedad del suelo (Hs y Hse) con un sensor de humedad. El radiómetro registra la temperatura emisiva de las

— 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.

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— 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.

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— 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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— Ciencia, Vol. 3, Nº 7, Diciembre 2008. Página 68 —

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

Houspanossian, J.; Rivas, R.; Vazquez, P. : La Humedad del Suelo Cultivado con Maíz y la Relación con la Temperatura Radiativa de su Cubierta Vegetal.

Figura 1: Ubicación del área de estudio (composición falso color compuesto lograda a partir de una imagen Landsat Thematic Mapper).

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— 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

— 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

— 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

— 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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— Ciencia, Vol. 3, Nº 7, Diciembre 2008. Página 70 —

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.

Houspanossian, J.; Rivas, R.; Vazquez, P. : La Humedad del Suelo Cultivado con Maíz y la Relación con la Temperatura Radiativa de su Cubierta Vegetal.

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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— Ciencia, Vol. 3, Nº 7, Diciembre 2008. Página 71 —

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

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 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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— Ciencia, Vol. 3, Nº 7, Diciembre 2008. Página 72 —

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

Houspanossian, J.; Rivas, R.; Vazquez, P. : La Humedad del Suelo Cultivado con Maíz y la Relación con la Temperatura Radiativa de su Cubierta Vegetal.

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

[%]

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— 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.

Houspanossian, J.; Rivas, R.; Vazquez, P. : La Humedad del Suelo Cultivado con Maíz y la Relación con la Temperatura Radiativa de su Cubierta Vegetal.

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.

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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.

— Ciencia, Vol. 3, Nº 7, Diciembre 2008. Página 74 —

Houspanossian, J.; Rivas, R.; Vazquez, P. : La Humedad del Suelo Cultivado con Maíz y la Relación con la Temperatura Radiativa de su Cubierta Vegetal.