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Universidad Arturo Prat Centro de Investigaciones Universidad de Chile Departamento de Agricultura del Desierto del Hombre en el Desierto Facultad de Ciencias Agrarias

ANTEPROYECTO DE TESIS

Cuantificación de la evapotranspiración de referencia bajo condiciones de estrés climático en el desierto de Atacama, provincia de Iquique, I región, Chile

Alumno : Ingeniero Agrónomo MSc. Jorge Arenas Charlín

Profesor Guía : Ingeniero Agrónomo Dr. Fernando Santibáñez Quezada

Abril - 2005

Universidad Arturo Prat Departamento de Agricultura del Desierto

Centro de Investigaciones del Hombre en el Desierto

Universidad de Chile Facultad de Ciencias Agronómicas

Universidad Arturo Prat Centro de Investigaciones Universidad de Chile Departamento de Agricultura del Desierto del Hombre en el Desierto Facultad de Ciencias Agronómicas

CENTRO DE INVESTIGACIONES DEL HOMBRE EN EL DESIERTO - CIHDE

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1. ASPECTOS GENERALES

TITULO: Cuantificación de la evapotranspiración de referencia bajo condiciones de estrés climático en el desierto de Atacama, provincia de Iquique, I región, Chile

Escriba 3 palabras claves que identifiquen el proyecto de tesis

Evapotranspiración Desierto Estrés

I.1. INVESTIGADOR(A) RESPONSABLE

Arenas Charlín Jorge Roberto 5.812.256 - 4 APELLIDO PATERNO APELLIDO MATERNO NOMBRES RUT

DIRECCION PARA ENVIO DE CORRESPONDENCIA (CALLE, Nº, DEPTO., COMUNA)

Iquique 121 57-445190 57-445190 CIUDAD CASILLA TELEFONO FAX

[email protected] DIRECCION DE CORREO ELECTRONICO

Universidad Arturo Prat

INSTITUCION FIRMA INVESTIGADOR RESPONSABLE



2

2. RESUMEN:

Las formulas clásicas para evaluar la evapotranspiración de las plantas, han sido determinadas para ambientes en donde los cultivos están sujetos a niveles de moderados a bajos de estrés térmico y lumínico. En ambientes de alto estrés, como son las condiciones de desierto, varios de los mecanismos de regulación del flujo de agua pueden actuar, modificando los coeficientes de partición de la energía radiante. Esto puede originar importantes errores en la estimación del flujo evapotranspiratorio a partir de los métodos clásicos. Con ello, se dificulta además el dimensionar los sistemas de riego cuyo principal objetivo sea ajustar los aportes de agua con las reales necesidades de las cubiertas vegetales. Surgen así varias interrogantes: a). ¿Cuál es evapotranspiración potencial efectiva del sector? b) ¿Se está aplicando realmente la tasa de riego requerida por un cultivo determinado? c). En caso de existir diferencias significativas entre la evapotranspiración de cultivo teóricamente

calculada y la que efectivamente se produce. ¿Cuáles son las causas biofísicas que explican esa diferencia? ¿Cuál será la magnitud de la diferencia de la ET entre las plantas sometidas a las condiciones

de estrés y los valores calculados por las fórmulas convencionales. Son múltiples las dudas y faltas de información que no permitirían el decir con precisión si el cálculo de los requerimientos hídricos de las plantas que se está realizando es apropiado o no para un ambiente restrictivo como es el desierto. El problema descrito con anterioridad adquiere especial relevancia cuando la producción se realiza en un ambiente que posee múltiples restricciones ambientales: escasez de agua, alta salinidad y alta radiación solar.



3

3. HIPÓTESIS DE TRABAJO: Para las condiciones de la pampa del tamarugal, las formula empíricas de calculo sobrestiman la

evapotranspiración de referencia (ETr). Lo anterior es consecuencia de mecanismos fisiológicos de

control que operan bajo condiciones de estrés térmico e hídrico. Las ecuaciones climáticas consideran

aumentos indefinidos de la ET en función de la temperatura y la radiación solar, pero las plantas tienen

mecanismos de control fisiológico que reducen la evapotranspiración calculada a partir de estas

fórmulas. 3.1 OBJETIVOS: (generales y específicos). OBJETIVO GENERAL Evaluar el flujo de evapotranspiración del cultivo alfalfa en un ambiente desértico. Pampa del

Tamarugal, provincia de Iquique, I región OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Validar la fórmula teórica de Penman Monteith para el cálculo de ETr.

2. Proponer un conjunto de fórmulas empíricas que hagan mas preciso el cálculo de la ETr para el

desierto



4

4. ANTECEDENTES GENERALES DE LA INVESTIGACIÓN PROPUESTA.

4.1.- CARACTERÍSTICAS GENERALES DE CANCHONES La Estación Canchones se encuentra ubicada al interior de la provincia de Iquique, aproximadamente a 100 km al S.E. de la ciudad de Iquique, en la comuna de Pozo Almonte. Su altitud es de 1.000 m y sus coordenadas 20° 26,5´ S y 69° 32,2’ O. En el cuadro 1 se presentan las características ambientales promedio de los años 2001 al 2004.

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicMáxima 34,9 36,0 35,4 34,9 34,3 33,2 33,2 35,3 35,5 36,6 36,1 36,5Promedio 18,4 22,1 21,8 18,3 16,3 13,1 13,9 15,2 16,5 18,4 18,6 20,2Mínima 3,0 9,9 7,0 2,2 -0,7 -4,5 -4,6 -3,2 -0,7 0,5 2,1 3,3

803,0 937,7 875,3 794,0 696,3 621,0 633,3 743,0 833,0 885,3 911,3 926,7Máxima 81,7 78,7 79,3 85,7 86,3 88,0 83,3 84,7 86,0 80,7 79,3 80,0Promedio 41,2 47,2 46,2 45,4 38,5 36,1 33,5 29,2 29,7 29,1 33,7 38,3Mínima 11,3 16,7 15,0 10,0 8,7 6,7 7,0 5,7 5,0 6,3 7,0 9,7Máxima 909,1 908,6 908,8 909,2 909,5 909,9 910,0 910,2 910,9 908,9 908,8 908,4Promedio 905,2 904,0 904,4 904,8 905,0 905,7 906,0 905,5 905,5 904,4 904,6 904,4Mínima 900,7 899,1 899,8 899,9 900,7 901,3 901,3 900,7 900,7 900,2 900,0 899,3Máxima 6,1 7,0 6,1 6,6 5,1 4,8 7,6 5,8 6,1 6,4 5,7 7,2Promedio 1,2 1,2 1,1 1,2 1,6 1,0 1,3 1,3 1,3 1,5 1,2 1,4

Velocidad del Viento m/s

Temperatura °C

Radiacion máxima W m2

Humedad relativa %

Presion mbar

Cuadro 1. Promedio mensual (período 2001-2004) de variables climáticas de la Estación Canchones El clima de la Estación posee una amplia oscilación entre los valores máximos y mínimos. Las temperaturas oscilan entre el día y la noche, con diferencias que alcanzan 30 °C, o mas, ocurriendo la máximo de variación durante el mes de julio, con 37,7 °C. Para el caso de la humedad relativa, el máximos es superiores al 80%, mientras que los menores valores de humedad son, del 10%. Otra variable relevante es la velocidad del viento, con gran diferencia entre la velocidad media y máximas del día. Para un análisis agro meteorológico, es fundamental conocer el comportamiento de estas variables durante el día, el cual, dividió en 4 etapas, las cuales se encuentran descritas en el cuadro 2.

ETAPA 1 00:01 - 06:00 ETAPA 2 06:01 - 12:00 ETAPA 3 12:01 - 18:00 ETAPA 4 18:01 - 24:00

Cuadro 2. Identificación de etapas del día.



5

VELOCIDADES PROMEDIO DEL VIENTO POR ETAPA

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

2001 2002 2003 2004

(m/s)

Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4

RADIACIÓN PROMEDIO POR ETAPA

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

2001 2002 2003 2004

(W/m

2)


Figura 1. Variables ambientales de la Estación Canchones para el período 2001 - 2004 La figura 3 muestra que el estado 3 es diferente a los otros estados. Durante esta etapa del ocurren la mayor temperatura (figura 1A), la menor humedad relativa (figura 1B), la mayor radiación (figura 1C), y las mayor velocidad del viento (figura 1D). Por lo anterior, desde el punto de vista de estrés ambiental, es la etapa 3 (12:01 - 18:00) la mas restrictiva, ya que en ella se manifiestan las mayores condiciones restrictivas para las plantas, ya que ocurren de manera simultánea un serie de variables ambientales restrictivas que por si solas ya podrían ser limitantes para los cultivos.

HUMEDAD RELATIVA PROMEDIO POR ETAPA

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

2001 2002 2003 2004

(%)


TEMPERATURAS PROMEDIO POR ETAPA

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

2001 2002 2003 2004

(°C

)


A B

C D



6

Un antecedente importante para entender las particularidades climáticas de Canchones es su ubicación en un extremo del sector plantado con bosque del salar de Pintados (figura 2). Figura 2. Vista satelital de sector Estación Canchones y alrededores (Satélite Landsat 1999) Los límites sur y oeste, están expuestos a condiciones de desierto absoluto, sin vegetación, por lo tanto, es de gran importancia el conocer el origen de los vientos. Con el fin de evaluar lo anterior, se hizo un análisis, por etapa, de las direcciones predominantes del viento (figura 3). Figura 3. Origen del viento según etapa del día en la Estación Canchones.

En la figura anterior, la etapa 3 se diferencia de las etapas 1 y 2 en lo referente al origen del viento. Mientras en las etapas 1 y 2 predomina el viento proveniente desde el nor oeste, es decir desde el sector

ETAPA 1

0,0%5,0%

10,0%15,0%20,0%25,0%30,0%35,0%40,0%

NNNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSESSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNWETAPA 2

0,0%5,0%

10,0%15,0%20,0%25,0%30,0%35,0%40,0%

N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSESSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

ETAPA 3

0,0%5,0%

10,0%15,0%20,0%25,0%30,0%35,0%40,0%

N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSESSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

ETAPA 4

0,0%5,0%

10,0%15,0%20,0%25,0%30,0%35,0%40,0%

N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSESSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

Pica

Canchones

N



7

plantado con bosque, durante la etapa 3 (12:01 – 18:00 horas), el viento predominante proviene desde el sur y sur oeste, donde solamente existe desierto, sin vegetación. Lo anterior implica que la etapa 3 es, seguramente, donde ocurre la mayor parte de la evapotranspiración diaria, estando este proceso muy influido por el viento proveniente desde el desierto, con un fuerte proceso advectivo, con alta temperatura, baja humedad relativa y eventuales torbellinos con viento a alta velocidad.

4.2.- CALCULO DE EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA (ETr).

La ETr es la evapotranspiración que tiene un cultivo referencial. 4.2.1.- Cultivo referencial. Allen et al.. (1994) han señalado que el cultivo de referencia debiera ser un cultivo hipotético que posee las siguientes condiciones: Altura 0,12 metros Resistencia de la canopia 70 s m-1 Albedo 0,23 Especie Adaptada a estación fría, tal como Ballica inglesa (Lolium perenne L.)

Otro autor (Snyder et al. (200) la American Society of Civil Engineers (ASCE)) en su comité de evapotranspiración e hidrología ha recomendado a 2 cultivos que deben ser adoptados para ser usados como cultivos de referencia para la evapotranspiración: a) ET0, es la Evapotranspiración de referencia para un cultivo bajo de una altura aproximada de 0,12

m (similar al pasto) b) ETr es la ET de referencia para un cultivo alto de una altura aproximada de 0,5 metros (similar a la

alfalfa). Los estudios relacionados con la ET de la alfalfa y el pasto tienen especial importancia ya que la alfalfa y el pasto son especies vegetales usadas como cultivos de referencia para la estimación de la evaporación de referencia (Mazahrih, N; 2004). La selección del cultivo de referencia (alfalfa o pasto), depende de la condición ambiental del sector en donde se haga la evaluación (Allen et al.., 2000). La alfalfa esun mejor cultivo de referencia que el pasto, ya que los valores de este cultivo usados en Penman Monteith son más apropiados para una condición semiárida o árida (Evett, S. et al.; 1998), tal como es la condición de la Pampa del Tamarugal. Uno de los problemas planteados por Allen et al. (2000) es la dificultad para encontrar una equivalencia entre ET0 y la ETr, señalando que lo anterior correspondería a un déficit en la medición de parámetros meteorológicos, en la predicción de la radiación neta y del flujo del calor del suelo y, por último, por las variaciones ambientales que existan en los datos generados por los 2 tipos de cultivo de referencia en 2 sectores diferentes. Es necesario establecer un tipo de equivalencia entre ambos valores de la evapotranspiración, ya que de no ser así, se podrían definir, en un mismo momento y para el mismo sector, 2 valores de evapotranspiración para un mismo cultivo, dependiendo de cual valor se usará (ET0 o ETr). Para afrontar el problema anterior, Gullik (2001) propuso el procedimiento expuesto en la expresión 1:



8

ETr Evapotranspiración de referencia calculada con alfalfa (mm) ET0 Evapotranspiración de referencia calculada con pasto (mm) Coeficiente Coeficiente de transformación de ET0 en ETr (ver cuadro 3)

Condición Coeficiente Zona húmeda con vientos reducidos 0,75 Zona semiárida con vientos moderados 0,83 Zona árida y ventosa 0,91

Cuadro 3. Coeficientes de transformación de ET desde pasto a alfalfa Por ejemplo, si la ET0 determinada fuera de 11 mm, el sector tuviese las características de una zona árida y ventosa, el valor equivalente de ETr sería el siguiente:

ETr = 11 * 0,91 = 9,9 mm 4.2.2.- Determinación de evapotranspiración de referencia para el sector. (ETr). De acuerdo a Evett, S. et al (1998) y Hübener et al (2004), existe una creciente evidencia que, para muchos ambientes, la formulación teórica para calcular la evapotranspiración no predice de manera precisa la ET de referencia, especialmente en ambientes áridos y semiáridos La ETr de la alfalfa es la evapotranspiración de referencia diaria de un cultivo bien regado, en activo crecimiento, de al menos 30 cm. de altura, mientras que la ET0 de un pasto es la evapotranspiración de referencia diaria de un cultivo de 8 a 15 cm de altura, que esta en activo crecimiento, que cubre completamente el suelo y que no tiene restricción de agua (Ley, T. 2005). La ecuación de balance hídrico señala que:

Precipitación Precipitación ocurrida durante período de medición Riego Agua aplicada mediante método definido ETc Evapotranspiración del cultivo ES Escurrimiento superficial PP Percolación profunda ∆θ variación en el contenido de humedad del suelo

( )2∆θPPESETcRiegoiónPrecipitac ±++=+

( )10 eCoeficientETETr ×=



9

Teniendo en cuenta que, en la práctica, la precipitación del sector es inexistente y que se puede evitar el escurrimiento superficial al regar por goteo, se tiene Al despejar la evapotranspiración de referencia (ETr) de la expresión (3), queda la siguiente expresión. Un manejo apropiado del riego hará que la percolación profunda no sea significativa, con lo anterior la ETr se puede calcular a partir de (4)

Teniendo en consideración que la cantidad de agua aplicada con el riego es un dato conocido, el valor resultante de la expresión (5) se relacionará con la variación del contenido de humedad del suelo. Por lo anterior es que se plantea la determinación de esta variable para conocer ETr. Para la determinación de la variación en el contenido de humedad, se usarán 2 metodologías: 4.2.2.1.- Impedancia magnética. Esta técnica se basa en la oposición que el suelo impondrá a un campo magnético emitido por una fuente. La velocidad con la cual se propaga una onda electromagnética en un medio está representada por la siguiente expresión υ velocidad de propagación de la onda c velocidad de la luz en el vacío ε constante dieléctrica (permitibilidad) Por lo anterior, al poderse medir la velocidad de transmisión de la onda se podrá estimar cual será la constante dieléctrica del suelo (Cooper, 2004). En el siguiente cuadro se observa el valor de ε para distintos constituyentes de un suelo

Constante dieléctrica Agua ≈ 80 Suelo ≈ 4 Aire ≈ 1

Fuente: Delta-T Devices, 2004 Cuadro 4. Constantes dieléctricas Tomando en consideración los valores contenidos en el cuadro 4, la constante dieléctrica de un suelo húmedo estará muy relacionada con su contenido de humedad, y variaciones en esta se relacionarán con su variación en el contenido de humedad (Magán, et al, 2001; Muñoz, R. 2004)

( )3∆θPPETrRiego ±+=

( ) ( )4∆θ-PPRiegoETr ±−=

( ) ( )5∆θRiegoETr ±−=

( )6ε

υ c=



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En la siguiente figura se representa la relación existente entre el contenido volumétrico de humedad (θv) y ε0,5. Figura. 4 Relación entre la raíz cuadrada de ε y θv. La figura anterior se podrá expresar por la siguiente expresión (Miller and Gaskin, 2000) En donde los coeficiente a0 y a1 dependen del suelo con el cual se trabaje

Tipo de suelos a0 a1 Minerales 1,6 8,4 Orgánicos 1,3 7.7

Cuadro 5. Coeficientes a0 y a1 4.2.2.2.- Lisímetros. Estos instrumentos miden en forma directa la variación en el contenido de agua del suelo, siendo estos instrumentos la mejor forma de determinar el consumo de agua por las plantas (Sayler et al., 1984), aun cuando no existe un modelo único estos lisímetros poseen un diámetro superior a los 11 cm y una profundidad superior a los 130 centímetros. Sin embargo, dificultades técnicas y económicas explican que muchos investigadores hayan optado tanto por el uso lisímetros de menor tamaño y que se denominan tanto como microlisímetros o minilisímetros (Fronza, D. y Folegatti; M., 2003 en Estevia ; Vidal et al., 2002, en trigo, Khan et al., 1998 en Digitaria swazilandensis; Tuñon et al.. 1999 en cítricos). Estos micro o minilisímetros son de distintos tamaños y formas, con diámetros inferiores a los 100 cm y una profundidad que no excede los 70 cm. Además de registrar la pérdida o ganancia de agua, los lisímetros registran el agua de drenaje que equivaldría a la percolación profunda. Dependiendo de la metodología definida, existen lisímetros de pesada (Vidal et al., 2002; Tuñon et al.,

( )71

0

−=

aa

vεθ

×

=1

2ln60rrZ

ε

+−

=LM

LM

ZZZZρ

Fuente:Miller and Gaskin, 2000



11

1999; Sayler et al.. 1984), hidráulicos (Khan et al., 1998), variación de altura de agua (Fronza, D. y Folegatti, M.; 2003).

4.3.- VALIDACIÓN DE FORMULA PARA CONDICIONES DEL NORTE DE CHILE

Las ventajas de las fórmulas empíricas de cálculo de evapotranspiración radican en que se pueden usar para una gran cantidad de situaciones, condiciones y cultivos, son relativamente fáciles de aplicar y sirven para una gran variedad de especies. Existen múltiples referencias que señalan que, por su origen empírico y como consecuencia de una ausencia de validación local fórmulas tengan una menor precisión para determinadas condiciones ambientales (Evett, S. et al.. 1998; Eitzinger, J. et al., 1999) 4.3.1.- Formula de Penman – Monteith. Una expresión ampliamente usada y aceptada es la formula de Penman – Monteith, la cual es expresada por Allen et al. (1998) por la siguiente expresión.

(8) En donde,

∆ pendiente de curva de presión de vapor (kPa/°C) Rn Radiación neta (MJ /(m2 x día)) G Flujo de calor desde el suelo (MJ /(m2 x día)) ρa densidad del aire (kg/m3) Cp calor específico a presión constante (1,103 x 10-3 MJ / (kg x °C)) es Presión de vapor a saturación a la temperatura T (KPa) ea Presión de vapor actual (kPa) ra resistencia aerodinámica (s/m) λ calor latente de vaporización ( MJ/kg) γ constante psicrométrica kPa / °C rs Resistencia superficial (canopia) (s/m)

En la expresión (8), la variable que relaciona directamente al proceso evapotranspirativo con el estado del cultivo es la resistencia de la canopia (rs). Esta resistencia es una respuesta de la planta respecto de diversas restricciones ambientales, estando controlada por la apertura y cierre de los estomas. (Burt et al., 2002; Buckley et al., 2003 y Gao et al.; 2002) 4.3.2.- Resistencia de la canopia. La resistencia de la canopia es la suma de las resistencias estomáticas de las hojas individuales, las cuales se asume que actúan en paralelo (Mo et al., 2004). Una expresión usada por Allen, R. et al. (1998) y por Howell, T. 1998 para determinar la resistencia de la canopia esta expresado en la siguiente expresión.

+×+∆×

−××+−∆

=

a

s

a

aspan

rr

reecGR

ETr1

)()(

γλ

ρ



12

Para los autores anteriores la resistencia de la canopia es constante, independiente de las condiciones ambientales del sector. Al definirse una IAF cercano a 3, el valor de la resistencia alcanzaría un valor de 70 s m-1. Existen estudios que plantean que la resistencia de la canopia no es constante y que varía dependiendo, entre otras variables de la hora del día y de los días desde la siembra.

En la figura 5A se observa que la resistencia es máxima tanto al principio como al término del cultivo, mientras que la figura 5B indica que la conductancia estomática aumenta hasta aproximadamente las 10 horas para posteriormente disminuir esta variable en forma permanente hasta el atardecer, cuando esta conductancia se hace mínima (resistencia se hace máxima) Existen diversos autores que han tratado de determinar expresiones que calculen esta resistencia a partir de distintas variables ambientales. La expresión que es usada de manera más general es la derivada por Jarvis en 1976, quien determinó una expresión empírica que consideran la radiación, el contenido de humedad del suelo, la temperatura y el déficit de presión de vapor. La expresión de Jarvis citada por Viterbo (2002), por Lhomme et al., (1996) por Ronda, R. et al.. (2001), queda expresada de la siguiente manera:

( )95,0100

IAFrs ×=

Fuente: Shen y col, 2002 Figura 5. Variación estacional y diaria de la conductancia estomática en trigo.

A B

( )10)(4)(3)(2)(1

min

DfTffPARfrr s

s ×××=

θ



13

rsmin Menor resistencia de la canopia. Esta ocurre cuando la planta no esta sometida a

ninguna restricción ambiental f1(PAR) Factor relacionado a la intensidad lumínica. Asume un valor 1 cuando hay una

intensidad lumínica optima para la planta, disminuyendo cuando no hay radiación óptima (por exceso o déficit)

f2(θ) Factor relacionado al contenido de humedad del suelo. Para un contenido de humedad igual o superior a 0,7 veces la capacidad de campo tiene un valor 1, disminuyendo a medida que disminuye el contenido de humedad del suelo y alcanzando un valor 0 para PMP

f3(T) Factor que depende de la temperatura de la atmósfera. Es 1 para temperaturas óptimas del cultivo, disminuyendo a medida que las temperaturas se diferencian del óptimo (por temperaturas muy altas o muy bajas)

f4(D) Factor que depende del déficit de presión de vapor, se indica que sería un factor relevante para bosques y cultivos de frutales pero no para empastadas

A diferencia de lo calculado por la expresión (9), quien determina un valor constante durante el día, Jarvis introduce en la expresión (10) factores que explican una variación de la resistencia dentro del día (radiación, temperatura, déficit de presión de vapor) y otro que se manifiesta dentro de la resistencia en lapsos mayores (contenido de humedad del suelo). Una adaptación de la expresión de Jarvis es la definida por Mo, X. et al. (2004) y que esta contenida en la expresión (11). rcmin Mínima resistencia de la canopia (s m-1) IAF Índice de área foliar (m2 m-2) f1(R) Factor relacionado a la radiación incidente (W m-2) f2(θ) Factor relacionado con el contenido de humedad del suelo (cm3 cm-3) f3(T) Factor relacionado con la temperatura (°C) f4(D) Factor relacionado con el déficit de presión de vapor (kPa)

Esta expresión es similar a la definida por Jarvis (expresión 10), sin embargo incorpora el índice de área foliar como una variable relevante. Además de incorporar el Índice de Área Foliar plantea también diferencias respecto de calcular los distintos factores. En primer lugar, el factor de radiación se calcula a partir de una expresión exponencial respecto de la radiación incidente (R). Respecto del factor humedad (f2(θ)), el cálculo de la misma está en relación a la condición hídrica del suelo, presentándose el siguiente conjunto de ecuaciones. Se define un umbral de humedad (θc) del suelo que corresponde al 75% de la humedad a capacidad de campo(θCDC) (expresión 13)

( )11)()()()(

1min

4321 DfTffRfIAFrcrc

××××=

θ

( )121)( 5001

−

−=R

eRf



14

Dependiendo del contenido de humedad del suelo (θi) respecto del umbral (θc) definido será el valor del factor f2(θ), quedando: Asumiendo un valor 1 si es que (θi) es mayor o igual que (θc). En caso que (θi) sea mayor que PMP pero menor que (θc), entonces asume el valor contenido en la expresión 12: Por último, en caso que (θi) sea cercano o igual a (θPMP), el valor de f2(θ) se calcula por El factor de temperatura se calcula por la siguiente expresión: Por último, el factor de déficit de presión de vapor se calcula a partir de (18) Una propuesta diferente para el cálculo de la resistencia estomática es la planteada por Ortega, S. 2004. El autor anterior plantea un enfoque relativamente distinto al definido por Jarvis, proponiendo una expresión que depende en forma principal del contenido de agua en el suelo (19 a 21)

( ) ( )19FGR

DKrn

vs ×−×∆

×=

( )1800238,01)(4 DDf ×−=

( ) ( )172980016,01)(3 TTf −×−=

( )141)(2 cif θθθ ≥⇒=

( )160)(2 PMPif θθθ ≤⇒=

( )15)(2 PMPicPMPc

cif θθθθθθθθ ⟩⟩

−−

=

( )1375,0 CDCc θθ ×≈

( )21PMPCDC

PMPiFθθθθ−−

=( )20f

pav C

CK

×=ρ



15

ρa Densidad del aire (kg m-3) Cp Calor específico del aire seco (1.013 J kg-1 °C-1) D Déficit de presión de vapor (kPa) ∆ Pendiente de la curva de presión de vapor ( kPa °C-1) Cf Factor de conversión (680 W m-2 (m h-1)-1) Rn Radiación neta (mm h-1) G Flujo de calor en el suelo (mm h-1) θi Contenido volumétrico de agua en la zona de raíces θPMP Contenido volumétrico de agua a PMP θCDC Contenido volumétrico de agua a CDC

Dentro de su expresión de cálculo de la resistencia, este autor incorpora 2 variables adicionales que no fueron consideradas en las otras expresiones. Una es que solamente considera la energía disponible, al descontar de la radiación neta (Rn) el flujo del calor desde el suelo (G), la otra es que incorpora la pendiente de la curva de presión de vapor, con lo cual permitiría estimar de mejor forma la velocidad con la cual se estaría produciendo el proceso evapotranspirativo desde las hojas.

5. METODOLOGIA

5.1.- CALCULO DE EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA (ETr).

5.1.1.- Cultivo referencial. Para la investigación planteada se usará la alfalfa como cultivo referencial, a partir del cual se harán las evaluaciones de evapotranspiración referencial. La elección de este cultivo se fundamenta en lo siguiente: a) Es un cultivo adaptado al sector y, por lo tanto, se disminuirá la probabilidad que se manifiesten

estreses de adaptación por radiación, salinidad, humedad relativa u otra variable ambiental restrictiva.

b) Es un cultivo permanente que no entra en receso durante el período de menores temperaturas (mayo – julio), por lo tanto se pueden tomar registros durante los 12 meses del año.

c) El cultivo cubre completamente la superficie del cultivo, asegurándose una mayor homogeneidad en la evapotranspiración referencial medida.

d) El cultivo se puede manejar de tal forma que siempre mantenga un mismo estado fenológico y un mismo desarrollo vegetativo.

Se sembrará la variedad Aquarium, regándose por gotéo con el objetivo de regular y controlar con exactitud el agua que se aplica al cultivo. El cultivo se mantendrá a 50 cm. de altura, realizándose los cortes necesarios para que el cultivo mantenga esa altura.



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5.1.2.- Determinación de evapotranspiración de referencia para el sector. (ETr).

Al tratar de evaluar la precisión de cálculo de una determinada fórmula empírica de evapotranspiración, es necesario tener una referencia que mida directamente la pérdida de humedad desde el suelo. Con lo anterior será posible determinar lo preciso del cálculo para un sector determinado o, eventualmente, evaluar lo conveniente de la incorporación de ajustes de las fórmulas para las condiciones del sector. Conocido los valores del agua aplicada mediante el riego y la variación en el contenido de humedad del suelo, puede estimarse la evapotranspiración de referencia (expresión 5). 5.1.2.1.- Riego. El control del agua aplicada con cada riego se hará con un caudalìmetro ubicado a la entrada del sector de riego, con el cual se controlará la entrada de agua al sistema. Teniendo en consideración que:

• La aplicación de 10 m3/ha (1 litro por metro cuadrado), equivale a la aplicación de una lámina de 1 mm de agua a esta superficie.

• Implicando lo anterior que regar con un equivalente a 1 litro por metro cuadrado, es lo mismo a la aplicación de una altura de 1 mm de agua por m2.

5.1.2.2.- Determinación de la percolación profunda (PP). Aun cuando la profundidad del riego podría controlarse mediante el tiempo de riego, la heterogeneidad del suelo y de los goteros podría implicar que en algunos sectores el agua se infiltrará mas allá de la zona de raíces, con lo cual el valor de PP de la expresión 4 sería distinto de cero, dificultándose una determinación mas precisa de la variación de humedad del suelo. Para estimar la PP se usarán 3 lisímetros de 225 litros de capacidad cada uno (0,57 m de diámetro y

0,88 m de altura). En la parte inferior de este lisímetro se instalará una tubería de drenaje, la cual recogerá el agua que estaría drenando a una profundidad mayor que 0,88 metros. Considerando que el área del lisímetro será de 0,255 m2, y teniendo presente que 1 mm de agua equivale a 1 litro por m2, se tiene que el drenaje de 1 litro equivaldrá a 3,92 mm de agua percolada, valor que debiera considerarse en la expresión 4. Una vez hecha la corrección anterior, puede relacionarse de manera muy significativa la variación en el contenido de humedad con la ETr.

Figura 6. Esquema de lisímetros de percolación



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5.1.2.3.- Determinación de la variación en el contenido de humedad.

Para la estimación de la variación en el contenido de humedad, se hará uso de 2 metodologías. a) Profile probe. Este equipo mide el contenido de humedad del suelo a distintas profundidades.

Consiste en una varilla de 25 mm de diámetro que tienen sensores incorporados a distintas profundidades. Al tomarse una lectura, el sensor se introduce dentro de un tubo de acceso, el cual tiene paredes de un espesor que maximiza la penetración del campo electromagnético dentro del suelo. La oposición del suelo a este campo electromagnético estará en directa relación a su contenido de humedad (ver punto 4.2.2.1). En cada ocasión se tomaran 5 mediciones con este instrumento. Las principales características del instrumento son las siguientes (Delta-T Devices, 2004): Mide el contenido volumétrico de agua en el suelo Es de fácil instalación con una muy baja disturbación del suelo (28 mm de

diámetro) Trabaja apropiadamente en suelos salinos Se puede calibrar el equipo, de acuerdo a las características específicas del

suelo La precisión es de ± 0,04 m3 m-3

Figura 7. Esquema del Profile Probe b) Microlisímetros. Estos serán recipientes cerrados de 15 cm

de diámetro y 50 cm de profundidad, lo cual implicará un área de 176 cm2. Mediante la variación en el peso del microlosímetro, se medirán las variaciones en el contenido de humedad del suelo, para un período determinado. Lo anterior se fundamenta en que para períodos reducidos (1 día), la variación relevante en el peso del microlsímetro será su contenido de agua.

Con lo anterior, se tiene lo siguiente: Figura 8. Esquema de los microlisímetros Con lo anterior, y para la superficie de 176 cm2 de microlisímetro se tiene lo siguiente: Lo anterior, implicará que la evapotranspiración de 1 mm de agua tendrá un peso de 17,6 gramos, con lo cual no se requerirá de una balanza de alta precisión para registrar de manera precisa las fracciones de milímetro que se evaporen. En el sector de medición se instalarán 6 microlisímetros.

22

111

mkg

mlitro

evaporadomm == 22 101

000.10000.1

1cmg

cmg

evaporadomm ==

21766,171cm

gevaporadomm =



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5.2.- VALIDACIÓN DE FORMULA PARA CONDICIONES DEL NORTE DE CHILE

La expresión de de Penman – Monteith expresada por Allen, 1998 (expresión 8), considera las siguientes variables que serán medidas.

Variable por medir Equipo de medición ∆ pendiente de curva de presión de vapor Temperatura Estación meteorológica

Rn Radiación neta Radiación neta Radiómetro modelo Q-7.1

G Flujo de calor desde el suelo Flujo de calor Sensor modelo HFT3 Temperatura del aire ρa densidad del aire Presión atmosférica Estación meteorológica

Cp calor específico a presión constante 1,103 x 10-3 MJ / (kg x °C)

es Presión de vapor a saturación a la temperatura T Temperatura del aire Estación meteorológica

ea Presión de vapor actual Humedad relativa Estación meteorológica

ra resistencia aerodinámica Velocidad del viento Estación meteorológica

λ calor latente de vaporización Temperatura del aire Estación meteorológica

γ constante psicrométrica Presión atmosférica Estación meteorológica

rs Resistencia superficial (canopia) Ver punto 4.3.2 Cuadro 6.- Variables por ser medidas para evaluar fórmula de Penman - Monteith

Para evaluar lo ajustado de la fórmula de PM en su expresión definida por Allen et al. (2000) para el cálculo de la ETr, se usará la expresión 9 de resistencia, pudiendo estos datos considerarse como el testigo. En forma paralela se calculará la ETr con PM incorporando las fórmulas de resistencia 11, y 19. En forma paralela, los resultados de PM se compararán con los de variación en el contenido de humedad del suelo (expresión 4), pudiéndose así determinar lo preciso de esta expresión (Penman Monteith) para determinar la ETr y, cual de las resistencias de canopia incorporadas le define una mejor predictibilidad. El valor de Radiación Neta (Rn) será medido con un radiómetro modelo Q-7.1, mientras que el flujo de calor desde el suelo (G) será medido con un sensor de flujo de calor modelo HFT3, siendo ambos equipos producidos por Campbell Scientific, Inc. Lo anterior, se hace teniendo en consideración lo señalado por Allen et al.. (2000), respecto de los problemas que poseen las fórmulas teóricas para estimar tanto la radiación neta (Rn) como el flujo de calor del suelo (G). La existencia de errores en la estimación de los valores de Rn y G, pueden producir errores significativos en los valores de ETr calculados por la expresión 8.



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5.2.1.- Sensores usados 5.2.1.1.- Radiómetro de radiación neta.

Figura 9. Radiómetro neto modelo Q-7.1 de Campbell Scientific inc. El radiómetro Q-7.1 es un sensor que registra la suma algebraica de la radiación que entra la que sale (radiación de onda corta y onda larga). La radiación de entrada consiste en la radiación directa mas la difusa y la radiación de onda larga proveniente desde el cielo. La radiación de salida consiste en la luz reflejada mas la emisión de onda larga desde la tierra (Campbell Scientific, 1996). Las principales características de este sensor son: a) 60 terminales con una baja resistencia eléctrica (4 ohms nominal), de tal forma de disminuir el

ruido. b) Respuesta espectral entre 0,25 hasta 60 µm c) Las mediciones se hacen cada 30 segundos 5.2.1.2.- Medidor de flujo de calor desde el suelo (G). La disposición del equipo en el suelo es la mostrada en la figura 10.

Figura 10. Medidor de flujo de calor desde el suelo modelo HFT3 de Campbell Scientific inc.



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Los sensores de flujo de calor se instalan a una profundidad de 8 cm. Con el fin de medir el cambio en la temperatura del suelo sobre el sensor HTF3, se instalan 2 termocuplas a las profundidades de 2 y 6 cm respectivamente. Por último, el reflectómetro CS615 se usará para medir la variación en el contenido de humedad del suelo. La variación en la temperatura del suelo y de su contenido de agua, son usados para determinar el la capacidad de almacenamiento de temperatura del suelo. Para el cálculo del flujo de calor se han propuesto las siguientes expresiones (Campbell Scientific, 1999) G Flujo de calor del suelo G8cm Flujo de calor del suelo a 8 cm S Capacidad de almacenamiento del suelo ∆Ts Variación de la temperatura del suelo para el intervalo definido Cs Capacidad calórica del suelo húmedo d profundidad de la medición t intervalo entre una medición y otra

ρb densidad aparente del suelo ρw densidad del agua Cd Capacidad calórica del suelo seco (840 J kg-1 K-1 Cw Capacidad calórica del agua θm Contenido gravimétrico de agua del suelo θv contenido volumétrico de agua del suelo. Este se mide con el sensor CS615

( )228 SGG cm +=

( )23t

dCTS ss ××∆=

( ) ( )25wwvdbwmdbs CCCCC ××+×=×+×= ρθρθρ( )24vb

wm θ

ρρθ ×=



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5.2.2.- Optimización de fórmula. Para esto se usarán 2 expresiones para el cálculo de la resistencia de la canopia, estas son:

a) Mo et al. (2004), expresiones 11 a la 18. b) Ortega et al. (2004) expresiones 19 a la 21

Se evaluará el grado de aproximación que las expresiones empíricas de resistencia de canopia tienen respecto de los valores efectivos de resistencia de canopia que presente el cultivo. Las mediciones realizadas para esta evaluación serán:

Variable Expresión que la usa rsmin Mínima resistencia de canopia Mo T Temperatura Mo D Déficit de presión de vapor (kPa) Mo, Ortega IAF Índice de área foliar Mo, Rn Radiación neta (mm h-1) Mo, Ortega G Flujo de calor en el suelo (mm h-1) Ortega θi Contenido volumétrico de agua en la zona de raíces Mo, Ortega θPMP Contenido volumétrico de agua a PMP Mo, Ortega θCDC Contenido volumétrico de agua a CDC Mo, Ortega

Cuadro 7.- Variables por ser medidas para el cálculo de resistencias de la canopia El patrón de referencia usado serán las mediciones con un porómetro, realizadas sobre el cultivo de referencia del estudio (alfalfa).



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6 PLAN DE TRABAJO.

1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 21 Preparar el terreno 2 Instalar sensores en el suelo 3 Instalación de sistema de riego 4 Siembra alfalfa Etr 5 Crecimiento inicial6 Inicio de mediciones 7 Mediciones Etr8 Calculo de Etr por Penman Monteith9 Instalación y validación de sensores10 Cálculo de resistencia de canopia

Etr 11 127 8 9 10 13-24MES

1 2 3 4 5 6



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7 BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA 1) Allen, R.; Smith, A.; Perrier, A. and Pereira L. 1994. An update for the definition of reference

evapotranspiration ICID Bulletin. 43(2): 1 - 34 2) Allen, R.; Pereira, L.; Raes, D. and Smith, M. 1998. Crop evapotranspiration. Guidelines for

computing crop water requirements. FAO Irrigation and Dranaige Paper N° 56. 300 p. 3) Allen, R.; Smith, M.; Pereira, L.; Raes, D. And Wright, J. 2000. Revised FAO procedures for

calculating Evapotranspiration. Irrigtion and Dranaige Paper N° 56 with testing in Idaho. 4) Allen, R.; Elliot, W.; Mecham, B.; Jensen, M.; Howell, R. and Martin W. 2000. Issues,

requeriments and challenges in selecting and specifying a standardized ET equation. 8 p. www.kimberly.uidaho.edu/water/ascewri/NIS_2000_challenges.pdf

5) Buckley, T.; Mott, K. and Farquhar, G. 2003. A hydromechanical and biochemical model of stomatal conductance. Plant, Cell and Environment 26:1767 – 1785

6) Burt, C.; Mutzinger, A.; Howes, D. and Solomon, D. 2002. Evaporation from irrigated Agricultural Land in California. Irrigation Training and Research Center (ITRC). Report N° 02-001. 144 p.

7) Campbell Scientific, Inc. 1999. HFT3 soil heat flux plate. 4 p. www.atd.ucar.edu/rtf/facilities/sensors/micromet/htf.pdf

8) Campbell Scientific, Inc. 1996. Q-7.1 Net radiometer. 8 p. www.weather.austincollege.edu/ACWX-Manuals/q-7-1.pdf

9) Cooper, J. 2004. Soil water measurement. Environmental analisis. International Environmental Analysis. September-october, pp 10 – 12. www.envirotechpubs.com/pdf/iet/2004/iet200409/_010_12.pdf

10) Delta-T Devices ltd. 2004 User manual for the profile probe, type PR2. 42 p ftp://ftp.dynamax.com/Manuals/PR2.pdf

11) Eitzinger, J.; Marinkovic, D. and Hösch, J. Sensitivity of different evapotranspiration calculation methods in different crop-weather models. http://www.iemss.org/iemss2002/proceedings/pdf/volume%20due/161_eitzinger.pdf

12) Evett, S.; Howell, T.; Todd, R.; Schneider, A. and Tolk, J. Evapotranspiration of irrigated alfalfa in a semi-arid environment. In 1998 ASAE Annual International Meeting. Paper 982123. 12 p.

13) Evett, S.; Howell, T.; Todd, R.; Schneider, A. and Tolk, J. 2000. Alfalfa reference ET measurement and Prediction. In. Proceedings of the 4th Decennial National Irrigation Symposium. Pp: 266-272

14) Fronza, D. and Folegatti, M. 2003. Water consumption of the Estevia (Stevia rebaudiana B.) crop estimated through microlysimeter. Scientia Agricola. 60(3): 595 - 599

15) Gao, Q.; Zhao, P.; Zeng, X.; Cai, X. And Shen W. 2002. A model of stomatal conductance to quantify the relationship between leaf transpiration, microclimate and soil water stress. Plant, cell and environment. 25: 1373 – 1381

16) Gulik Van der,T. 2001. Crop coefficients for use in irrigation scheduling. Canada, Ministry of Agriculture, Food and Fisheries. Water Conservation Factsheet. Order N° 577.100-5 6 p.

17) Howell, T.; Evett, S.; Schneider, A.; Todd, R. and Tolk, J. 1998. Evapotranspiration of irrigated fescue grass in a semi – arid environment. ASAE Meeting Presentation. Paper N° 982117. 21 p

18) Hübener, H.; Schmidt, M.; Sogalla, M. And Kerschgens. 2004. Simulating evapotranspiration in a semi – arid environment. Theoretical and Applied Climatology. http://www.impetus.uni-koeln.de/content/b1/TAC_huebener2004.pdf

19) Khan, L.; Gil, J. y Acosta, R. 1998. Diseño y funcionamiento de un lisímetro hidráulico para la medición de la evapotranspiración potencial. Bioagro. 10(1): 11-17



24

20) Ley, T. 2000. Notes on evapotranspiration dat calculated on the paws system. Washington State University. 3 p. www.frost.prosser.wsw.edu/etpaws.note.shtml

21) Lhomme, J.; Chehbourne, A.; Elguero, E. and Boulet, G. 1996. Examination of Monteith´s parameterization of canopy resistance. 4 p. http://www.tucson.ars.ag.gov/salsa/archive/publications/ams_preprints/lhomme.PDF

22) Magán, H.; Domene, M.; Ordiales, R. y Vidal Sebastiá. 2001. Self balance impedance bridge, un método alternativo al TDR para la determinación de la humedad edáfica. Ecosistemas. 3, septiembre – diciembre.

23) Mazahrih, N.; Hamdan, H.; Kresa, M.; Alawneh, Y. and Ayesh. 2004. Determination of actual evapotranspiration and crop coefficient for hot pepper (Capsicum annum L.) inside plastic houses. 17 p. www.mwi.gov.jo/TWDMCP/index/thu/4/Naem20%Mazahreh.htm

24) Miller, J. and Gaskin G. ThetaProbe ML2x. 2000. Principles of operations and applications. Mluri Technical Note (2nd ed). www.macaulay.ac.uk/MRCS/pdf/tprobe.pdf

25) Mo, Z.; Liu, S.; Lin, Z. And Zhao, W. 2004. Simulating temporal and spatial variation of evapotranspiration over the Lushi basin. Journal of Hydrology. 285:125 – 142

26) Ortega, S.; Olioso, A.; Antonioletti, R. and Brisson, N. 2004. Evaluation of the Penman – Monteith model for estimating soybean evapotranspiration. Irrigation Science. 23:1 – 9

27) Muñoz, R. 2004. Field devices for monitoring soil water content. University of Florida. Institute of Food and Agricultural Service. Bulletin 343. 339 http://edis.ifas.ufl.edu/BODY_AE266

28) Ronda, R.; de Bruin, A. and Holtslag, A. 2001. Representation of the canopy conductance in modeling the surface energy budget for low vegetation. Journal of applied Meteorology. 40: 1431 – 1444

29) Sayler, A. and Burman, J. 1984. Design and installation of a weighing lysimeter. Wyoming Water Research Center. University of Wyoming, Laramie. Final Report Project N° 2-92384. 22 p. www.library.wrds.uwyo.edu/wrp/84-09/84-09.pdf

30) Shen, Y.; Zhang, Y.; Kondoh, A.; Tang, C.; Zang, Y.; Chen, J.; Li, W.; Sakura, Y.; Liu, C. Tanaka, T. and Shimada, J. 2002. Measurement and analysis of evapotranspiration and surface conductance of a wheat canopy. Hydrological Processes. 16: 2173 – 2187

31) Snyder, R.; Orang, M.; Matyac, S. and Eching, S. 2002. Crop coefficients. University of California. Department of land, air and water resources. Quick answer ET002. 20 p. www.lawr.ucdavis.edu/coopextn/biometeorology/evapotranspiration/CropCoef/crop-coefficients.htm

32) Tuñon, J; Morell, I. y Ferriols, N. 1999. Observaciones prácticas sobre el cálculo del balance de agua en el suelo. E. Estudios de la Zona no Saturada del Suelo. Editorial Muñoz Capena, Tenerife. ISBN 84-699-1258-5. Pp: 45 – 51

33) Vidal, I.; Etchevers, J. y Fischer, A. 2002. Dinámica del nitrógeno bajo diferentes rotaciones, sistema de labranza y manejo de residuos en el cultivo del trigo. Agricultura Técnica. 62(1): 121 – 132.

34) Viterbo, P. 2002. A review of parametrization schemes for land surfaces processes. Meteorological Training Course Lecture Series. 49 p.

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