1.5 Aplicación de fitosanitarios de precisión

Participantes: J. Llorens, A. Escolà, J. Arnó, C. Román, E. Gregorio, J.R. Rosell-Polo, F. Solanelles, F. Camp. 

 

Se puede definir la aplicación de fitosanitarios de precisión como un manejo que, utilizando los avances tecnológicos, optimice el uso de insumos (Por ejemplo, los productos fitosanitarios, PF) maximizando el rendimiento, la calidad de la producción y minimizando el impacto y el riesgo medioambiental. La optimización del uso de PF en la Agricultura de Precisión vendrá definida por la aplicación de la dosis mínima efectiva (kg.ha-1) adaptada a las diferentes características del objetivo a tratar dentro la parcela. Los avances en maquinaria, programas informáticos, sistemas de posicionamiento (GNSS, Global Navigation Satellite Systems), sensores de caracterización de la vegetación (próximos y remotos) y tecnologías de aplicación variable, ofrecen la posibilidad de llevar esa adaptación de la aplicación a la práctica. En este sentido, el GRAP inició sus trabajos en el ámbito de la aplicación de productos fitosanitarios hace más de 20 años, mucho antes de la creación oficial del grupo de investigación. Una de las primeras líneas de investigación fue la aplicación variable de productos fitosanitarios con el desarrollo de un prototipo de pulverizador hidroneumático capaz de modificar el caudal de caldo polvorizado de forma proporcional al tamaño de los árboles objetivo de tratamiento (Escolà et al., 2013; Solanelles et al., 2002). Todos los Trabajos en esta línea de aplicación de fitosanitarios tienen como objetivo conseguir una deposición de producto uniforme sobre la superficie de las hojas independientemente al tamaño del cultivo. Además de reducir la cantidad de producto depositado en el suelo o la cantidad que se pierde por efecto de la deriva, mejorando de esta forma las aplicaciones de fitosanitarios y la protección del medio ambiente.

 

Análisis de la calidad y la eficiencia de los tratamientos

En el proceso de mejora de las aplicaciones de fitosanitarios es importante disponer de herramientas para un análisis de la calidad y la eficiencia de los tratamientos, estas herramientas deben permitir evaluar la cantidad de producto que se retiente en el objetivo de tratamiento (cultivo, hojas, tronco, suelo,…) y determinar aquella cantidad que no llega a su objetivo y se pierde por deriva o per deposición en zona no deseadas.

Es por eso que el grupo de investigación GRAP tiene experiencia en realizar ensayos siguiendo los estándares ISO (International Organitzation for Standardization, https://www.iso.org) para la cuantificación de la deposición y la deriva (Román et al., 2022, 2021, 2020, 2019; Torrent et al., 2020, 2017). Estos protocolos se recogen en los siguientes documentos:

• ISO 5682-1:2017: Equipment for crop protection – Spraying equipment – Part 1: Test methods for sprayer nozzles.
• ISO 5682-2:2017 Equipment for crop protection - Spraying equipment - Part 2: Test methods for hydraulic sprayers. 
• ISO 5682-3:2017 Equipment for crop protection - Spraying equipment - Part 3: Test methods for volume/hectare adjustment systems of agricultural hydraulic pressure sprayers.
• ISO 9898: 2000 Equipment for crop protection – Test methods for air-assisted sprayers for bush and tree crops.
• ISO 22522:2007 Crop protection equipment – Field measurement of spray distribution in tree and bush crops.
• ISO 22866:2005 Equipment for crop protection – Methods for field measurements of spray drift.

Estas aplicaciones para el análisis de la calidad i la eficiencia se hacen mediante el uso de trazadores (Quelatos metálicos, colorantes alimentarios, colorantes fluorescentes, …) que permiten analizar la deposición en hoja, en el suelo o en la superficie del objeto que se coloque como colector. Alternativamente también se puede hacer un análisis de la calidad de la aplicación de forma más cuantitativa utilizando papeles hidrosensibles, un método utilizado en jornadas de demostración en campo para la comprobación del efecto de los ajustes realizados en equipos de tratamiento. En la Figura 1 se puede observar el procedimiento para la extracción de trazador de las hojas en un ensay de deposición, y en la Figura 2 un ejemplo de los resultados de deposición que permiten analizar como ha llegado el producto en una sección de vegetación de viña de una parcela con dos niveles de desarrollo vegetativo, en este caso

 

Figure 1. Procediment utilitzat en un assaig de deposició en fulla seguint el protocol ISO 22522:2007.

 

 

Figure 2. Exemple de gràfic de resultats de deposició en dos tipus de vegetació (Baix vigor i Alt vigor).

 

 

Ajuste de dosis

El grupo de investigación GRAP Durante los últimos años ha desarrollado una herramienta web que facilita el proceso de ajuste de dosis en aplicaciones de fitosanitarios en cultivos arbóreos. Para esto, el sistema DOSA3D calcula el volumen de aplicación óptimo estimando el índice de superficie foliar y teniendo en cuenta la eficiencia global de la aplicación junto a la plaga o enfermedad a controlar. La herramienta se puede encontrar gratuitamente en la siguiente página web: http://www.dosa3d.cat/es (Figura 3)

Figura 3. Carátula de la página web de DOSA3D.

 

Esta herramienta se ha validado gracias a diferentes trabajos de campo que se pueden consultar en estas referencias de artículos científicos (Planas et al., 2012; Román et al., 2022, 2021, 2020).

En la última actualización del sistema, se ha introducido una herramienta para facilitar la selección de las boquillas adecuadas al tratamiento i ala determinación de la presión de trabajo, ya sea en tratamiento de dosis uniforme o en tratamientos mediante mapa de zonas en las que la dosis de aplicación se adapta a las variaciones de vigor intraparcela.

 

Sistemas electrónicos de control

Los pulverizadores ajustan el volumen de aplicación impulsando el líquido que sale por las boquillas a una presión predeterminada. El volumen de aplicación final (L ha-1) es función del caudal que proporcione el conjunto de boquillas (en L min-1), la velocidad de avance (km h-1) y el ancho de trabajo. En un tratamiento convencional se consigue aplicar un volumen de aplicación homogéneo al mantener la velocidad de avance constante y la presión de trabajo. O si es el caso, ajustando proporcionalmente uno de los parámetros cuando varía el otro. Para conseguir una pulverización variable se necesita instalar algún tipo de tecnología que permita regular el volumen de aplicación a las características de la vegetación. Entre los sistemas disponibles para la aplicación variable están los que actúan sobre al caudal emitido por las boquillas. En la Tabla 3 se muestran los sistemas más utilizados en cultivos arbóreos.  

 

Tabla 1. Tecnologías que actúan sobre el caudal de las boquillas.

Tecnología	Descripción	Referencias
Sistema on/off	Control mediante electroválvulas permitiendo la apertura o cierre del circuito de alimentación de las boquillas	(Wellington et al., 2012)
Electroválvulas proporcionales	Modificación del caudal de las boquillas en función de la presión de trabajo	(Campos et al., 2021; Escolà et al., 2013; Llorens et al., 2010)
Electroválvulas pulsantes de modulación de ancho de pulso	Regulación de la frecuencia de maniobra (apertura / cierre) de las válvulas que controlan la alimentación de las boquillas (pulse with modulation, PWM)	(Llorens and Hewitt, 2019; Salcedo et al., 2020)

 

En todo el proceso de ajuste de la aplicación mediante los sistemas electrónicos de control es importante tener en cuenta la posibilidad de realizar la trazabilidad de las aplicaciones. Hoy en día, muchos sistemas de control de pulverización permiten esta funcionalidad. En este proceso se registran determinados parámetros de la aplicación para controlar qué volumen de aplicación se está realizando correctamente. Esta información permite analizar aquellas áreas de la parcela en la que el volumen real aplicado difiere del volumen real planificado, ya sea por subdosificación o por sobredosificación. Estas dos situaciones se deben evitar por el riesgo de generar problemas, ya sea por incremento de costes, fitotoxicidad o exposición ambiental i personal no deseada.

 

Aplicación variable de productos fitosanitarios

Existen dos enfoques en la aplicación variable: aplicación variable en tiempo real y basada en mapas de prescripción.

En la aplicación variable en tiempo real, los sensores que permiten leer el objetivo (vegetación principalmente) van montados sobre el tractor o pulverizador y a medida que el equipo avanza entre las filas del cultivo se ajusta la dosis de forma continua.

Se han desarrollado varios prototipos de pulverizadores de aplicación variable en tiempo real (Abbas et al., 2020). Entre los más destacados se encuentran, por un lado, los prototipos que caracterizan la vegetación en tramos de altura con un número variable de sensores de ultrasonidos y permitiendo aplicar diferentes volúmenes de aplicación a cada estrato en altura (Escolà et al., 2013; Gil et al., 2007; Llorens et al., 2010). Por otra parte, los prototipos que integran el escaneo de la vegetación con sistema LiDAR y la aplicación variable con válvulas PWM (Pulse Width Modulation) (Chen et al., 2020; Salcedo et al., 2020).

En referencia a la aplicación variable sobre la base de mapas, la caracterización de la vegetación se realiza con el objetivo de diferenciar zonas de manejo. A tal fin se pueden utilizar sensores LiDAR (del-Moral-Martínez et al., 2020) o imágenes multiespectrales multiespectrals (Campos et al., 2019; Román et al., 2022, 2021, 2020). Una vez diferenciadas las zonas de manejo, el mapa de prescripción se genera asignando una dosis en cada zona (Figura 4). El mapa de prescripción se carga en un monitor embarcado en la electrónica de control de la máquina que variará la presión de trabajo de forma automática.

 

Figura 4. . Mapa d'aplicació. BV: Baix volum, VM: Volum mig i AV: Alt Volum

 

La aplicación variable en tiempo real permite una actuación más precisa, ya que la caracterización de la vegetación y el ajuste de dosis se realiza de forma continua, consiguiendo ahorros de producto entre el 30% y el 80% (Wandkar et al., 2018). En cambio, la dosificación en base a mapas suele diferenciar un menor número de zonas de manejo (2 o 3), por lo que el potencial de ahorro se prevé inferior. Sin embargo, la electrónica embarcada en este segundo tipo es menor, y permite disminuir costes y problemas operativos.

Detección y cuantificación de la deriva mediante LiDAR.

Existen diferentes técnicas utilizadas para pedir la deriva producida en aplicación de productos fitosanitarios, como son el uso de colectores naturales o artificiales, el uso de colectores activos o pasivos y el uso de tecnología LiDAR (Light Detection and Ranging). En este sistema se centra la última sub-linea de investigación.

 

Un sistema LiDAR es un instrumento de teledetección similar a un radar con la diferencia que emite luz (láser) y no ondas de radio. El funcionamiento de un LiDAR consiste en la emisión de un haz láser en dirección a un blanco (en esta aplicación el blanco está constituido por la nube de deriva producida en la pulverización) que retrodispersa parcialmente esta luz (es decir, parte de la luz vuelve al receptor). Los fotones que llegan al receptor se recogen con un telescopio y un sistema fotodetector registra esa energía en relación al tiempo. Conocida la velocidad de la luz (~ 3x108m/s), podemos calcular la distancia que han viajado los fotones en la ida y vuelta (tiempo de vuelo). La interacción entre el haz laser emitido (mediante pulsos) y los aerosoles y las moléculas atmosféricas está sujeta a las leyes de dispersión o scattering (Rayleigh, Mie y Raman, principalmente) i absorción, de manera que esta interacción se manifiesta en una extinción o pérdida exponencial de energía a medida que el haz laser se propaga por la atmósfera.

Las aplicaciones de los sistemas LIDAR son enormes, entre las que se incluyen la medida de la densidad de aerosoles, velocidad y dirección del viento, concentración de especies químicas, perfiles de temperatura y estudios de ceilometría (altura y espesor de las nubes). En el campo medioambiental, los sistemas LIDAR permiten detectar y monitorizar la dispersión de los aerosoles y otros contaminantes.

Durante los últimos años, varios estudios han utilizado sistemas LIDAR para medir la deriva. En 2009 a 2021 se llevó a cabo una campaña experimental en la que se realizaron diferentes ensayos de pulverización terrestre. Para la medida de la deriva se utilizaron simultáneamente un sistema LIDAR UV (ultravioleta) y dos tipos de colectores pasivos (hilos de nylon y papel hidrosensible) análogos a los utilizados en ensayos. Con este trabajo se concluyó que el LIDAR es una técnica adecuada para la medida de la deriva de pesticidas puesto que fue posible relacionar sus medidas con las obtenidas por los colectores (Gregorio et al., 2016, 2014; Torrent et al., 2020).

Como continuación de los anteriores trabajos, el Grupo de Investigación en AgróTICa y Agricultura de Precisión ha desarrollado un sistema LIDAR para la detección y medida de la deriva atmosférica de productos fitosanitarios y otros tipos de aerosoles, mostrado en la Figura 6. El sistema consta de un subsistema emisor (láser) y de un subsistema receptor (telescopio + módulo fotodetector) que permite la captación de una fracción de la luz que devuelve al detector después de haber impactado con el blanco que se desea detectar y caracterizar (en este caso, la nube de deriva atmosférica producida por un pulverizador agrícola, polvo, humo, etc). El apuntamiento del LIDAR se realiza mediante un sistema electromecánico con dos grados de libertad: en azimut y elevación. El resultado de la luz capturada por el módulo fotodetector son impulsos de tensión que deben ser registrados y procesados por un sistema electrónico de adquisición de datos de altas prestaciones

 

Figura 5. Sistema LiDAR (izquierda) para la medida de la deriva. Zoom de los subsistemas de emisión y recepción sin el armazón de protección (derecha).

 

Referencias 

Abbas, I., Liu, J., Faheem, M., Noor, R.S., Shaikh, S.A., Solangi, K.A., Raza, S.M., 2020. Different sensor based intelligent spraying systems in Agriculture. Sensors Actuators A Phys. 316, 112265. https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112265

Campos, J., Llop, J., Gallart, M., García-Ruiz, F., Gras, A., Salcedo, R., Gil, E., 2019. Development of canopy vigour maps using UAV for site-specific management during vineyard spraying process. Precis. Agric. 20, 1136–1156. https://doi.org/10.1007/s11119-019-09643-z

Chen, L., Wallhead, M., Reding, M., Horst, L., Zhu, H., 2020. Control of Insect Pests and Diseases in an Ohio Fruit Farm with a Laser-guided Intelligent Sprayer. Horttechnology 30, 168–175. https://doi.org/10.21273/HORTTECH04497-19

del-Moral-Martínez, I., Rosell-Polo, J.R., Uribeetxebarria, A., Arnó, J., 2020. Spatially variable pesticide application in vineyards: Part I, developing a geostatistical approach. Biosyst. Eng. 195, 17–26. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2020.04.014

Escolà, A., Rosell-Polo, J.R.R., Planas, S., Gil, E., Pomar, J., Camp, F., Llorens, J., Solanelles, F., Escolà, A., Rosell-Polo, J.R.R., Planas, S., Gil, E., Pomar, J., Camp, F., Llorens, J., Solanelles, F., 2013. Variable rate sprayer. Part 1 - Orchard prototype: Design, implementation and validation. Comput. Electron. Agric. 95, 122–135. https://doi.org/10.1016/j.compag.2013.02.004

Gil, E., Escolà, A., Rosell, J.R., Planas, S., Val, L., 2007. Variable rate application of plant protection products in vineyard using ultrasonic sensors. Crop Prot. 26, 1287–1297. https://doi.org/10.1016/j.cropro.2006.11.003

Gregorio, E., Rosell-Polo, J.R., Sanz, R., Rocadenbosch, F., Solanelles, F., Garcerá, C., Chueca, P., Arnó, J., del Moral, I., Masip, J., Camp, F., Viana, R., Escolà, A., Gràcia, F., Planas, S., Moltó, E., 2014. LIDAR as an alternative to passive collectors to measure pesticide spray drift. Atmos. Environ. 82, 83–93. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2013.09.028

Gregorio, E., Torrent, X., de Martí, S.P., Solanelles, F., Sanz, R., Rocadenbosch, F., Masip, J., Ribes-Dasi, M., Rosell-Polo, J.R., 2016. Measurement of spray drift with a specifically designed lidar system. Sensors (Switzerland) 16, 1–15. https://doi.org/10.3390/s16040499

Llorens, J., Gil, E., Llop, J., Escolà, A., 2010. Variable rate dosing in precision viticulture: Use of electronic devices to improve application efficiency. Crop Prot. 29. https://doi.org/10.1016/j.cropro.2009.12.022

Román, C., Arnó, J., Planas, S., 2021. Map-based zonal dosage strategy to control yellow spider mite (Eotetranychus carpini) and leafhoppers (Empoasca vitis & Jacobiasca lybica) in vineyards. Crop Prot. 147, 105690. https://doi.org/10.1016/j.cropro.2021.105690

Román, C., Llorens, J., Uribeetxebarria, A., Sanz, R., Planas, S., Arnó, J., 2020. Spatially variable pesticide application in vineyards: Part II, field comparison of uniform and map-based variable dose treatments. Biosyst. Eng. 195, 42–53. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2020.04.013

Román, C., Peris, M., Esteve, J., Tejerina, M., Cambray, J., Vilardell, P., Planas, S., 2022. Pesticide dose adjustment in fruit and grapevine orchards by DOSA3D: Fundamentals of the system and on-farm validation. Sci. Total Environ. 808, 152158. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.152158

Salcedo, R., Zhu, H., Zhang, Z., Wei, Z., Chen, L., Ozkan, E., Falchieri, D., 2020. Foliar deposition and coverage on young apple trees with PWM-controlled spray systems. Comput. Electron. Agric. 178, 105794. https://doi.org/10.1016/j.compag.2020.105794

Torrent, X., Gregorio, E., Rosell-Polo, J.R., Arnó, J., Peris, M., van de Zande, J.C., Planas, S., 2020. Determination of spray drift and buffer zones in 3D crops using the ISO standard and new LiDAR methodologies. Sci. Total Environ. 714, 136666. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.136666

Wandkar, S.V., Bhatt, Y.C., Jain, H.K., Nalawade, S.M., Pawar, S.G., 2018. Real-Time Variable Rate Spraying in Orchards and Vineyards: A Review. J. Inst. Eng. Ser. A 99, 385–390. https://doi.org/10.1007/s40030-018-0289-4