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Gestión del Agua

Aplicaciones de la termografía de infrarrojos en la agricultura moderna

Aplicaciones de la termografía de infrarrojos en la agricultura moderna

La relevancia del uso de la termografía en disciplinas tales como la agricultura, la ecología o la eco-fisiología vegetal se basan en el principio básico de que la Tc está directamente relacionada con la pérdida de vapor de agua por transpiración, pudiendo ser usada como una medida para la estimación del nivel de gs. De esta forma, se evita el uso de otras técnicas más tediosas (medidas de intercambio gasesoso), que cuentan además con una mayor limitación para su uso en campo, especialmente cuando se trata de monitorizar grandes áreas de estudio y por lo tanto el desarrollo de un gran número de observaciones.

I. F. García-Tejero (1), J. M. Costa (2,3), R. S. N. Lima (4), V. H. Durán-Zuazo (1), J. L. Muriel (1), M. M. Chaves (2).
1 IFAPA Centro Las Torres-Tomejil. Alcalá del Río, Sevilla
2 LEM, ITQB, Universidade Nova de Lisboa, Oeiras.
3 LEAF, Instituto Superior de Agronomia, Tapada da Ajuda, Lisboa.
4 Setor de Fisiologia Vegetal, Laboratório de Melhoramento Genético Vegetal, Centro de Ciências e Tecnologias Agropecuárias, Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro, Campos, Rio de Janeiro (Brasil).

 

La agricultura moderna se enfrenta a día de hoy a un conjunto de desafíos crecientes para los cuales se ha de buscar una respuesta. Por un lado, la necesidad de producir más y mejor, fruto de una creciente demanda de alimentos, por el aumento de la población mundial, y por otro lado, la existencia de unas condiciones climáticas cada vez más adversas e inciertas (temperaturas más elevadas, menor precipitación). A todo esto hay que unir una mayor competencia por unos recursos naturales (agua y suelo) cada vez más escasos y un mayor control desde el punto de vista legislativo (Ley Marco de Aguas; EWFD, 2000).

Esta situación se hace particularmente complicada en regiones áridas y semiáridas como es el caso del sur peninsular, caracterizado por una creciente falta de recursos hídricos, un clima progresivamente más cálido y seco, y un incremento de la competencia entre los sectores productivos por un recurso tan escaso como limitado como es el caso del agua (Costa et al., 2007; Fraga et al., 2013). En este sentido, la escasez de agua es la causa responsable de elevadas pérdidas de producción agrícola a nivel mundial, afectando en particular a las regiones más áridas, tales como las de la cuenca mediterránea. Sin embargo, el regadío es un pilar fundamental para garantizar no solamente unos niveles de producción agraria acordes con la demanda actual, sino que actúa como un elemento vertebrador de la sostenibilidad económica y el desarrollo de las zonas rurales del sur de Europa.

A día de hoy, España cuenta con más de 3,5 millones de ha en regadío, habiéndose registrado un importante aumento en los últimos años (Esyrce, 2012). En el caso de Portugal esta superficie se acerca las 530.000 ha (INE, 2013). Teniendo en cuenta esta situación, resulta fundamental para mantener la viabilidad de los agro-ecosistemas de regadío la implementación de nuevas estrategias de gestión por parte de los agricultores, unido al desarrollo de políticas que fomenten la introducción de prácticas agrícolas más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente.

Conceptos como “agricultura intensiva sostenible” o “agricultura de precisión” son cada vez más comunes, en los que se contempla una producción más eficiente y con un menor impacto ambiental (Garnett et al., 2013; Tilman et al., 2013). Al mismo tiempo, consumidores y grandes distribuidores son cada vez más conscientes y cuentan con una mayor sensibilidad en cuanto a la problemática ambiental de la actividad agrícola. De ahí la aparición en los últimos años de términos tales como huella ecológica (hídrica, del carbono) asociados a la producción agraria (Lubin y Esty, 2010).

 

Monitorización remota del estado fisiológico de los cultivos

La agricultura moderna cuenta cada vez más con un mayor nivel de tecnificación, a través de la incorporación de nuevas tecnologías usadas en otras disciplinas diferentes al sector agrario. Un ejemplo es el uso de sistemas de detección remota para la monitorización del estado fisiológico de los cultivos. Estos sistemas se basan en la detección y registro de las variaciones espectrales de los cultivos tanto en el rango de la radiación visible, como dentro del espectro electromagnético en el rango del infrarrojo (Jones and Vaughan, 2010).

FIgura 1. a). Imagen de plantas jóvenes de Arabidopsis thaliana (planta modelo) germinadas en una placa de Petri, y con una opción de fusión de imagen (térmica y visible). b) Imagen térmica mostrando dos lineas y entrelinea de una viña comercial.

La detección remota está siendo cada día más usada para el desarrollo de estudios relacionados con la eco-fisiología vegetal, y las aplicaciones prácticas de la misma en la agricultura y ciencias forestales, ya que la información ofrecida puede ser relacionada con varios parámetros morfo-fisiológicos (biomasa, transpiración y fotosíntesis) (Jones and Vaughan, 2010). Las ventajas de la detección remota son varias: es un método no invasivo, no destructivo, rápido y permite trabajar a diferentes escalas (desde plántulas hasta grandes áreas de cultivo (figura 1) lo que permite el registro de datos en tiempo real y obtener información cuantitativa sobre la variabilidad de los cultivos).

Una monitorización eficaz del estado hídrico de los cultivos es esencial para optimizar el uso del agua en la agricultura, así como su desarrollo y producción final. Esto es especialmente significativo en el caso de que se estén desarrollando prácticas de riego deficitario, en donde la cantidad de agua aplicada es inferior a la demandada por el cultivo, lo que provoca situaciones de déficit hídrico tanto en el suelo como en la planta (Fereres y Soriano, 2006; Chaves et al., 2007).

En términos fisiológicos, una situación de estrés hídrico moderado promueve el cierre de los estomas y por ende, un descenso de la conductividad estomática al vapor de agua (gs), a lo cual va unido una disminución más o menos significativa de la actividad fotosintética (An), provocando un incremento de la eficiencia intrínsica del uso del agua (An/gs) (Medrano et al., 2010). Sin embargo, una mala gestión del riego deficitario puede causar importantes pérdidas en la producción y/o la calidad de la misma, en particular, si dicha monitorización no se realiza de una forma precisa en los periodos más críticos para el cultivo, que coinciden con las épocas de mayor demanda evapotranspirativa. Para evitar este tipo de situaciones, son varios los indicadores de estrés hídrico usados en la monitorización del estado fisiológico de los cultivos (cuadro I).

 

Cuadro I. Sensibilidad relativa, coste y aplicación comercial de varios indicadores de estrés hídrico (Modificado de Misra et al., 2005).
  Sensibilidad Coste Aplicación comercial
Indicadores directos
Potencial hídrico foliar / tallo Moderada/Alta Bajo/Moderado Limitada
Condutancia estomática al vapor de agua (gs) Moderada Alto Limitada
Flujo de savia Alta Moderado Buena
Fluorescencia de la clorofila Alta Alto Limitada/Buena*
Indicadores indirectos
Temperatura de la cubierta vegetal (medición puntual) Moderada Bajo Buena
Termografía Alta Alto Buena
Diámetro del tronco (dendrometría) Alta Bajo Limitada?/Buena

Entre los indicadores de estrés hídrico anteriormente citados, la temperatura de la cubierta vegetal (Tc) es el resultado de un balance energético entre las ganancias de energía (radiación incidente y la temperatura del aire circundante) y las pérdidas (debido a la transpiración y evaporación del agua de la superficie de las hojas, que trae consigo una pérdida del calor latente de la superficie estudiada y los procesos de transferencia energética por convección) (Jones and Vaughan, 2010).

La relevancia del uso de la termografía en disciplinas tales como la agricultura, la ecología o la eco-fisiología vegetal se basan en el principio básico de que la Tc está directamente relacionada con la pérdida de vapor de agua por transpiración, pudiendo ser usada como una medida para la estimación del nivel de gs (García-Tejero et al., 2012). De esta forma, se evita el uso de otras técnicas más tediosas (medidas de intercambio gasesoso), que cuentan además con una mayor limitación para su uso en campo, especialmente cuando se trata de monitorizar grandes áreas de estudio y por lo tanto el desarrollo de un gran número de observaciones.

 

Conceptos básicos de la termografía

La termografía es una técnica con un uso bastante amplio en diferentes sectores industriales así como en investigación (industria automovilística, aeronáutica, armamentística, construcción civil, electrónica, medicina, agricultura, fisiología vegetal, etc.) (Kaplan 2007; Costa et al., 2013). Esta técnica se basa en la detección de la radiación infrarroja emitida por los cuerpos, convirtiendo la información obtenida en imágenes visibles con información sobre la temperatura de la superficie de los mismos. Los objetos con una temperatura superior al 0 absoluto (0 ºK, -273 ºC) emiten energía electromagnética en el rango de los infrarrojos (0,75 µm-100 µm) (Kaplan, 2007). Según la ley de Stefan-Boltzmann, esta radiación infrarroja emitida aumenta con la temperatura de los cuerpos (ecuación 1).

 

Ecuación 1.

Ecuación 1

 

La ley de Stefan-Boltzmann es aplicable a cuerpos negros, que son cuerpos ideales, emisores perfectos de radiación infrarroja; o lo que es lo mismo, cuentan con una emisividad (ε) igual a 1. La emisividad se define como la capacidad que tiene todo cuerpo para irradiar energía. Los cuerpos reales tienen una ε < 1, por lo que además de emitir radiación infrarroja, también reflejan una parte de la radiación infrarroja incidente.

Por ello, la radiación total infrarroja que es detectada por la cámara termográfica es el sumatorio de la radiación emitida (εσ (Ts)4) y de la reflejada ((1 – ε) Wbackground) por el objeto observado (ecuación 2), considerándose como no significativa la absorción de la radiación infrarroja por parte de la masa de aire existente entre el objeto estudiado y el sensor de la cámara, cuando la distancia existente no es demasiado grande (algunos metros) o cuando el sensor de infrarrojos trabaja en el rango de los 3-5 o 7-14 μm, donde la transmisividad de la atmósfera a los infrarrojos es máxima (Kaplan, 2007).

 

Ecuación 2.

Ecuación 2

En el caso de que la distancia entre la cámara y el objeto estudiado sea mayor (por ejemplo en el caso de observaciones aéreas), resulta necesario introducir otro factor; la emisión atmosférica (Watm), así como la transmisividad de la atmósfera a la radiación (τ) de acuerdo con la ecuación 3.

 

Ecuación 3.

Ecuación 3

Hoy en día, la mayoría de los softwares con los que trabajan las cámaras termográficas incluyen ya este tipo de correcciones, permitiendo así el desarrollo de mediciones más exactas de la temperatura de los objetos observados. A pesar de ello, es necesario introducir los valores de emisividad, humedad relativa y la temperatura del aire, la distancia al objeto y la temperatura reflejada por el ambiente circundante. Este último parámetro puede ser estimado midiendo la temperatura reflejada por una pieza de papel de aluminio irregular, colocada entre la cámara y el objeto a medir, y usando para ello el valor de emisividad máxima (ε = 1).

 

Índices térmicos

Al contrario de otros parámetros fisiológicos tradicionalmente más usados tales como el potencial hídrico foliar (Ψ) o gs, el uso de TC como indicador del estado fisiológico de la planta cuenta con la dificultad de verse afectado muy fuertemente por las condiciones climáticas en el momento de la medición. En este sentido, las situaciones más favorables para el desarrollo de estas medidas se producen en ausencia de nubes y viento.

Para minimizar el efecto de la variación ambiental (temperatura del aire, intensidad luminosa, viento, humedad relativa) y valorar convenientemente el estado hídrico de un cultivo, se precisa del uso de índices térmicos, calculados a partir de la temperatura del objeto de estudio en cuestión y unos valores de temperatura de referencia (cuadro II).

 

Cuadro II. Índices térmicos derivados de termografía más usados en la monitorización del estrés hídrico.

Tdry – Temperatura máxima de referencia; obtenida a partir de hojas cubiertas con vaselina, simulando la temperatura de hojas con los estomas completamente cerrados. Twet – temperatura mínima de referencia, obtenida tras la pulverización de una hoja con agua y que simula la temperatura de una cubierta vegetal con los estomas completamente abiertos

El procesamiento y análisis de imágenes es una cuestión prioritaria a la hora de  extraer de forma correcta la información contenida en las imágenes capturadas. A día de hoy, los softwares disponibles por la mayoría de los fabricantes de este tipo de tecnología permiten realizar análisis bastante exhaustivos de las imágenes obtenidas, seleccionando aquellas áreas de interés que nos interesa monitorizar.

Figura 2. Procesamiento de imágenes térmicas de plantas jóvenes de almendro (en campo y en macetas) como resultado de un software específico para el análisis de imágenes térmicas que permite excluir automáticamente aquellos píxeles correspondientes con zonas no susceptibles de ser analizadas (ver detalles en García-Tejero et al. 2012).

El problema de muchos de éstos es su alto precio, y que las versiones gratuitas no llegan a ofrecer las mismas prestaciones que las anteriores. Por ello, algunos autores han desarrollado softwares alternativos para su aplicación en las ciencias agronómicas, y que se adaptan mejor a las necesidades del trabajo a desarrollar y de las características inherentes del cultivo estudiado (figura 2) (García-Tejero et al., 2012; Fuentes et al., 2012).

En otras ocasiones, para el análisis de estas imágenes termográficas se realizan análisis complementarios con imágenes reales, en especial cuando la resolución espacial de la cámara térmica es muy baja, o bien cuando se precisan análisis con un mayor detalle (hojas muy pequeñas y finas, necesidad de distinguir zonas sombreadas y zonas soleadas en la cubierta vegetal.

 

Uso de la termografía en la fruticultura mediterránea

Viticultura

Cerca del 55% del área mundial dedicada al cultivo de la vid se localiza en Europa. España tiene un área de 963.000 ha (Magrama, 2012) mientras que Portugal cuenta con 240.000 ha (INE, 2013). El riego en el cultivo de la vid es una cuestión a debate, aunque su introducción ha ido realizándose en los últimos años, especialmente en algunas regiones de España y Portugal como una forma de mitigar los efectos negativos de eventos climáticos extremos (olas de calor), fenómeno cada vez más frecuente en los países de la cuenca sur mediterránea durante el verano. En este sentido, pequeños suplementos de agua pueden aumentar el rendimiento y/o mejorar la calidad de la uva (Chaves et al., 2010).

Figura 3. Imágenes visibles (arriba) e imágenes térmicas (abajo) de secciones de la cubierta vegetal de vides de la variedad Aragonez, (syn. Tempranillo), regadas (FI) y no regadas (NI). Las imágenes visibles permiten discriminar zonas sombreadas y zonas expuestas al sol, y seleccionar zonas de interés en imágenes térmicas de baja resoluçión (120 x 120 píxeles).

El potencial de la termografía para la detección del estrés hídrico en la vid ha sido ampliamente estudiado. En este sentido, diversos autores han desarrollado diferentes trabajos orientados a la optimización de esta técnica para el seguimiento del estado fisiológico de la vid a través de la termografía de infrarrojos, especialmente en situaciones de estrés hídrico (figura 3), registrándose correlaciones significativas entre los valores de gs observados y alguno de los índices térmicos mencionados anteriormente (CWSI, IG) (Jones et al., 2002; Grant et al., 2007; Costa et al., 2012).

Así mismo, se ha determinado que la mejor hora del día para la detección de posibles diferencias de temperatura entre tratamientos de riego, corresponde con el momento de mayor demanda evapotranspirativa. Experiencias más recientes demostraron también la posibilidad de identificar diferencias entre distintas variedades de vid a nivel de su comportamiento estomático (Costa et al., 2012) y por lo tanto, su capacidad de disipar calor y que pueden servir de ayuda en futuros programas de mejoramiento de la vid, tratando de obtener variedades más resistentes a la sequía y a temperaturas elevadas.

 

Citricultura

La superficie española dedicada al cultivo de cítricos asciende a las 317.000 ha, con una producción anual cercana a los 5,7 millones de t (Magrama, 2012). En el caso de Andalucía, esta región destaca por ser la segunda a nivel nacional, con algo más de 86.000 ha y una producción de 1,7 millones de t (Magrama, 2012). Más allá de los problemas derivados de unos precios cada vez más bajos, y de la competencia procedente de países extranjeros, los productores españoles se enfrentan cada año a crecientes restricciones de agua que dificultan la viabilidad de estos agroecosistemas (García-Tejero et al., 2008). En el caso de Portugal, el área dedicada al cultivo de cítricos asciende a las 20.000 ha, con una producción de 258.000 t (INE, 2013), y unos problemas similares a los existentes en el sector citrícola español.

El cultivo de cítricos puede considerarse como exigente en cuanto a sus necesidades de agua (5.000 – 6.500 m³/ha en condiciones mediterráneas) (Marreiros Duarte, 2012; CAP, 2012). Por ello, la aplicación de agua vía riego es fundamental para garantizar una buena producción (tanto en cantidad como en calidad). Simultáneamente es necesario racionalizar el uso del agua en este sector, por lo que la aplicación de estrategias de riego deficitario puede suponer una alternativa a la escasez de agua.

Al igual que en el caso de la vid, el efecto negativo en este cultivo va a depender fundamentalmente del nivel de estrés hídrico impuesto y del periodo fenológico correspondiente (Ginestar y Castel, 1996; García-Tejero et al., 2010). Por este motivo resulta fundamental una monitorización eficiente del estado hídrico para mantener al cultivo dentro de unos niveles de estrés de moderados a ligeros, especialmente en periodos específicos como la floración y crecimiento del fruto (García-Tejero et al., 2010). Autores como Ballester et al. (2013) encontraron relaciones significativas entre la temperatura de la cubierta vegetal y el potencial hídrico al mediodía y la conductancia estomática.

Figura 4. Imágenes térmicas de árboles adultos de cítricos, sujetos a diferentes niveles de riego: regadas (arriba), riego deficitario (medio) y no regados (abajo).

 

Así mismo, Tc resultó ser un parámetro altamente eficiente a la hora de realizar una detección anticipada del estrés hídrico, por encima de otras variables tales como Ψ o gs (García-Tejero et al., 2011), obteniéndose relaciones significativas entre estos parámetros y los valores de ΔT, lo que demuestra la utilidad práctica de este índice frente a otros (CWSI, IG) que cuentan con una mayor complejidad a la hora su aplicación en condiciones de campo.

Una ventaja asociada al uso de la termografía de infrarrojos en el cultivo de cítricos está relacionada con la propia arquitectura del árbol, de manera que plantas adultas logran tener una cubierta casi del 100%, facilitando el procesado posterior de las imágenes (figura 4).

 

 

Almendro

La termografía ha sido también utilizada en el cultivo del almendro como herramienta para el seguimiento del estado hídrico del cultivo.

 

El cultivo del almendro ocupa un total de 27.100 ha en Portugal, siendo mucho mayor en España, con 536.000 ha y una producción de 211.000 t, situándose como el tercer cultivo más representativo detrás del olivar y la viña (Faostat, 2011; Magrama, 2012). Las ventajas de la aplicación del riego deficitario en este cultivo se deben principalmente a la respuesta positiva del mismo a un déficit hídrico moderado en determinadas fases de su desarrollo fenológico (Egea et al., 2010).

La termografía ha sido también utilizada en este cultivo como herramienta para el seguimiento del estado hídrico del cultivo (Garcia-Tejero et al., 2012). Sin embargo, en comparación con otros cultivos como puede ser el caso de los cítricos o la vid, la densidad de la copa es menor, lo que condiciona la robustez y rapidez de esta técnica para la monitorización del estrés hídrico. Por ello, las imágenes térmicas tienen que ser convenientemente procesadas con el fin de discriminar aquellas partes de la copa, y eliminar los píxeles correspondientes con áreas que no se someterán a medición (ramas, tronco o el mismo suelo).

Así, García-Tejero et al. (2012) desarrollaron un software específico que permite transformar la imagen original en una imagen binaria que elimina automáticamente los píxeles correspondientes con el área no foliar (figura 3). Dicho software permite calcular la media y la desviación típica de la temperatura correspondiente a los píxeles conservados, además de ofrecer una estimación aproximada del valor de potencial hídrico al mediodía y la conductancia estomática al vapor de agua, en función de las relaciones previamente definidas a partir del índice térmico ΔT.

 

Otras aplicaciones de la termografía y perspectivas futuras

Más allá de la monitorización del estrés hídrico en plantas, la termografía también ha sido usada para la caracterización del comportamiento de nuevos genotipos/variedades en condiciones de laboratorio y campo, en función de su resistencia al estrés hídrico y térmico (Jones et al., 2009; Costa et al., 2013).

Una utilización combinada de diferentes técnicas de análisis de imágenes ayudará a extraer la máxima información sobre los diferentes parámetros fisiológicos y bioquímicos de las plantas (fotosíntesis, clorofila, gs o eficiencia del uso del agua) (McAusland et al., 2013). Otro aspecto fundamental a tener en cuenta para la optimización del uso de esta técnica será la mejora de los sistemas de análisis y procesamiento de datos que faciliten la emisión de conclusiones y la toma de decisiones por parte del agricultor. La aplicación de índices térmicos más sencillos tales como ΔT facilitará el desarrollo de medidas en condiciones de campo.

Así mismo, el uso combinado de índices térmicos con índices de reflectancia (NDVI- Normalized Difference Vegetation Index) contribuirá también a la validación de esta técnica para la caracterización más precisa del estado fisiológico de los cultivos. Por último, la mejora a nivel de equipamiento y una simplificación de los programas destinados al análisis de estas imágenes facilitará en gran medida el acceso a este tipo de técnicas por parte de técnicos y agricultores, contribuyendo a la optimización de la producción y el manejo sostenible de situaciones de estrés hídrico.