Modelos de Simulación

en la Agricultura

Herramientas para Evaluación de Impactos (Modelos de Simulación)

Modelo de SimulaciónModelo de Simulación

Programas de computadoras que intentan simularmodelos abstractos de un sistema particular para para mejorar la comprensión de cómo opera ese sistemamejorar la comprensión de cómo opera ese sistema.

Las simulaciones se han vuelto muy importantes en La modelización matemática de:

•Sistemas Naturales •Biología•Economía•Psicología•Ciencias Sociales•Ingeniería

Desarrollados de la mano de la mejora y el acceso a PC

Los componentes de un sistema funcionan

diferente cuando las relaciones e interacciones

de ese sistema se eliminan y se estudian

en forma aislada

La única manera de entender un elemento

o un proceso es estudiarlo en relación

con TODO el sistema

Enfoque SistémicoEnfoque Sistémico

Entender un Proceso

Componente del SistemaCAUSA EFECTO

(estímulo

INPUT

OU

TP

UT

INPUT OUTPUT

X Y ECUACION del MODELO y = A + Bx

(respuesta)

Herramientas para Comprender los Sistemas Agropecuarios

• Tecnologías de la Información

• Sistemas Expertos• Modelos de Simulación• Sistemas de Información

Geográfica (GIS)• Sistemas de Bases de

Datos• Sensoramiento Remoto

Sistemas de Soporte para la Toma de Decisiones

(o de Discusiones)

Agricultura, Producción de Cultivos, Producción de Pasturas

Más de 100 años mejorandoel entendimiento de factores, procesos, interacciones

FertilidadSuelos

FisiologíaVegetal

RespuestaFertilizantes

BalanceAgua

Pestes &Enferm.

ResultadosEconómicos

ImpactosClima

Entender el SISTEMASimular el SISTEMA incluyendo interacciones

FertilidadSuelos

FisiologíaVegetal

RespuestaFertilizantes

BalanceAgua

Pestes &Enferm.

ResultadosEconómicos

ImpactosClima

RADIACIONSOLAR

INTERCEPCION

Kg MSPOTENCIAL

Densidad de Planta,Tipo de Planta,Fenología (Temperatura),

CO2

RADIACIONSOLAR

INTERCEPCION

AGUA en el

SUELO

Kg MSREAL ?

Kg MSPOTENCIAL

Tipo de Suelo,Lluvia, Raíces,Riego, Laboreo

Densidad de Planta,Tipo de Planta,Fenología (Temperatura),

CO2

RADIACIONSOLAR

INTERCEPCION

AGUA en el

SUELO

NUTRIENTESen el SUELO

Kg MSPOTENCIAL

Tipo de Suelo,FertilizaciónResiduosLaboreo

Tipo de Suelo,Lluvia, Raíces,Riego, Laboreo

Densidad de Planta,Tipo de Planta,Fenología (Temperatura),

CO2

RADIACIONSOLAR

INTERCEPCION

AGUA en el

SUELO

NUTRIENTESen el SUELO

Kg MSREAL

Raíces Hojas Tallos Espigas

Kg MSPOTENCIAL

Tipo de Suelo,FertilizaciónResiduosLaboreo

Tipo de Suelo,Lluvia, Raíces,Riego, Laboreo

Densidad de Planta,Tipo de Planta,Fenología (Temperatura),

CO2

CRECIMIENTO(Producciónde Biomasa

kg / ha)

DESARROLLO(Estadios de cre-, cimiento, órganos)

RADIACIONSOLAR

INTERCEPCION

Kg MSREAL

Kg MSPOTENCIAL

Raíces Hojas Tallos Espigas

Crecimiento: Efecto de la Temperatura

Cultivos Anuales y Pasturas Templadas

Mínimo Óptimo Máximo

Días después de Siembra

Pro

du

cció

n d

e B

iom

asa

(kg

DM

/ h

a)

Crecimiento: Curvas Típicas de Producción de Biomasa

Efecto del Tipo de Cultivar

Efecto de Agua, Nutrientes

Crecimiento: Curvas Típicas de Producción de Biomasa

Días después de Siembra

Pro

du

cció

n d

e B

iom

asa

(kg

DM

/ h

a)

Efecto de Agua, Nutrientes y Tipo de Cultivar

Crecimiento: Curvas Típicas de Producción de Biomasa

Días después de Siembra

Pro

du

cció

n d

e B

iom

asa

(kg

DM

/ h

a)

Maize

DESARROLLO: Tiempo para diferentes estadios

Maíz

Trigo

Desarrollo de Cultivos Determinado por:

•Especie

•Tipo de Cultivar

•Temperatura

•Fotoperíodo

Ejemplo en Trigo (Temperatura o Tiempo Térmico):

Aparición de hojas (filocrón) aprox. 95 días-grado

4 días con 20oC temperatura media (80 días-grado)+ 1 día con 15oC temperatura media (15 días-grado)

= 95 días-grado (una hoja nueva)

Llenado de Grano Cardenal y Federalpor Epocas de Siembra

(Expto. de Campo, W.Baethgen y W.Tavella, 1995)

Días Grado Post Antesis

0 200 400 600 800 1000 1200

mg/g

rano

0

10

20

30

40

50

Card 1Card 2Card 3Fed 2Fed 3

Cardenal: 7.5 mg/ DG

Federal: 5-6 mg/ DG

500-550 DG Llenado de Grano

Wheat: Grain Filling of a Cultivar for two Sowing DatesExpressed in degree-days

(Field Experiment Tavella and Baethgen 1995)

Degree Days after Anthesis

mg

/ g

rain

500 – 550 días-grado para LLENAR el GRANO*

Ejemplo: Llenado de Grano (Crítico para Rendimiento)

Discusión: Cambio Climático

Fase “Lag”

Clima trabajando con Mejoramiento: Caracterizar con variables Climáticas (DG vs Días para diferentes Locales)

Siembra – Floración y FotoperíodoCultivar “A”: No sensible al Fotoperíodo (Suma de días-grado)

(Siembra) (Floración)

Época 1

Época 2

Época 3

Cultivar “B”: Sensible al Fotoperíodo (Suma de días-grado + Long. Día)

Época 1

Época 2

Época 3

(Siembra) (Floración)

Discusión: En qué casos puede ser importante? (ej. Trigo)

Relevancia de Caracterizar el DESARROLLO para Simulación: Susceptibilidad al Estrés Afecta Crecimiento, Rendimiento

Por Ejemplo agua: WRSI (a) Diferentes requerimientos de Agua para cada estadio (b) Diferentes efectos sobre los rendimientos

Su

scep

tib

ilid

ad D

e M

aíz

Al

Est

rés

Híd

rico

Días después de la Siembra

Balances de AguaMétodos simples a complejos

La mayoría usan método del “Balde” (tipo WRSI)

•Tipo de Suelo (profund., const. Hídr)•Topografía•Manejo (irrigado o no irrigado)

(a) Diferentes requerimientos para cada etapa de desarrollo

(b) Diferente penalización en Rendimiento por estrés hídrico

Balances de Agua

0.25

0.50

0.75

1.00

(Lluvia + Riego + Agua en el Suelo) / ETP

Pro

du

cció

n R

ela

tiva

0.25 0.50 0.75 1.0

Penalización de Rendimientos según Balance de Agua(Ejemplo: Modelo CENTURY, parecido a WRSI)

Balances de Nutrientes

Nitrógeno, Fósforo,Potasio

Susceptibilidad al Estrés Afecta Crecimiento, Rendimiento

Similar a lo comentado para Agua

Su

scep

tib

ilid

ad D

e M

aíz

Al

Est

rés

Híd

rico

Días después de la Siembra

Ejemplo de un Balance de Nitrógeno: Modelo CENTURY

DATOS DE:

CLIMA Lluvia Temperaturas Rad. Solar

PROPIEDADES de SUELOS

CARACTERISCTICAS delCULTIVAR

MANEJO Fertilización Riego Fecha de Siembra Densidad, etc.

PRECIOS, COSTOS

MODELODE

SIMULACION

RESULTADOS:

Rendimientos

Variabilidad

Ingresos ($)

Riesgos

Balances Agua Carbono Nutrientes

OTROS

SISTEMAPROD.

Datos MedidosExperim. Campo

ModeloConceptual

Mejorar

Qué pasa si…?Estimación Informada

Manejo Informado

ModeloMatemático

Datos Simulados

Simulación

Cuantificar

DiscrepanciasObservadas

CompararMejorar

Mejorar

Ciclo Intermedio: Fechas de Siembra y Rendimiento Potencial

Fecha de Siembra

Ren

dim

iento

(kg/ha)

0

1500

3000

4500

6000

7500

9000

10 de Junio

10/ 4 10/ 5 10/ 6 10/ 7 10/ 8

Trigo Ciclos Interm. y Largo: Enfermedades(La Estanzuela 1966-1995)

Ren

dim

ien

to (

kg

/ha)

0

1500

3000

4500

6000

7500

9000

Intermedio Largo

Pot Pot -30% IAF-30% IAFAntesis Antesis

PR

OF

UN

DID

AD

PR

OF

UN

DID

AD

RAICES RAICES

Exploración Radicular

A

B

Compac.

Buen Laboreo Mal LaboreoSuelo OriginalSiembra Directa

PR

OF

UN

DID

AD

PR

OF

UN

DID

AD

RAICES RAICES

Exploración Radicular

A

B

Compac.AguaNutrientesRelación Parte Aérea / Raíces

Trigo: Laboreo(La Estanzuela 1966-1995)

Ren

dim

iento

(kg/h

a)

0

1500

3000

4500

6000

7500

9000

Intermedio Largo

PotPot +Lab +Lab-Lab -Lab

Rendim

iento

(kg/h

a)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

+irrig -root -30% IAFN LOW-40%W-watPOT

Resumen de Reducción de Rendimiento PotencialCiclo Intermedio

Aplicaciones que Requieren Detalle:

•Descripciones de producción de Cultivos / Pasturas

•Impactos de Tecnologías

•Impactos de Manejo Agronómico

•Impactos de Agua, Nutrientes

“Desventajas”:

Requieren datos más detallados para Calibrar / Validar

Suelos, Clima, tecnologías, Manejo de Suelos y Cultivos, etc.

Un Ejemplo: DSSAT

•Desde 1980’s en todos los Continentes•Consorcio de Organizaciones Internacionales (ICASA)•Muy evaluados en países en desarrollo•Soporte técnico y científico (entrenamiento y consultas)

www.icasa.net/dssat/

CERES - Wheat Calibration:Grain Yield

Observed (kg/ha)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Sim

ula

ted

(kg

/ha)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

TURKEY MOROCCO SYRIA-1 SYRIA-2 BRAZIL ROMANIA INDIACHINA URUGUAYARGENTINA

Baethgen, 1998

MODELOS DE SIMULACION: EJEMPLO DE TRIGOEN VARIOS PAISES

RADIACIONSOLAR

INTERCEPCION

AGUA en el

SUELO

NUTRIENTESen el SUELO

Kg MSREAL

Raíces Hojas Tallos Espigas

Kg MSPOTENCIAL

Tipo de Suelo,FertilizaciónResiduosLaboreo

Tipo de Suelo,Lluvia, Raíces,Riego, Laboreo

Densidad de Planta,Tipo de Planta,Fenología (Temperatura),

CO2

CRECIMIENTO(Producciónde Biomasa

kg / ha)

DESARROLLO(Estadios de cre-, cimiento, órganos)

RADIACIONSOLAR

INTERCEPCION

Kg MSREAL

Kg MSPOTENCIAL

Raíces Hojas Tallos Espigas

Mínimo Set de Datos para Simulaciones DSSAT

Clima Diario- T Max- T Min- Lluvia- Radiación Solar

Característicasdel Perfil delos Suelos

Manejo Agronómicoy

Características de Cultivares

Increasing Complexity

IncreasingDemand forInputs

Potential Water Water, N Water, N, P Production Balance Balance Balance

Solar Radiation Solar Radiation Solar Radiation Solar RadiationMax/Min T Max/Min T Max/Min T Max/Min T

Precipitation Precipitation Precipitation

Cultivar Cultivar Cultivar CultivarCharacteristics Characteristics Characteristics Characteristics

Management Management Management ManagementPractices Practices Practices Practices

Irrigation Irrigation IrrigationManagement Management Management

Soil Profile Soil Profile Soil ProfilePhysical Physical PhysicalProperties Properties Properties

Management of Management ofN Fert. and N Fert. andResidues Residues

Soil Profile Soil ProfileChemical Prop. Chemical Prop.

Management ofP Fert. AndResidues

Ejercicio DSSAT