Utilización de un modelo simple de transporte de agua y nitrógeno

Utilización de un modelo simple de transporte
de agua y nitrógeno en el suelo en las
prácticas de Horticultura
V Jornadas de Modelización Matemática
A. Lidón, D. Gómez de Barreda, D. Ginestar
Universitat Politecnica de Valencia
Índice
1. Introducción
2. Modelo del agua
3. Modelo del nitrógeno
4. Casos de estudio
5. Conclusiones
2
Introducción
Introducción
• La asignatura de Horticultura se imparte en el cuarto curso del
Grado en Ingeniería Agroalimentaria y del Medio Rural.
• Consta de dos partes:
• En la primera se estudian algunas de las técnicas agrícolas para el
cultivo de especies hortícolas.
• En la segunda se estudian los cultivos hortícolas, agrupados
según el órgano de aprovechamiento.
4
Introducción
• Para evaluar las prácticas de cultivo utilizadas frecuentemente
por los agricultores desde un punto de vista medioambiental, es
interesante conocer el comportamiento del agua y del nitrógeno
en el suelo.
• Uno de los problemas asociados al manejo del riego y la
fertilización es la lixiviación de nitrato que puede originar
problemas de contaminación en las aguas superficiales y
subterráneas.
5
Introducción
Agua subterránea y nitrato : vulnerabilidad
6
Introducción
• Es importante conocer el impacto de las prácticas agrarias
sobre el contenido de agua en el suelo y la lixiviación de nitrato.
• Se presenta un modelo compartimental sencillo que simula los
principales flujos de agua y nitrógeno en el suelo, y se propone
su utilización en las prácticas de la asignatura para evaluar
distintas estrategias de riego y fertilización en un cultivo de
coliflor.
7
Introducción
8
Modelo del agua
Modelo del agua
• Para estimar el contenido de agua en el suelo se hace uso de un
modelo compartimental basado en el siguiente esquema
P R
ET
L
S
z
D
Figura 1: Balance de agua.
10
Modelo del agua
En la zona de las raíces, para un periodo de tiempo se ha de cumplir
(conservación de la masa de agua),
P + R = ET + S + D ± ∆L ,
P (mm) es la contribución de la lluvia. R (mm) es el riego, ET (mm) es
la evapotranspiración, S (mm) es la escorrentía, D (mm) es el drenaje
y ∆L es la variación de agua en el suelo.
∆L = Lf − Li
11
Modelo del agua
El modelo de la dinámica del agua se establece calculando la lámina
de agua en el suelo L y se basa en las siguientes suposiciones:
1. Hay una lámina máxima Lmax (mm).
2. Hay una lámina máxima frente a la gravedad (“field capacity”)
Lfc (mm).
3. Hay una lámina mínima, Lmin , por debajo de la cual las plantas
no pueden extraer agua.
12
Modelo del agua
• El modelo establece un balance diario tomando como punto de
partida la lámina calculada para el día anterior.
• Se tienen en cuenta los aportes por lluvia y riego en el día,
AT = P + R
• La evapotranspiración potencial
ETmax = kp kc E0
13
Modelo del agua
• La evapotranspiración se calcula


ET ,
L > Lcrit

 max
)
(
Lcrit −L
ETact = ETmax − 0,85ETmax Lcrit −Lmin , Lmin < L < Lcrit



0,15ETmax ,
L < Lmin
• La lámina antes de las pérdidas
L = Li−1 + AT − ETact
14
Modelo del agua
• La escorrentía
S=
• El drenaje
{
L − Lmax , L ≥ Lmax
0,
L < Lmax


Lmax − Lfc , L ≥ Lmax




L − L ,
Lmax > L > Lfc
fc
D=
0,
Lfc ≥ L ≥ Lmin




L − L
L<L
min
min
15
Modelo del agua
• La lámina de agua al final del día es



Lmin , L < Lmin
Lf =
L,


L
fc
Lfc ≥ L ≥ Lmin
L > Lfc
• El modelo necesita determinar las constantes Lmax , Lfc , Lcrit y Lmin
para cada tipo de suelo (calibrado del modelo).
16
Modelo del nitrógeno
Modelo del nitrógeno
Figura 2: Compartimentos y ciclos de carbono y nitrógeno en el suelo.
18
Modelo del nitrógeno
Se establecen ecuaciones de balance para el carbono
dCl
= ADD + BD − DECl
dt
dCh
= rh DECl − DECh
dt
dCb
(1 − rh − rr ) DECl + (1 − rr ) DECh − BD
dt
19
Modelo del nitrógeno
y para el nitrógeno
dNl
ADD
BD
DECl
=
+
−
dt
(C/N)add
(C/N)b
(C/N)l
dN+
+
+
= MINgross − IMM+
gross − NIT − LE − UP
dt
dN−
−
−
= NIT − IMM−
gross − LE − UP
dt
20
Casos de estudio
Casos de estudio
• Cultivo: Coliflor
(otoño-invierno, 150
días).
• Ubicación: Paterna,
Valencia.
• Abonado: Aporte de
gallinaza (julio).
Cobertera (sulfato
amónico).
• Riego: surcos,
• Suelo:
Franco-arcilloso.
22
Casos de estudio
Escenarios:
• Manejo del riego:
• Disminución de la lámina aplicada en la plantación:
• Caso 1 (práctica habitual). Caso 2 (reducción del 50 % primer riego,
y 25 % segundo riego).
• Manejo de la fertilización nitrogenada:
• Dosis: Caso 1: 100 kg N/ha. Caso 2: 50 kg N/ha
• Fraccionamiento: Caso 1: 1 aplicación. Caso 2: 2 aplicaciones.
• Forma química: Caso 1: Sulfato amónico. Caso 2: Nitrato amónico
23
Resultados (Manejo del agua)
Comparación lámina de agua en el perfil y drenaje acumulado.
24
Resultados (Manejo del agua)
Extracción planta a 45 cm (acumulada)
Extracción, kg Nmin/ha
250
200
150
100
50
0
0
15
30
45
60
75
90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270
Tiempo, días
Caso 1
Caso 2
Comparación lixiviación de nitrato y extracción de N por la planta.
25
Resultados (Manejo fertilización)
Extracción planta a 45 cm (acumulada)
Extracción, kg Nmin/ha
250
200
150
100
50
0
0
15
30
45
60
75
90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270
Tiempo, días
Caso 1
Caso 2
Comparación lixiviación de nitrato y extracción de N por la planta.
26
Conclusiones
Conclusiones
• Los modelos de transporte de agua y nitrógeno son útiles para
evaluar los efectos de las distintas prácticas de cultivo (riego y
fertilización) sin necesidad de muestreos y de esperar a los
resultados del cultivo.
• Los modelos sencillos se pueden introducir en las prácticas de
horticultura y permiten discutir la conveniencia de unos riegos y
abonados determinados, desde el punto de vista
medioambiental.
• Se ha mostrado un ejemplo en un cultivo de coliflor típico de la
huerta de Valencia, que podría hacerse extensivo a la rotación
de cultivos típica de esta zona.
28