Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda”

Area Cs. del Agro y del Mar Departamento de Ambiente y Tecnología Agrícola

Modelización de la Producción Agrícola

INTRODUCCIÓN AL USO DEL SISTEMA CROPWAT Aplicación automatizada para simulación agroambiental.

Objetivos:

Con esta actividad se espera que usted adquiera conocimientos básicos para el uso del sistema Cropwat en la evaluación de los efectos de variaciones ambientales y de fecha de siembra en el rendimiento de cultivos.

Información general.

El sistema Cropwat fue desarrollado por la FAO. Es un programa de computación diseñado para la determinación de requerimientos de riego para diversos cultivos. Adicionalmente, con él es posible establecer tendencias cuantitativas o niveles de adaptabilidad según la disminución en el rendimiento de los cultivos cuando se introducen diversas combinaciones o variaciones de suelo, clima y fechas de siembra. Debe tenerse presente que en el modelo, las reducciones en rendimiento sólo están relacionadas con carencias de humedad y no con otros factores como disponibilidad de nutrimentos, ataques de plagas, inundación, etc.

Básicamente, Cropwat es un modelo de balance hídrico. Compara la disponibilidad de agua con el requerimiento del cultivo. Se basa en los coeficientes de evapotranspiración de los cultivos (Kc) a lo largo de cuatro etapas de desarrollo. La disminución del rendimiento la calcula^ empíricamente, sobre la base de un coeficiente que relaciona la pérdida de rendimiento por cada unidad de evapotranspiración no satisfecha.

En este ejercicio, usted empleará la versión de Cropwat para Windows. No es la más desarrollada, pero si la más amigable en manejo e interpretación, lo cual con fines docentes, es una ventaja. Recomendamos que si usted incursiona en el uso profesional de este sistema, utilice la versión 7, programada en Pascal y que se ejecuta en MS-DOS.

Como el objetivo principal de este ejercicio es evaluar el efecto del ambiente sobre el rendimiento de los cultivos, no utilizaremos las opciones de riego para las que el modelo fue diseñado. Por otro lado, sólo se empleará la información de climática y de suelos disponible en la base de datos del modelo. Se incluyen las instrucciones para la introducción de información particular para que usted disponga de ellas en caso de que lo requiera posteriormente.

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PROCEDIMIENTO.

En este ejercicio utilizaremos la interfaz para Windows versión 4.3 (FAO, 2006). Disponible para descargar desde:

http://www.fao.org/nr/water/infores_databases_cropwat.html

Reconocimiento de la Aplicación. Para iniciar la aplicación, ejecute el programa, ubicando el icono de Cropwat para Windows en la carpeta de Programas del Menú de Inicio (Inicio>Programas>Cropwat 4 Windows>Cropwat 4 Windows 4.3).

Al iniciarse la aplicación, la primera pantalla (visible por 2 segundos) muestra la información relacionada con los desarrolladores del Cropwat. Esta ventana esta disponible desde la opción de ayuda (Help) del el menú principal.

El Menú Principal:

La interfaz de usuario del Cropwat es realmente sencilla. Esta conformada por una barra de Menú Principal con las opciones generales de Introducción de datos(InputData), Calendario/Planificación(Schedule), Tablas(Tables), Gráficos(Graphics) entre otras; y la Barra de Herramientas, conformada por iconos que representan accesos directos a las funciones ubicadas en las diferentes opciones del Menú principal.

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Detalle del Menú Principal y la Barra de Herramientas de Cropwat.

Detalle de los elementos presentes en la barra de herramientas

Para la simulación en Cropwat, puede utilizarse tanto el menú como la barra de herramientas. En la actividad a realizarse en clases, el profesor indicará la forma de hacer la simulación utilizando la barra de herramientas. La actividad a desarrollar por el alumno, como extra-aula, se utilizarán las opciones del menú principal.

Tipos de Archivos Manejados por CROPWAT *.PEN, *.PEM, archivos de datos climáticos. *.CLI, *.CRM, datos de lluvia. *.CRO, archivos con coeficientes de cultivo. *.CPT, plan de siembra o patrón de cultivo. *.SOI, *.SOL, archivos con datos de suelo. *.SNR, escenarios de riego. *.IRR, riegos. *. ADJ ajustes del usuario. *.TXT archivos de texto con resultados para imprimir.

NOTA: Es importante que guarde los archivos siempre con la vieja extensión (old files), puesto que esta versión del modelo tiene problemas de funcionamiento al guardar los archivos corrientes *.pmm; *.pem y *.crm.

Estado de los datos Entrada de datos Gráficos de Resultados Tablas con datos

y Resultados

Criterios de Simulación

Utilidades

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DESARROLLO DE LA SIMULACION: 1) ACCESO A LA INFORMACIÓN CLIMÁTICA.

Seleccione, en la barra de menús, la opción InputData. Se desplegará una persiana con los distintos tipos de datos que requiere el sistema (Clima, ETo, Precipitaciones, Cultivos y Suelos).

Las opciones Climate y Eto son alternativas. Climate se emplea cuando usted dispone de la información suficiente para generar la evapotranspiración mediante el método de Penman-Monteith. Para ello se requieren valores mensuales de temperatura, humedad y vientos. La opción Eto, permite ingresar y utilizar los valores de evapotranspiración que disponga el usuario.

NOTA: En este ejercicio utilizaremos la información de clima disponible en el modelo para varias localidades del país. Se indicará el procedimiento de modificación e introducción de información particular para uso extra-aula, en caso de que usted tenga interés en ello.

Abra el menu la opción InputData. Decida si utiliza Climate o Eto, y selecciónela. Se desplegará una persiana con varias opciones. Seleccione Retrieve (con ello accederá a la base datos). En el cuadro de diálogo que se despliega, haga clic en la casilla Mostrar archivos de tipo y a continuación, seleccione la opción Old Eto files u Old Climate files, según el caso. Se desplegará una lista con las localidades disponibles. Revísela y seleccione una de su interés particular, por ejemplo, CORO. Una vez seleccionada, pulse en el botón Aceptar para cargar en memoria los archivos.

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Ahora deberá seleccionar los valores de precipitación. Seleccione la opción Rainfall del menú y proceda igual que en el caso de los Archivos de Clima y de Evapotranspiración (Eto). Es decir InputData>Rainfall>Retrieve. En el cuadro de diálogo que se despliega, haga clic en la opción Mostrar archivos de tipo y a continuación, seleccione la opción Old Rainfall files. Se desplegará una lista con las localidades disponibles. Revísela y seleccione una de su interés particular, por ejemplo, CORO. Una vez seleccionada, pulse en el botón Aceptar para cargar en memoria los archivos de precipitación.

Usted puede modificar los valores de cada uno de los cuadros de información climática. Si desea guardar esta nueva información, pulse en Save, luego seleccione Guardar como tipo la opción old rainfall files (*.cli), old climate files (*.pen) u old eto files (*.cli), según el caso. En el recuadro nombre del archivo, escriba el nombre que desee. Mantenga la extensión propuesta (*.cli; *.pen).

Es importante que guarde los archivos siempre con la vieja extensión (old files), puesto que esta versión del modelo tiene problemas de funcionamiento al guardar los archivos corrientes *.pmm; *.pem y *.crm. 2) ACCESO A LA INFORMACIÓN DE CULTIVO: El próximo paso es seleccionar el cultivo. En este ejercicio, no introducirá ni modificarán valores. Utilice el comando InputData>Crop>Crop coeficients>Retrieve). Pulse el botón Retrieve, y en el cuadro de diálogo que se despliega, seleccione el cultivo de su interés. Se desplegará un cuadro de diálogo donde se puede introducir la información de cultivo. Deténgase un momento, observe detenidamente la información e interprete de que se trata.

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Luego, haga clic en el botón de la barra de herramientas de la opción cultivos (crop) (icono de la manzana) para que se haga visible la ventana que contiene de información del cultivo e introduzca la fecha de siembra (Planting) que crea conveniente. Observe que se rellena la casilla de fecha de cosecha (Harvesting). Pulse OK para cargar la información en la memoria.

3) INFORMACIÓN DE SUELOS: Seleccione el tipo de suelo. Para ello pulse la secuencia de comandos inputData>Soil>Retrieve. Luego, seleccione uno de los suelos genéricos que se encuentran en la lista haciendo clic en él. Haga clic en el botón de la barra de herramientas de la opción suelo (soil) para que se haga visible la ventana que contiene de información. Deténgase un momento, revise cuidadosamente la información, analice e interprete los valores de suelo que requiere el modelo y si los mismos se corresponden con el tipo de suelo elegido. Si no

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está de acuerdo con algún valor, cámbielo.

Si es necesario, guarde el archivo. Para ello, pulse el botón Save y siga los pasos indicados, seleccione la opción Guardar como archivo old soil file (*.sol) y escriba en el recuadro correspondiente el nombre nuevo. Mantenga la extensión .sol. No guarde como *.soi, debido a que el sistema tiene problemas con el formato de estos archivos. Pulse OK para cargar los datos en la memoria del sistema. 4) CRITERIOS DE SIMULACIÓN: Ahora deberá establecer los criterios de la simulación. Para ello pulse la secuencia de comandos Schedule>Criteria… del menú principal. Hay 4 pestañas que pueden modificarse, de acuerdo alos criterios establecidos para la simulación. Estos son ETo, Rainfall, Efective Rain y Scheduling. Las opciones de ETo requieren un conocimiento avanzado, por lo cual no se modificaran, para este ejercicio. SCHEDULING En esta pestaña se encuentran las opciones de calendario de riego, como es el intervalo, profundidad e fecha de inicio del riego.

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Esta ventana es de suma importancia porque es el lugar donde vamos a definir cuando, como y cuanto regar (momento, frecuencia y láminas de riego). A continuación se dará una descripción de cada uno de los criterios disponibles.

1. TIEMPO DE APLICACION DEL RIEGO (APPLICATION TIMING) Las opciones son las siguientes:

a) Irrigated When a Specified % of Readily Soil Moisture Depletion Occurs: Regar cuando se ha agotado un porcentaje de la lámina fácilmente aprovechable por las plantas (lámina neta, Ln), calculada como:

Donde,

Ln = lámina neta o agua fácilmente aprovechable por las plantas (mm) CC = capacidad de campo (%) PMP = punto de marchitez permanente (%) Da = densidad aparente (gr/cm3) Pr = profundidad radicular (mm) UR = umbral de riego (expresado como fracción).

Si se coloca 100 % (ver figura abajo) significa que vamos a regar cuando se agote un 100% del agua fácilmente aprovechable, lo que asegura que el cultivo no sufrirá por estrés hídrico.

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b) Irrigated When a Specified % of Total Soil Moisture Depletion Occurs: Regar cuando se ha agotado un porcentaje de la lámina almacenable (La). La lámina almacenable se define como:

Si se selecciona esta opción deberá colocarse el umbral de riego en %, colocando 100 % si se desea evitar situaciones de estrés hídrico para el cultivo.

c) Irrigated When a Specified Soil Moisture Depletion Occurs: Regar cuando se ha agotado una determinada lámina del agua del suelo (en milímetros). Útil cuando se va a utilizar una lamina de riego constante en cada riego, no importando el intervalo de tiempo entre los riegos.

d) Irrigated at Fixed Intervals (Days): Regar considerando una frecuencia (intervalo) de riego fija (días). Esta opción es bastante utilizada para facilitar la operación del riego.

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e) Irrigated at Variable Intervals – User Defined (Days): Regar considerando una frecuencia (intervalo) de riego variable, definida por el usuario (días).

2. LÁMINA DE RIEGO (APPLICATION DEPTHS) Tenemos las siguientes opciones:

a) Refill to a Specified % of Readily Available Soil Moisture: Aplicar riego hasta lograr un porcentaje determinado de la lámina de agua fácilmente disponible (Ln). Si se coloca 100 % (ver figura abajo) estamos llevando la humedad del suelo a capacidad de campo:

b) Fixed Depths (mm): Aplicar riego utilizando una lámina constante en cada riego (mm).

c) Variable Depths (User defined) (mm): Aplicar las láminas de riego según especificaciones del usuario. 3. COMIENZO DEL CALENDARIO DE RIEGO: Tenemos las siguientes opciones:

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a) First Planning Date of Each Crop: comenzar el calendario de riego el día de siembra de cada cultivo. b) Specified Date: comenzar el calendario de riego en una fecha cualquiera.

NOTA: En este ejercicio, no utilizaremos riego, sólo agua de lluvia (sistema de secano). Por ello, no hace falta modificar las opciones de la pestaña Scheduling. RAINFALL Y EFFECTIVE RAIN Pulse sobre la pestaña Rainfall, y luego, sobre la casilla de verificación Rainfed Schedule, debido a que no utilizaremos riego, solo el agua disponible por las lluvias.

Observe que existen varias alternativas para el modelo de distribución de la lluvia dentro de cada mes. Estas opciones también existen para la evapotranspiración (pulse sobre la pestaña Eto). La función de estos métodos es generar la lluvia y evapotranspiración en intervalos de tiempo inferiores a un mes, pues las salidas del modelo se agrupan en intervalos de días. Concluya sobre las ventajas y desventajas de esto.

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Luego pulse sobre la pestaña de los criterios para la estimación de la lluvia efectiva (Effective Rain), y seleccione, de acuerdo a su criterio, uno de los métodos de cálculo de lluvia efectiva que resulte más adecuado.

Cuando termine de definir los criterios con las diferentes opciones para la simulación, pulse Save… para guardarlos en un archivo de criterios o pulse sobre OK para que los mismos sean cargados a la memoria.

5) CONTROL DE DATOS Y CÁLCULO:

El sistema permite conocer el estado de los datos y la posibilidad de realizar una simulación con la información cargada en la memoria. Para llevar un control sobre la información introducida y faltante, pulse la opción del menú principal InputData>Data Status. Allí obtendrá información de los archivos que están en uso y si es posible realizar cálculos con ellos.

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Si siguió correctamente las instrucciones, será posible calcular ahora las necesidades de riego del cultivo y el calendario/plan de riego (Can calcúlate now?,CWR= Yes; Scheduling=Yes).

5) RESULTADOS:

Para ver los resultados, puede acceder a esta información desde el menú Tables>CWR CWR (crop water requirements) son los requerimientos de agua del cultivo y Tables>Irrigation Schedule para el calendario.

En la Tabla aparece el cultivo (MAIZE (Grain) = Maíz en grano), el bloque seleccionado (All blocks); el intervalo de tiempo para la presentación de la información Time Step (Days (por defecto es de 10 días, pero puede ser cambiado), la eficiencia de aplicación del sistema de riego Irrigation Efficiency (por defecto el programa toma 70% pero puede ser cambiado según el método de riego). Las columnas muestran: Nombre de la

Columna Descripción

Date Fechas de presentación de la información, de acuerdo al parámetro Time Step (Days)

ETo En mm/periodo de acuerdo al parámetro Time Step (Days). Si el periodo es de 10 días, corresponde al total de ETo ocurrido en los diez días. Ver Criterios de ETo.

Crop Area Área destinada para el cultivo seleccionado, como un porcentaje del área total. En este caso el maíz ocupa el 100% del área total (no hay otro cultivo).

Crop Kc Coeficiente promedio del cultivo seleccionado para el período indicado

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CWR Requerimiento (neto) de agua del cultivo en mm/periodo. Por ejemplo el valor de 14,83 significa que se requieren de 14,83 mm para satisfacer la demanda de agua del cultivo en los primeros diez días. Se calcula como CWR=ETc = ETo * Kc

Total Rain Precipitación total ocurrida durante el periodo Effective Rain Precipitación efectiva ocurrida durante el periodo Irrig. Req Requerimiento (neto) de riego para el periodo considerado

(considerando la lluvia). Por ejemplo el valor de 6,35 significa que se necesita aplicar una lámina de riego de 6,35 mm para satisfacer la demanda de agua de los cultivos durante el periodo de diez días). Irrig. Req: = CWR – Effective Rain

FWS (Field Water Supply)

Cantidad de agua que se necesita para satisfacer la demanda de los cultivos, expresada en litros/segundo/hectárea (caudal de diseño). El primer valor 0,11 significa que debemos disponer de 0,11 l/s para satisfacer los requerimientos de agua de cada hectárea sembrada por el cultivo (en este caso maíz). Este valor considera la eficiencia de riego.

En la línea final de totales (Totals) el valor entre corchetes muestra el requerimiento promedio de agua. En nuestro caso el valor de [0.72] significa que necesitamos 0,72 l/s por cada hectárea para atender la temporada de crecimiento del cultivo. El valor máximo representa la mayor demanda y es el que comúnmente se emplea para fines de diseño del plan de riego.

Observe que en la tabla de calendario de riego (Irrigation Schedule), puede consultar la reducción del rendimiento por déficit de agua en la casilla Yield Reduction (el valor está en rojo).

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Usted tiene la oportunidad de desplegar gráficos de los resultados de clima y ETo, Lluvias, Plan de Siembra, CWR y Calendario de riego, utilizando las opciones del menú Graphs. Despliegúelos y trate de entenderlos.

En el gráfico de requerimientos de agua por el cultivo, CWR es el requerimiento de agua por el cultivo e Irrigation Req es el requerimiento de riego.

En el gráfico de calendario de riego, SMD (soil moisture déficit) es el déficit de humedad en el suelo, RAM (readily avalaible moisture) es la humedad rápidamente disponible y TAM (total available moisture) es la humedad total disponible.

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PRUEBAS DE SENSIBILIDAD ANTE CAMBIOS DE FACTORES AMBIENTALES Y DE MANEJO:

Ahora cambie la fecha de siembra. Para ello, pulse el botón de patrón de cultivo (cropping pattern), tiene tres bandas de color). Coloque una fecha evidentemente inapropiada para sembrar en la casilla First plantig Day/month. Pulse OK. Abra la tabla de calendario de riego y observe la reducción del rendimiento. Abra los gráficos de requerimiento de agua del cultivo y calendario y analícelos. Ahora pruebe con otra fecha de siembra que usted crea conveniente. Revise los resultados. Pruebe cambiando el clima. Para ello, utilice los botones de Climate o Eto y de Raifall, para seleccionar los valores evapotranspiración y precipitación de nueva localidad. Revise los resultados. ¿Es apropiada la misma fecha de siembra para ambas localidades?

También puede evaluar la fecha de siembra sobre distintos suelos. Es recomendable cambiar sólo un factor a la vez. Igualmente puede evaluar cambios en los distintos criterios de riego, por ejemplo intervalos de 5, 7, 10 y 14 días entre un riego y otro.

Con Cropwat es posible simular varios cultivos al mismo tiempo y rotación de cultivos. Como ejemplo, simularemos el siguiente sistema:

Cambur, sembrado el 15 de Abril, en 50% del área. Maíz, sembrado el 15 de Mayo, en el 50% del área. Frijol, sembrado el 01 de Octubre, en el 50% del área.

Para ello, pulse el botón de patrón de cultivo – Plan de Siembra (Cropping Pattern). Pulse sobre la casilla Crop Data File. Luego, en la ventana que se despliega seleccione

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el primer cultivo. Coloque la fecha de siembra y el porcentaje del área sembrada. Pulse el botón Graph para ver como se disponen los cultivos en el tiempo y el espacio a medida que los introduce. Cierre el gráfico con el botón Close.

Luego, pulse el botón Next. Repita los pasos anteriores, pero para el cultivo del Maíz. Compruebe la disposición de los cultivos con el botón Graph. Finalmente, pulse Next, e introduzca la información del Frijol. Vea la disposición final. Cierre el gráfico. Pulse OK en el cuadro de patrón de cultivo.

Vea los resultados tabulados (abra la tabla de calendario de riego). Podrá ver la reducción de rendimiento en cada cultivo. Para seleccionar el cultivo, pulse sobre la primera ventana de la izquierda.

También podrá ver los gráficos de requerimientos de humedad y de calendario. En este último podrá seleccionar el cultivo pulsando sobre primera casilla de la derecha.

Es conveniente que realice algunas evaluaciones del sistema de uso propuesto cambiando el suelo y el clima. Recomendamos cambiar sólo un factor (clima o suelo) a la vez.

Evaluación:

√ Participación en el desarrollo de la actividad y aportes en clase √ Puntualidad en la entrega de las asignaciones y tareas asignadas √ Entrega de Informe final sobre la actividad desarrollada (Grupos de 3 Personas

máx.)

Elabore un informe sobre la actividad realizada por el grupo asignado por el profesor, presente los resultados del ejercicio, discutan los mismos y elaboren conclusiones y recomendaciones. El informe debe presentarse en un lapso máximo de 14 días desde la culminación de la actividad.

Referencias Bibliográficas.

Clarke, Derek. (2006). CropWat 4 for Windows Ver. 4.3: User Guide. FAO / University of Southampton UK. Roma, Italia. Disponible para descarga desde: http://www.fao.org/nr/water/infores_databases_cropwat.html

Trezza, Ricardo (2004). Cropwat para Windows. Guía en Español. Universidad de la Molina, Perú.