Modeling of soil dielectric properties. Application in sensor design for precision agriculture control systems

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. El agua es una sustancia clave para el desarrollo de la vida en La Tierra. Es por ello que la búsqueda de oportunidad de vida en otros planetas y satélites se basa en la presencia de agua en los mismos. La gestión ecológica del agua es necesaria para la sostenibilidad de los ecosistemas. Uno de los ecosistemas más amplios y donde el agua juega un papel más importante es el suelo, que alberga multitud de variedades de microorganismos cuya actividad, en parte resultante en la generación de nutrientes para el desarrollo de las especies vegetales, es totalmente dependiente del contenido de agua en el suelo. En zonas áridas y semiáridas, como es el caso de la cuenca Mediterránea, la escasez de agua supone un grave problema a la hora de gestionar los pocos recursos hídricos disponibles. En este caso, donde las condiciones geográficas son idóneas para el desarrollo de la agricultura, las soluciones pasan por una optimización de las técnicas de riego y un mayor control sobre los recursos hídricos. En este sentido, las técnicas de riego deficitario controlado se han mostrado exitosas en la reducción de la dotación hídrica a los cultivos en fases no críticas. Sin embargo, para realizar una aplicación prudente y eficiente de las mismas, resulta necesario monitorizar el estado hídrico de los cultivos, con el objetivo de que éstos no alcancen situaciones de estrés irreversible en términos de producción o estado vegetativo. Los indicadores que mayor información aportan sobre el estado hídrico de la planta suelen estar relacionados con variables medibles a partir de la propia planta, pero que son difícilmente automatizables debido a las operaciones de manejo asociadas. Este es el caso del potencial hídrico de tallo a mediodía medido con cámara de presión, considerado hasta la fecha como el indicador más fiable del estado hídrico de los cultivos en general. Es por ello que, para lograr una monitorización continua de esta variable, se busquen otras variables del continuo suelo-planta-atmósfera que puedan estar relacionadas y a partir de las cuales obtener una estimación indirecta. El suelo es la matriz de donde la planta adquiere la mayor parte del agua y los nutrientes que necesita para realizar la fotosíntesis. La relación entre el estado hídrico del suelo y el estado hídrico de los cultivos está más que demostrada. Sin embargo, la precisión alcanzada en los modelos de correlación entre ambos estados requiere de una mejora considerable para hacer un uso realmente fiable de los mismos, y esta mejora no solo pasa por encontrar mejores métodos de correlación, sino también por mejorar la precisión de las medidas obtenidas del suelo. Para monitorizar el estado hídrico del suelo, existen diversas metodologías que ofrecen parámetros medibles como el contenido de agua. El método de medida más extendido para monitorizar el contenido de agua en el suelo es a través del uso de sensores dieléctricos. Sin embargo, la precisión de los mismos está sujeta a diversos factores, entre ellos las características propias del suelo donde se instalan y su coste, relativamente alto para el pequeño y mediano agricultor, condicionando una implantación extensiva de la Agricultura de Precisión y limitando a veces la aplicación de algunos desarrollos únicamente a trabajos de investigación. Esta tesis, elaborada bajo la modalidad de compendio de publicaciones, aborda a través de cuatro artículos científicos la propuesta de soluciones accesibles para la medida del estado hídrico del suelo, con especial enfoque en el contenido de agua; explora las limitaciones y retos asociados con la calibración de los sensores dieléctricos de suelo; participa en la generación de nuevos conocimientos y propuestas para un mejor entendimiento del comportamiento del agua en el suelo y de su interacción con las ondas electromagnéticas; y establece nuevos enfoques y modelos que mejoran la predicción del estado hídrico de los cultivos a partir de medidas indirectas y automatizables en suelo y atmósfera. [ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Water is a fundamental substance for the development of life on Earth. That is why the search for life on other planets and satellites is based on the presence of water on them. Ecological water management is necessary for the sustainability of ecosystems. One of the most extensive ecosystems where water plays a major role is soil, which hosts a large variety of micro-organisms whose activity, partly resulting in the generation of nutrients for the development of plant species, is totally dependent on the water content of the soil. In arid and semi-arid regions, as it is the case in the Mediterranean basin, water scarcity is a serious problem when it comes to managing the few water resources available. In this case, where the geographical conditions are ideal for the development of agriculture, the solutions involve optimization of irrigation techniques and greater control over water resources. In this sense, regulated deficit irrigation strategies have proven to be successful in reducing the water supply to crops in non-critical periods. However, in order to apply them prudently and efficiently, it is necessary to monitor the water status of the crops, so that they do not reach irreversible stress situations in terms of yield or vegetative state. The indicators that provide the highest amount of information on the water status of the plant are usually related to variables that can be measured from the plant itself, but which are difficult to automate due to the labor and time-consuming associated operations. This is the case of the midday stem water potential measured with a pressure chamber, considered to date to be the most reliable indicator of the crop's water status in general. In order to achieve a continuous monitoring of this variable, it is necessary to look for other variables of the soil-plant-atmosphere continuum that may be related and from which to obtain an indirect estimate. Soil is the matrix from which the plant acquires most of the water and nutrients it needs for photosynthesis. The relationship between soil water status and crop water status is well established. However, the accuracy achieved in the correlation models between the two requires considerable improvement to make a truly reliable use of them, and this improvement is not only to find better correlation methods, but also to improve the accuracy of the measurements obtained from the soil. To monitor soil water status, there are several methodologies that provide measurable parameters such as water content. The most widespread measurement method for monitoring soil water content is through the use of dielectric sensors. However, the accuracy of these sensors is subject to various factors, including the characteristics of the soil where they are installed, and their relatively high cost for small and medium-sized farmers, conditioning the extensive implementation of precision agriculture and sometimes limiting the application of some developments only to research work. This thesis, elaborated under the modality of a compendium of publications, addresses through four scientific articles the proposal of affordable solutions for the measurement of soil water status, with special focus on water content; it explores the limitations and challenges associated with the calibration of soil dielectric sensors; participates in the generation of new insights and proposals for a better understanding of the behavior of water in soil and its interaction with electromagnetic waves; and establishes new approaches and models that improve the prediction of crop water status from indirect and automatable measurements in soil and atmosphere.

Author

• González Teruel, Juan Domingo

• Agricultura de precisión
• Agua del suelo
• Estrés hídrico
• Planificación de estrategias de riego
• Precision agriculture
• Soil water
• Deficit irrigation
• Planning of irrigation strategies

Identifier

hdl:10317/11899

OAI identifier oai:identifier

oai:repositorio.upct.es:10317/11899