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Potencial de las tecnologías de detección para contribuir a la agricultura inteligente

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La temperatura y el nivel del mar están subiendo debido al cambio climático. Esto está provocando un aumento de las sequías. Por otro lado, también están aumentando los daños provocados por las fuertes lluvias. Estos problemas tienen diversas repercusiones negativas en los océanos y las tierras de todo el mundo.

Sobre todo, el impacto negativo en el suelo está perjudicando a la agricultura en la medida en que deja de ser posible cultivar plantas. Esto supone un golpe para el suministro estable de alimentos. También es necesario tomar medidas cuanto antes sobre el suelo afectado negativamente para realizar una agricultura sostenible.

El tsunami resultante del Gran Terremoto del Este de Japón en 2011 causó grandes daños a las tierras agrícolas en Japón. Preocupaban los daños causados por la sal en los cultivos debido a la intrusión de agua de mar. Por ello, se llevaron a cabo trabajos de desalinización en las tierras agrícolas afectadas en una amplia zona como parte del proyecto para recuperarse de la catástrofe. También se realizó una prueba de demostración para observar la salinidad utilizando sensores de suelo en las tierras agrícolas después de la desalinización. ¿Cuál es el potencial de las tecnologías de detección para contribuir a la agricultura? Hablamos con Hitoshi Kanno, antiguo profesor asociado de la Escuela de Postgrado de la Universidad de Tohoku, sobre una visión general del trabajo de desalinización y el uso de las tecnologías de detección en la agricultura inteligente.

¿Qué daños causa el calentamiento global en el suelo y los productos agrícolas?


-- Se dice que los daños causados por la sal perjudican gravemente a la agricultura. ¿Qué importancia tiene el suelo para la agricultura?

Hay suelos aptos para la producción de cultivos y otros que no lo son. Aunque digamos simplemente "aptos para la producción de cultivos", hay varios factores a tener en cuenta. En cuanto a los aspectos físicos, por ejemplo, es importante que el suelo drene bien y que no haya problemas con el crecimiento de las raíces . Además, en cuanto a los aspectos químicos, es importante que pueda suministrar adecuadamente el agua nutritiva que necesitan los productos. Por otra parte, se concede importancia a la diversidad de microbios y seres vivos para evitar propiedades desequilibradas de modo que sólo se reproduzcan patógenos específicos en términos de aspectos biológicos.

De hecho, no es sencillo poder categorizar así el suelo. Las propiedades del suelo apto para la agricultura cambian en función de la finalidad.

-- Díganos qué tipo de investigación lleva a cabo concretamente en su especialidad de la ciencia del suelo.

La edafología es una disciplina que promueve la investigación desde los aspectos de cómo se forma el suelo, de qué se compone, qué características tiene y cómo utilizarlo. Entre esas cuestiones, mi especialidad es la ciencia de los fertilizantes del suelo. Principalmente he investigado cómo cambia el crecimiento de las plantas y la absorción de nutrientes a través de la interacción entre el suelo y los cultivos.

-- El cambio climático se está extendiendo por todo el mundo debido al impacto del calentamiento global. En este contexto, ¿qué problemas plantea la edafología?

En Japón, los daños causados por las fuertes lluvias y otros elementos suelen asociarse al calentamiento global. Por otro lado, también hay regiones del mundo preocupadas por la disminución de las precipitaciones debido al impacto del cambio climático. La acumulación de sal en el suelo y los daños causados por la sal en los cultivos se han convertido en problemas en estas regiones.

-- ¿Por qué se producen daños por sal cuando llueve poco?

En las zonas húmedas, donde llueve durante todo el año, la cantidad de agua de lluvia es mayor que la cantidad de agua que se evapora de la superficie del suelo. Esto significa que es menos probable que la sal permanezca en el suelo. Sin embargo, en las zonas semiáridas, la cantidad de agua subterránea que asciende y luego se evapora de la superficie del suelo es mayor que la cantidad de agua de lluvia. Como resultado, la sal contenida en el agua subterránea se detiene cerca de la superficie del suelo (acumulación de sal) y eso se convierte en la causa de los daños causados por la sal en los cultivos. Un riego inadecuado también puede causar la acumulación de sal en las tierras agrícolas.

-- Cuando se producen daños por sal, las propiedades del suelo cambian. Eso también afecta al crecimiento de los productos agrícolas.

Los principales efectos de los daños causados por la sal en los productos agrícolas son que se inhibe la absorción de humedad por parte de los productos agrícolas y que se altera en gran medida el equilibrio de nutrientes debido al impacto de la salinidad acumulada en el suelo. Por lo tanto, los cultivos dejan de poder absorber adecuadamente el agua nutritiva que necesitan.

Las propiedades físicas y biológicas del suelo también pueden verse afectadas. En consecuencia, si la sal se acumula, el suelo se vuelve inadecuado para la producción de cultivos.

Utilización de sensores de suelo para evaluar los daños causados por la sal en las zonas afectadas por el tsunami tras el Gran Terremoto del Este de Japón

-- Las tierras agrícolas situadas principalmente a lo largo de la costa del Océano Pacífico en la región de Tohoku resultaron gravemente dañadas por el tsunami resultante del Gran Terremoto del Este de Japón en 2011. Además de los daños causados por la destrucción de las instalaciones de riego y drenaje, la afluencia de residuos extraños como escombros, y la escorrentía del suelo, hubo fuertes preocupaciones que afectaron a la producción de cultivos debido a la intrusión de agua de mar (daños por sal) (Foto 1).

 

Foto 1: Suelo de un arrozal donde se ha producido erosión y acumulación de sal debido al tsunami resultante del Gran Terremoto del Este de Japón.


Se trata de un caso extremadamente raro en Japón de daños por intrusión de agua de mar en una amplia zona. La salinidad del suelo aumentó entonces temporalmente. No era posible cultivar productos agrícolas en ese estado. Por ello, se llevaron a cabo trabajos de desalinización a gran escala a través de un proyecto de recuperación de la catástrofe para permitir que el agua dulce penetrara y lavara la sal del subsuelo.

El procedimiento básico con los arrozales consistía en repetir la labor de esperar a que bajara el nivel del agua unos días después de llenarlos con agua dulce y medir entonces la salinidad del suelo antes de añadir más agua dulce si la salinidad seguía siendo demasiado alta. Mediante este procedimiento, la salinidad del suelo se redujo a un nivel (valor estándar) en el que no hay problemas para la producción de cultivos.

El trabajo de desalinización se llevó a cabo principalmente durante tres años a partir de 2011 a través de un proyecto de recuperación de la catástrofe. Se llevó a cabo centrándose en las regiones del interior con intrusión de agua de mar en el primer año. A continuación, se llevó a cabo centrada en las regiones gravemente dañadas por el tsunami en la costa en el segundo y tercer año. Por último, se completó la desalinización en casi el 99% de las regiones que debían recuperarse de la catástrofe.

-- Se utilizaron sensores de suelo para medir la salinidad a lo largo del tiempo en las tierras agrícolas después de la desalinización, ¿no es así?

La Universidad de Tohoku y Murata Manufacturing llevaron a cabo conjuntamente el Experimento de Demostración de Sensores Multimodales en Tierras Agrícolas Afectadas por el Tsunami en 2013, dos años después del terremoto. En este experimento, pedimos a los agricultores de tres localidades afectadas por la catástrofe en la prefectura de Miyagi que llevaran a cabo una monitorización insertando sensores de suelo en algunos de sus arrozales en los que se habían completado las obras de desalinización. Los sensores de suelo se incrustaron a profundidades de 10 cm, 20 cm y 30 cm, respectivamente, en múltiples puntos de un arrozal después de la siembra del arroz. A continuación, llevamos a cabo el experimento de demostración en el sistema inalámbrico de monitorización del entorno que continuó recopilando datos a través de comunicaciones inalámbricas durante el periodo de cultivo.

Los sensores de suelo que utilizamos en el experimento de demostración son capaces de monitorizar simultáneamente la temperatura del suelo y la CE*1. Se trata de un sensor de suelo de tipo multimodal*2. Cuanto mayor es la cantidad de sal en el suelo, más fácil es que fluya la electricidad. Aprovechando ese conocimiento, utilizamos los valores de CE que medimos como indicador de la salinidad del suelo y luego observamos sus cambios.

*1: Se refiere a la conductividad eléctrica. Indica la facilidad con la que fluye la electricidad. La unidad es S/m (siemens por metro). La corriente que fluye también cambia debido a los cambios en la concentración de iones que contiene la humedad del suelo. Se convierte así en un indicador de la salinidad.

*2: Este sistema permite procesar simultáneamente varios datos. En este experimento de demostración se utilizaron sensores multimodales con funciones de sensor de temperatura y sensor de CE.

-- Por favor, díganos específicamente cómo midió los cambios en la salinidad utilizando sensores de suelo en el experimento de demostración.

Inicialmente, los datos de la temperatura del suelo y el valor de la CE medidos por los sensores de suelo cada 30 minutos se enviaron a través de comunicaciones inalámbricas a la unidad base del sistema inalámbrico de monitorización medioambiental que instalamos junto a los arrozales y, a continuación, se almacenaron en una tarjeta de memoria. Fuimos a los arrozales a recoger las tarjetas de memoria una vez cada dos semanas. Importamos los datos a un ordenador y observamos los cambios en los valores numéricos. Además, al recoger las tarjetas de memoria, medimos los valores de CE del suelo con un método convencional utilizando muestras de suelo a cada profundidad, que recogimos insertando barrenas alrededor de donde estaban incrustados los sensores del suelo. También hicimos una comparación al mismo tiempo con los valores de CE de los sensores de suelo (Foto 2).

 

Foto 2: Sistema inalámbrico de monitorización medioambiental que recoge datos de forma inalámbrica de los sensores de suelo [Arriba a la izquierda: sensor de suelo de tipo multimodal / Arriba a la derecha: módulo inalámbrico de la unidad de extensión instalado en el arrozal sometido a pruebas (tres de estos sensores están incrustados en el suelo y luego conectados por cable) / Abajo a la derecha: sensores incrustados en el suelo / Abajo a la izquierda: unidad base en la cresta del arrozal].

-- ¿Qué tipo de posibilidades de utilización de los sensores ha descubierto con este experimento de demostración?

Podemos obtener diversos datos de forma simultánea y continua en múltiples puntos con la medición mediante sensores del suelo utilizando el sistema inalámbrico de vigilancia medioambiental. Eso también permite analizar los factores ambientales que están detrás de las fluctuaciones, además de los cambios en la salinidad en cada lugar y profundidad. Creo, por ejemplo, que será posible observar con precisión los riesgos de daños causados por la sal debido al impacto y otros efectos de los cambios en el clima y los procesos de trabajo agrícola, como después de que haya llovido o al drenar un arrozal en preparación para la cosecha. Afortunadamente, no observamos ningún aumento problemático de la salinidad durante el periodo de cultivo en ninguno de los arrozales que utilizamos en este experimento de demostración.

Desafío del uso de sensores en la agricultura inteligente: Vincular los datos con los activos pasados


-- ¿Qué opina de la importancia de las tecnologías de detección en la agricultura inteligente del futuro?

Poder obtener datos de forma continua cada 30 minutos en el experimento de demostración de 2013 fue una experiencia nueva para mí. El método convencional para medir el valor de CE del suelo consistía en medir el valor de CE de la suspensión de agua en la muestra de suelo que recogíamos. Teníamos que ir al lugar de medición cada vez para recoger la muestra. La frecuencia de medición era de una vez a la semana o al mes. Era imposible medir continuamente el suelo sin sensores. En otras palabras, el uso de sensores facilita la obtención de grandes datos relacionados con la agricultura. Creo que esto será extremadamente importante para la agricultura inteligente en el futuro.

No obstante, el método de medición del valor de la CE mediante sensores de suelo es, de hecho, ligeramente diferente del método de medición del valor de la CE del suelo utilizado cuando medimos la salinidad en el ámbito de la agricultura. Normalmente, medimos el valor de CE (valor de CE del suelo) de la suspensión de agua, que es una mezcla de agua y suelo, y luego lo utilizamos como orientación para la salinidad del suelo. Sin embargo, el valor de CE de los sensores del suelo se deriva de una función compleja de la salinidad del agua de poro y de diversas características del suelo. En consecuencia, la relación entre el valor de CE del suelo y el valor de CE obtenido a partir de un sensor de suelo puede variar en función del tipo de suelo y de las diferencias en el estado del agua. Por lo tanto, creo que el reto consiste en comprender en detalle la relación entre ambos.

-- ¿Cómo se llenará en el futuro esa laguna en la relación de datos?

En futuras investigaciones necesitaremos conectar la gran cantidad de datos relativos al suelo medidos en el pasado con los datos medidos recientemente con sensores. El Experimento de Demostración sobre el Análisis de los Factores que Afectan a la Tolerancia a la Sal del Arroz de Enraizamiento Superficial en el Suelo se llevará a cabo de junio de 2022 a marzo de 2023. He oído que se acumularán nuevos datos vinculados a datos pasados mediante el uso de los nuevos sensores de suelo evolucionados desarrollados conjuntamente por la Universidad de Tohoku y Murata Manufacturing.

-- Resolver los retos uno a uno también conducirá a la realización de la transformación digital (DX) y la agricultura inteligente en el campo de la agricultura, así como a otros avances.

El suelo no cambia rápidamente. Por lo tanto, el análisis del suelo no suele requerir la recopilación de datos en tiempo real hasta ese punto. Sin embargo, en la investigación sobre modelos de crecimiento de productos agrícolas se necesitan diversos datos (temperatura, estado de humedad, radiación solar, dirección del viento y cantidad y contenido de fertilizantes) para ver qué diferencias surgen en el rendimiento (cantidad de productos agrícolas cosechados). Los modelos de producción de rendimientos se han construido durante mucho tiempo utilizando los valores medios de la temperatura del aire, la temperatura del suelo y el estado de humedad durante un determinado periodo de tiempo.

La utilización de los valores observados a través del sistema de vigilancia medioambiental mediante sensores de suelo y otras tecnologías contribuirá en gran medida a dicha investigación. Si es posible obtener muchos datos en tiempo real utilizando varios sensores, podremos hacer predicciones de rendimiento aún más precisas. También será posible pensar en medidas para corregir los modelos de crecimiento del pasado, y creo que esto hará avanzar nuestra investigación.

AUTOR: Hitoshi Kanno, MURATA

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