El uso del Tensiómetro como herramienta para la toma de decisiones de riego en los cultivos hidropónicos bajo invernadero.

Heiner Lieth; Environmental Horticulture; University of California
Traducido y adaptado por: Felipe Calderón Sáenz, I.M. y Ricardo Ambrosio Carrillo, I.A.
Dr. Calderón Laboratorios Ltda., Mayo 12 de 2001
www.drcalderonlabs.com
Avda. 13 No. 87-81 Bogotá D.C., Colombia S.A.
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INTRODUCCION

En el cultivo hidropónico en invernadero, las plantas se siembran generalmente en un medio o sustrato de enraizamiento el cual suele ser un medio artificial o natural muy poroso o a veces un suelo cuyas propiedades físico-químicas han sido modificadas profundamente con diversas enmiendas. El sustrato resultante tiene a veces una alta capacidad de retención de humedad y generalmente permite que el agua se mueva rápidamente. Muchos sustratos permiten que el exceso del agua drene fácilmente, no obstante, el cultivador debe tener cuidado de no sobreparsarse en el riego. El tensiómetro es una de las herramientas más útiles a la hora de determinar el estatus de la humedad de un sustrato.

Con el advenimiento de tensiómetros aptos para medios muy porosos (rango 0 - 10 cb), esta herramienta se está volviendo util para muchos cultivadores. Este artículo trata algunos de los aspectos que usted debe enfrentar cuando trata de afinar las prácticas de riego usando esta herramienta.

Los tensiómetros miden la tensión de humedad o el potencial mátrico de un medio poroso (tal como suelo o sustrato de enraizamiento). En la jerga científica, el "potencial mátrico" es apenas un concepto de una amplia gama de términos que se usan para describir el estatus del agua en suelos y plantas. Está en "unidades de la presión ". Los valores positivos indican la presión, los valores negativos indican la succión o la tensión. Así el potencial mátrico de suelos o de sustratos generalmente es negativo. El término "tensión de humedad" representa el grado de tal succión y está dado como un número positivo. Por ejemplo, si el potencial mátrico de algún suelo es -10 kPa (kilopascales), entonces la tensión de la humedad es 10 kPa. Esto es bastante simple pero puede conducir a la confusión cuando los científicos y los cultivadores se reúnen y comienzan a hablar de tensiones altas o bajas y de potenciales.

En este artículo se utilizará solamente el término "tensión " (más bien que potencial mátrico). Así todos los números serán positivos. Cuanto más alto es el número, más alta es la tensión, mayor el grado de secado. Cuanto más bajo es el número, más baja es la tensión, más mojadas son las condiciones.

Tensión de Humedad en Potes

Antes de entender completamente los diferentes aspectos y la estrategia óptima para el riego basado en tensiometría THS (Tensión de Humedad del Sustrato) es necesario entender cómo la tensión se relaciona con el contenido en agua y cómo ésta varía con la profundidad de la zona radicular. En el gráfico No. 1 se muestra la relación entre la tensión de humedad y el contenido de agua para un sustrato de retención media de humedad. La forma general de esta relación para la mayoría de los sustratos es similar, pero varían bastantes los valores sobretodo a nivel de tensión 10, 50 y 100 cm y afectan fuertemente las recomendaciones finales de cómo efectuar el riego.

Gráfico No. 1

Observe que esta curva ilustra algunas pautas generales de como regar las plantas. La condición mojada (a la izquierda, después de un riego abundante) está representada por tensiones cerca de cero. A medida que el agua es absorbida por la planta (o se evapora) el estatus de agua progresa a lo largo de la curva hacia tensiones más altas y bajos contenidos de agua. Observe que esta mezcla puede tener un contenido inicial de agua del 75%. Si tenemos un recipiente de un litro (1000 ml) lleno de este sustrato, entonces este puede contener 750 ml de agua. Pero observe que una porción significativa de esta agua (220 ml o 22% del volumen total) no está disponible para la planta. Así a pesar de tener una capacidad de retención de humedad del 75%, este sustrato solo puede sostener un agua disponible del 53% (es decir 75% - 22%).

Adicionalmente debemos notar que mucha de esta agua disponible estará casi agotada para el momento en que la sequía haya alcanzado 10 kPa. En este punto, la extracción de una poco más de agua eleva la tensión a 15 kPa y más allá. En tensiones superiores a 10 kPa una planta que está acostumbrada a condiciones bastante húmedas comenzará a mostrar síntomas de marchitez. A menos que uno comience la irrigación bastante pronto, la planta estará expuesta a condiciones que son perjudiciales. Así que generalmente se aconseja regar cuando la tensión está alrededor 5 kPa; después la urgencia aumenta radicalmente con el aumento de la tensión.

Es posible concluir del diagrama que los rangos de tensión mejores para planta va de 1 a 5 kPa y que las tensiones sobre 10 kPa son peligrosas para la planta. El gráfico No. 1 también indica cómo el ser humano puede percibir suelos en varias tensiones de humedad. Es interesante notar que a 10 kPa uno todavía puede detectar la humedad en el sustrato, pero muy poco está siendo disponible para la planta. Así usar el sentido del tacto no es un indicador muy bueno para saber cuando las plantas necesitan ser regadas. Así es deseable utilizar un instrumento para medir el contenido de agua. Mientras que hay numerosos diversos tipos de dispositivos para la detección de la humedad en suelo o en sustratos, solamente uno mide realmente la tensión de humedad: el Tensiómetro.

El Tensiómetro

Un tensiómetro es un dispositivo que puede medir la tensión de humedad en un medio poroso. Consiste en un tubo provisto en una extremidad de un bulbo de cerámica, y de un manómetro de vacío en el otro extremo. De la composición de la cerámica depende que tan rápidamente se mueve el agua hacia adentro y hacia afuera del instrumento. Básicamente, si el instrumento esta diseñado para medir condiciones muy secas (alta tensión), los poros de la cerámica deberán ser muy finos, de tal modo que resistan el vacío generado por la succión del suelo seco. Si el tensiómetro no es para condiciones secas, entonces puede ser hecho de una cerámica más porosa para que el agua pueda moverse mucho más rápidamente. Los tensiómetros tradicionales, diseñados para uso en suelos, tienen texturas de cerámica mucho más finas que los diseñados para el uso en sustratos altamente porosos o arena, y son por consiguiente mucho más lentos en reaccionar a los cambios. Por lo tanto no son tan útiles en los trabajos de invernadero como los tensiómetros que se diseñan específicamente para uso en sustratos muy porosos.

En la siguiente tabla podemos apreciar cuales son las características mas destacadas de las cerámicas utilizadas dependiendo del rango de tensiones a medir.

Tabla No. Presión de Burbujeo para cerámicas de diferente porosidad.

Tomado de Soil Moisture Corp. para las siguientes referencias:
1. (-B0.5M2)* HIGH FLOw
2. (-B01M3)* HIGH FLOW
3. (-B01M1)* STANDARD FLOW
4. (-B02M1)* STANDARD FLOW
5. (-B02M2)* HIGH FLOW
6. (-B03M1)* STANDARD FLOW
7. (-B05M1)* STANDARD FLOW
8. (-B15M1)* STANDARD FLOW

Las referencias 1, 2 y 3 se utilizan en tensiómetros para suelos muy arenosos, sueltos y a sustratos hidropónicos, las referencias 4, 5 y 6 se aplican a suelos francos y franmcoarcillosos y las referencias 7 y 8 se aplican a suelos de texturas finas, pesados y arcillosos.

Por otro lado, el tensiómetro tradicional viene equipado con un manómetro de 0-100 kPa. En los instrumentos diseñados para uso en suelos de campo, las tensiones pueden llegar a ser tan altas como 60 - 80 kPa. En los cultivos hidropónicos no se dan tensiones así de altas, de modo que es necesario utilizar un manómetro que lea preferiblemente el rango a encontrar (0 a 10 kPa). Es también posible substituir el manómetro por un transductor de presión electrónico el cual permite utilizar un instrumento electrónico para visualizar la tensión de humedad que es captada por el bulbo de cerámica con mayor precisión.

TENSIOMETROS EN POTES

Cuando el manómetro se monta en el extremo superior del tensiómetro, este registra toda la succión que se ejerce sobre él. Esta incluye el peso del agua en el tensiómetro así como la tensión del agua en el sustrato. Un aspecto (contraintuitivo) importante es que no es la cantidad total de agua lo que es importante, sino solamente la longitud de la "columna del agua". Por coincidencia cada 10 centímetros de columna del agua (es decir profundidad) corresponden a 1 kPa de la tensión.

Fig No. 2.

En el ejemplo de la figura No. 2 el sustrato tiene 22 centímetros de profundidad; la columna del agua en el tensiómetro tiene 20 centímetros de largo y el bulbo de cerámica del tensiómetro está 14 centímetros sobre el fondo de la matera. Si la matera está saturada (es decir si no se puede agregar más agua sin hacer que gotee fuera de los agujeros en el fondo) entonces la tensión en el fondo de la matera será 0 kPa; en el bulbo de cerámica (hacia arriba 14 centímetros más alto) es 1.4 kPa; en la superficie del sustrato será 2.2 kPa y en el manómetro del tensiómetro será 3.6 kPa (34 centímetros sobre fondo). Así, la lectura más baja posible en el manómetro de este tensiómetro será de 3.6 kPa. Es decir este instrumento no puede leer cero cuando está instalado en esta matera. Una excepción a esta regla ocurre durante un riego abundante, donde es posible tener lecturas momentaneas cerca de cero hasta que exceso del agua haya sido drenado.

Es también importante observar en que parte del ambiente radicular se está midiendo la tensión y cómo la lectura del manómetro se relaciona con esto. Por ejemplo, para cualquier lectura del manómetro, se necesitaría restar 2.0 kPa (longitud en centímetros de agua en el tubo dividido por 10) para determinar la tensión en la extremidad de cerámica. O restar 3.4 kPa para calcular la tensión en el fondo de la matera.

Cuando el manómetro muestra una lectura de 8.6 kPa, significa que el fondo de la matera estará en 5.2 kPa, mientras que el centro de la msima, probablemente el centro de la masa radicular, estará en 6.6 kPa.

Puesto que la zona radicular de la planta es la de interés para nosotros, se recomienda poner la extremidad de cerámica del tensiómetro en la zona donde estarán la mayoría de las raíces. Así que la tensión en la extremidad de cerámica es de importancia primaria. El principal mensaje de este ejemplo es que la lectura del manómetro del tensiómetro necesita ser ajustada para conseguir el valor en la cerámica: usted debe restar siempre un décimo de la longitud del tensiómetro (en centímetros) de la lectura del manómetro para obtener la tensión que es relevante para el manejo del riego.

Por ejemplo, usando el caso de arriba: si usted desea regar cuando la extremidad de cerámica esté en 5 kPa, entonces usted deberá regar cuando el manómetro marque 7 kPa (es decir 5.0 + 20/10 porque el manómetro está ubicado 20 centímetros arriba de la cerámica.)

RIEGO BASADO EN TENSIOMETRIA (TSH)

Hay varias estrategias posibles para usar los tensiómetros. La más simple es utilizar un set-point de tensión alta que indique cuando es necesario aplicar riego. Mediante esta técnica se puede programar el riego. Después se puede seguir el progreso del riego usando el tensiómetro y parar una vez que se haya alcanzado la humedad deseada (generalmente saturación). Si el sustrato drena con facilidad, sto se puede hacer con seguridad usando un temporizador.

Tambien es posible utilizar los tensiómetros como sensores de la humedad para la toma de decisiones de riego. Hay varios tipos de sistema de riego automatizado. Sin importar la tecnología de control, es muy importante que el sistema sea capaz de distribuir el agua uniformemente. Si esto ni sucede entonces allí habrá problemas (sin importar si el sistema está automatizado o no). Incluso si el sistema no es uniforme, uno aun tendrá que tomar la decisión en cuanto a cuándo regar y cuándo parar el riego. Los tensiómetros sonn provechosos en la toma de estas decisiones.

En un sistema de riego basadio en TSH el procedimiento es tener un tensiómetro por cada válvula de riego. Es necesario que el tensiómetro esté en una localización representativa del cultivo a ser regado. Esto significa generalmente que debe seleccionarse una planta que use agua por encima del promedio.

Para realizar este trabajo es necesario definir dos "Set-Points"

1. El set-point de alta tensión, que representa el nivel de sequedad al cual se inicia el riego.

2. Un set-point de baja tensión, que representa el nivel de humedad en el cuál se termina el riego.

Estos Set Points se utilizan como sigue: A medida que se extrae el agua de la zona radicular (generalmente durante horas o días) la tensión en la zona radicular aumenta gradualmente. Una vez alcanzado el set-point de tensión alta se debe iniciar el riego (en operaciones de gran escala esto significa que este sector de riego será programado colocándolo en la cola de riego).

Durante el riego, la tensión bajará después de un tiempo (segundos o minutos) según como se aplique el agua. La tasa de aplicación del agua debe ser lenta de modo que el tensiómetro pueda seguir los cambios en la condición de humedad del suelo o sustrato. Cuando se alcanza el set-point de baja tensión, se da por terminado el riego. Siempre habrá un cierto retraso en este sistema de tal manera que siempre habrá algo de sobre-riego.

Si el set-point de tensión alta fuese demasiado alto y el contenido de agua del sustrato muy bajo, cuando se aplica el agua cerca del tensiómetro puede suceder que esta no se mueva rápidamente hacia los lados. Esta situación debe evitarse puesto que dará lugar a secciones secas en la zona radicular.

OTROS PARAMETROS DE CONTROL

Cuando se usan tensiómetros para control de riego pensando en automatizar un proyecto, se deben tener en cuenta otros parámetros además de los set-points de tensión alta y baja.

Máximo Tiempo de funcionamiento de un acontecimiento de riego.
Este es el tiempo de duración más largo que un solenoide o válvula se debe mantener abierta en cualquier riego. Esto es necesario en el caso de que un incidente cualquiera suceda con la planta representativa en la cual se colocó el tensiómetro o con el emisor, la fuente de agua del sistema de riego, el tensiómetro, o el cableado de la señal. Si se alcanza este máximo, entonces el sistema debe cortar y proporcionar una alerta al usuario.

Mínimo Tiempo de funcionamiento de un acontecimiento de riego.
Este es el tiempo más corto que una válvula o solenoide debe mantenerse abierta en cualquier riego. Esto es necesario porque muchos sistemas instalados tienen circuitos que son demasiado grandes para ser uniformes, de modo que es necesario un tiempo de funcionamiento mínimo para evitar que el sistema riegue una duración tan corta que las plantas a las que les toca recibir el agua de último no alcancen a recibir agua (o demasiado poco). Este parámetro también se necesita para poder funcionarcuando se elige un sistema basado en el método convencional de temporizador-timer

Duración máxima entre dos acontecimientos de riego
Este de parámetro establece el valor más de largo posible de tiempo entre dos riegos (horas o días). Este parámetro es necesario para evitar daños en caso de que el tensiómetro se quede pegado. Esto puede suceder de varias maneras; por ejemplo, una válvula solenoide puede quedar con fugas y permitir que llegue agua al sitio donde está el tensiómetro de modo que nunca llegue al set-point de alta tensión. Este flujo de agua sería inadecuado para todo el cultivo de modo que muchas plantas morirían sin este parámetro. Otra forma en la que pueden ocurrir lecturas falsas es cuando el agua entra en el elemento electrónico asociado al transductor.

Duración mínima entre dos acontecimientos de riego-
Este parámetro es el intervalo de tiempo más corto permitido entre dos riegos (horas o días). Este parámetro es necesario para prevenir daño en caso de que el tensiómetro se quede pegado de modo que el regulador vea continuamente una condición de tensión alta que no cambie. Esto podría ocurrir si el emisor a la planta donde está el tensiómetro se ha tapado inadvertidamente. Podría también ser causado por una señal problema con el transductor o el controlador.

Alarma de tensión alta
El controlador de riego deberá tener capacidad de señalar una condición de alarma. La alarma de tensión alta es necesaria de tal modo que el operador pueda enterarse de que las tensiones que se han elevado por encima de niveles que representan condiciones de peligro. Esto puede suceder si el sistema de riego falla (es decir bomba, válvulas solenoides o emisores defectuosos en donde está el tensiómetro...). Podría también señalar el cableado defectuoso de la señal (dependiendo del diseño del alambrado y procesamiento de la señal). Puede ser que también sea un indicador que el tensiómetro ha sido retirado de la zona radicular y se está secando afuera.

Alarma de tensión baja
El controlador necesita ademása estar dotado de un sistema de alarma por baja tensión. Una alarma de tensión baja es necesaria para alertar al operador de que las tensiones son irrealmente bajas. Esto puede suceder si el cableado de la señal es defectuoso (dependiendo del diseño del alambrado y procesamiento de la señal).

Es posible que un cultivador programe su controlador de tal modo que el set-point de tensión alta quede demasiado alto, que el set-point de tensión baja esté cercano a la saturación, y que el tiempo de funcionamiento máximo sea corto. Esto dará lugar a situaciones donde despues del tiego la tensión no cae hasta el set-point de baja tensión. Habrá razones por las que un operador pueda desear hacer esto, pero si se hace inadvertidamente, podría conducir a problemas (acumulación de la sales, parte del cultivo secándose, etc.)

CALIBRACION

Hay dos aspectos de la calibración al usar los tensiómetros. El primero es asegurar que los instrumentos miden tensiones correctamente, el segundo se relaciona con cómo se utiliza el instrumento. El primer se debe hacer por la firma que hace el instrumento y el equipo del control; el segundo es la responsabilidad del cultivador. Otra manera de decir esto es: el vendedor es responsable de asegurar que los instrumentos se comportan según lo ilustrado en el diagrama arriba, y el cultivador es responsable de usarlo correctamente (es decir identificar la lectura apropiada e ir con las recomendaciones del set-point de la tensión proporcionadas abajo).

La calibración se logra uniendo una manguera transparenteclaro flexible a la porción más baja del tensiómetro. Esto se puede hacer en los tensiómetros cuyo bulbo es desenroscable. De lo contrario es necesario desenrosacar el manómetro y colocarlo en un tubo ex-profeso. La manguera y el tensiómetro se llenan de agua limpia (no debe haber burbujas). El extremo libre de la manguera se levanta de modo que se forme un tubo en U. Acto seguido se alinea el nivel del agua en el tensiómetro con el de la manguera. Una vez que se alineen, deben quedar totalmente equilibrados y la lectura en el tensiómetro debe ser cero. Bajando la manguera, la tensión impuesta en el interior del tensiómetro será la diferencia de altura entre el menisco en el tensiómetro y el menisco en la manguera. Esta diferencia de altura de la columna de agua se convierte a tensión según lo indicado arriba (10 centímetros = 1 kPa). Las columnas del agua de 10 centímetros y de 50 centímetros deben ser verificadas para que el instrumento esté leyendo correctamente 1 y 5 kPa, respectivamente.

SET POINTS

Extensas investigaciones realizadas para determinar los "Set-Points" ideales han demostrado que mantener la humedad en un rango de 1 a 5 kPa es óptimo para las plantas que se cultivan en sustratos. Así que la recomendación del Set-point de tensión alta es 5 kPa; el set-point de tensión baja es 1 kPa. Sin embargo, esta información puede ser confusa si usted considera que la altura del sustrato y la longitud del tensiómetro ambos afecta las lecturas de tensión. Qué significa esto ?

El punto de ajuste de tensión alta de 5 kPa refiere a la tensión en el bulbo de cerámica en la zona radicular. Es la tensión que indica que es hora de comenzar el riego. Veamos lo que sucedde con un sustrato de 60 centímetros de profundidad (o más profundo). Cuando el fondo del recipiente está saturado a nivel del suelo, a 50 centímetros sobre el fondo estará a 5 kPa. Es decir estaría siempre en necesidad de riego. Bajo tales circunstancias el sustrato diagramado en la figura 1 no sería apropiado. Sería necesario utilizar un sustrato (quizás unoque incluya muchas partículas finas, quizás suelo de campo) con una curva de absorción de humedad que no caiga tan rápidamente entre 0 y 10 kPa como lo hace la mezcla de este ejemplo.

El punto de ajuste de tensión baja de 1 kPa es el punto donde el rigo debe pararse. En la mayoría de los sistemas que fueron probados, este punto de ajuste (otra vez, referido a la tensión en la extremidad de cerámica en la zona radicular) evitó que mucho exceso de agua fuese desperdiciado. Generalmente el sistema típicamente llega mas allr de este Set-poit de modo que la mayoría de las materas en el cultivo alcanzan un nivel de la humedad ligeramente sobre el punto de saturación. Debe observarse que bajo condiciones húmedas la conductividad hidráulica de un sustrato es generalmente alta de modo que el agua puede moverse bastante rápidamente. En un recipiente profundo (p. ej. 30 centímetros) sería posible (y probable) que incluso durante un riego la columna del agua puede siempre tirar en el tensiómetro a más de 10 centímetros. Así la cerámica del tensiómetro estará experimentando siempre una tensión superior a 1 kPa de modo que el sistema de riego nunca cortaría si se utiliza un punto de ajuste de 1 kPa.

Así, para el set-point de baja tensión, cerciórese de que esté fijado por lo menos en ½ kPa sobre el punto medible más bajo (saturación). La manera en que usted debe hacer este trabajo es como sigue. Se inserta el instrumento calibrado, lleno de agua en el medio radicular en el recipiente. Ahora se riega a conciencia, cerciorándose de que todo el sustrato queda mojado totalmente. Esto puede significar la la necesidad de aplicación del agua varias veces a intervalos de media hora. Por ultimo espere hasta que el agua pare de gotear del recipiente y entonces tome una lectura. Ajuste esta lectura según la longitud del tensiómetro. Ésta es su " lectura de la saturación ". Su set-point de tensión baja debería ser este valor más 0.5 kPa, o 1 kPa. Este proceso de identificar la " lectura de la saturación " es la calibración del cultivador.

FIN