Modelos de Simulación
en la Agricultura
Herramientas para Evaluación de Impactos (Modelos de Simulación)
Modelo de Simulación
Programas de computadoras que intentan simular
modelos abstractos de un sistema particular para
mejorar 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
Enfoque Sistémico
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
Entender un Proceso
CAUSA
EFECTO
Componente del Sistema
(respuesta)
(estímulo
INPUT
OUTPUT
INPUT
X
ECUACION del MODELO
y = A + Bx
Y
Herramientas para Comprender
los Sistemas Agropecuarios
• Sistemas Expertos
• Modelos de Simulación
• Sistemas de Información
Geográfica (GIS)
• Sistemas de Bases de
Datos
• Sensoramiento Remoto
{
• Tecnologías de la
Información
Sistemas de Soporte para la Toma de Decisiones
(o de Discusiones)
Agricultura, Producción de Cultivos, Producción de Pasturas
Fisiología
Vegetal
Fertilidad
Suelos
Fertilidad
Suelos
Respuesta
Fertilizantes
Balance
Agua
Pestes &
Enferm.
Resultados
Económicos
Impactos
Clima
Más de 100 años mejorando
el entendimiento de factores,
procesos, interacciones
Fisiología
Vegetal
Balance
Agua
Respuesta
Fertilizantes
Pestes &
Enferm.
Resultados
Económicos
Impactos
Clima
Entender el SISTEMA
Simular el SISTEMA incluyendo interacciones
Densidad de Planta,
Tipo de Planta,
Fenología
(Temperatura),
RADIACION
SOLAR
CO2
INTERCEPCION
Kg MS
POTENCIAL
Densidad de Planta,
Tipo de Planta,
Fenología
(Temperatura),
Tipo de Suelo,
Lluvia, Raíces,
Riego, Laboreo
AGUA
en el
SUELO
RADIACION
SOLAR
CO2
INTERCEPCION
Kg MS
POTENCIAL
Kg MS
REAL ?
Densidad de Planta,
Tipo de Planta,
Fenología
(Temperatura),
Tipo de Suelo,
Lluvia, Raíces,
Riego, Laboreo
AGUA
en el
SUELO
RADIACION
SOLAR
CO2
INTERCEPCION
Kg MS
POTENCIAL
Tipo de Suelo,
Fertilización
Residuos
Laboreo
NUTRIENTES
en el
SUELO
Densidad de Planta,
Tipo de Planta,
Fenología
(Temperatura),
Tipo de Suelo,
Lluvia, Raíces,
Riego, Laboreo
AGUA
en el
SUELO
RADIACION
SOLAR
CO2
INTERCEPCION
Kg MS
POTENCIAL
Tipo de Suelo,
Fertilización
Residuos
Laboreo
NUTRIENTES
en el
SUELO
Kg MS
REAL
Raíces
Hojas
Tallos
Espigas
RADIACION
SOLAR
CRECIMIENTO
INTERCEPCION
(Producción
de Biomasa
kg / ha)
Kg MS
POTENCIAL
Kg MS
REAL
DESARROLLO
(Estadios de cre-,
cimiento, órganos)
Raíces
Hojas
Tallos
Espigas
Crecimiento: Efecto de la Temperatura
Cultivos Anuales y Pasturas Templadas
Mínimo
Óptimo
Máximo
Crecimiento: Curvas Típicas de Producción de Biomasa
Producción de Biomasa (kg DM / ha)
Efecto del Tipo de Cultivar
Días después de Siembra
Crecimiento: Curvas Típicas de Producción de Biomasa
Producción de Biomasa (kg DM / ha)
Efecto de Agua, Nutrientes
Días después de Siembra
Crecimiento: Curvas Típicas de Producción de Biomasa
Producción de Biomasa (kg DM / ha)
Efecto de Agua, Nutrientes y Tipo de Cultivar
Días después de Siembra
DESARROLLO: Tiempo para diferentes estadios
Maíz
Trigo
Maize
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)
Ejemplo: Llenado de Grano (Crítico para Rendimiento)
Llenado
deofGrano
Cardenal
y Federal
Wheat: Grain
Filling
a Cultivar
for two
Sowing Dates
por Epocas
de Siembra
Expressed
in degree-days
(Expto.
de Campo,
W.Baethgen
y W.Tavella,1995)
1995)
(Field
Experiment
Tavella
and Baethgen
50
500
– 550 días-grado
parade
LLENAR
500-550
DG Llenado
Granoel GRANO*
/ grain
mg
mg/grano
40
30
Discusión: Cambio Climático
20
10
Cardenal: 7.5 mg/DG
Federal: 5-6 mg/DG
Card 1
Card 2
Card 3
Fed 2
Fed 3
0
0
200
400
600
800
DíasDays
Grado
Post
Antesis
Degree
after
Anthesis
1000
1200
Fase “Lag”
Clima trabajando con Mejoramiento: Caracterizar con
variables Climáticas (DG vs Días para diferentes Locales)
Siembra – Floración y Fotoperíodo
Cultivar “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)
(Siembra)
(Floración)
Época 1
Época 2
Época 3
Discusión: En qué casos puede ser importante? (ej. Trigo)
Susceptibilidad De Maíz
Al Estrés Hídrico
Relevancia de Caracterizar el DESARROLLO para Simulación:
Susceptibilidad al Estrés Afecta Crecimiento, Rendimiento
Días después de la Siembra
Por Ejemplo agua: WRSI (a) Diferentes requerimientos de Agua para cada estadio
(b) Diferentes efectos sobre los rendimientos
Balances de Agua
Métodos simples a complejos
La mayoría usan método del “Balde” (tipo WRSI)
•Tipo de Suelo (profund., const. Hídr)
•Topografía
•Manejo (irrigado o no irrigado)
Balances de Agua
(a) Diferentes requerimientos para
cada etapa de desarrollo
(b) Diferente penalización en
Rendimiento por estrés hídrico
Penalización de Rendimientos según Balance de Agua
(Ejemplo: Modelo CENTURY, parecido a WRSI)
Producción Relativa
1.00
0.75
0.50
0.25
0.25
0.50
0.75
(Lluvia + Riego + Agua en el Suelo) / ETP
1.0
Balances de
Nutrientes
Nitrógeno, Fósforo,
Potasio
Susceptibilidad De Maíz
Al Estrés Hídrico
Susceptibilidad al Estrés Afecta Crecimiento, Rendimiento
Días después de la Siembra
Similar a lo comentado para Agua
Ejemplo de un Balance de Nitrógeno: Modelo CENTURY
DATOS DE:
RESULTADOS:
CLIMA
Lluvia
Temperaturas
Rad. Solar
PROPIEDADES de SUELOS
CARACTERISCTICAS del
CULTIVAR
Rendimientos
MODELO
DE
SIMULACION
Variabilidad
Ingresos ($)
Riesgos
MANEJO
Fertilización
Riego
Fecha de Siembra
Densidad, etc.
Balances
Agua
Carbono
Nutrientes
PRECIOS, COSTOS
OTROS
SISTEMA
PROD.
Manejo Informado
Experim. Campo
Modelo
Conceptual
Datos Medidos
Mejorar
Mejorar
Comparar
Discrepancias
Observadas
Mejorar
Cuantificar
Modelo
Matemático
Simulación
Qué pasa si…?
Datos Simulados
Estimación Informada
Ciclo Intermedio:
Fechas de Siembra y Rendimiento Potencial
Rendimiento (kg/ha)
9000
7500
6000
4500
10 de Junio
3000
1500
0
10/4
10/5
10/6
10/7
Fecha de Siembra
10/8
Trigo Ciclos Interm. y Largo: Enfermedades
(La Estanzuela 1966-1995)
9000
Rendimiento (kg/ha)
7500
6000
4500
3000
Intermedio
Largo
1500
0
Pot
-30% IAF
Antesis
Pot
-30% IAF
Antesis
Exploración Radicular
A
Compac.
B
RAICES
Mal Laboreo
PROFUNDIDAD
PROFUNDIDAD
Suelo Original
Buen Laboreo
Siembra Directa
RAICES
Exploración Radicular
RAICES
RAICES
PROFUNDIDAD
B
Agua
Nutrientes
Relación Parte Aérea / Raíces
PROFUNDIDAD
A
Compac.
Trigo: Laboreo
(La Estanzuela 1966-1995)
Rendimiento (kg/ha)
9000
7500
6000
4500
3000
1500
0
Intermedio
Pot
+Lab -Lab
Largo
Pot +Lab
-Lab
Resumen de Reducción de Rendimiento Potencial
Ciclo Intermedio
8000
Rendimiento (kg/ha)
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
POT
+irrig
-wat
-40%W
N LOW
-root
-30%IAF
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/
MODELOS DE SIMULACION: EJEMPLO DE TRIGO
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:
EN VARIOS PAISES
G
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8
0
0
0
7
0
0
0
6
0
0
0
5
0
0
0
Simulated(kg/ha)
4
0
0
0
3
0
0
0
2
0
0
0
1
0
0
0
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0
0
0
2
0
0
0
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0
4
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0
0
5
0
0
0
6
0
0
0
7
0
0
0
8
0
0
0
Baethgen, 1998
O
b
s
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v
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(
k
g
/
h
a
)
Densidad de Planta,
Tipo de Planta,
Fenología
(Temperatura),
Tipo de Suelo,
Lluvia, Raíces,
Riego, Laboreo
AGUA
en el
SUELO
RADIACION
SOLAR
CO2
INTERCEPCION
Kg MS
POTENCIAL
Tipo de Suelo,
Fertilización
Residuos
Laboreo
NUTRIENTES
en el
SUELO
Kg MS
REAL
Raíces
Hojas
Tallos
Espigas
RADIACION
SOLAR
CRECIMIENTO
INTERCEPCION
(Producción
de Biomasa
kg / ha)
Kg MS
POTENCIAL
Kg MS
REAL
DESARROLLO
(Estadios de cre-,
cimiento, órganos)
Raíces
Hojas
Tallos
Espigas
Mínimo Set de Datos para Simulaciones DSSAT
Clima Diario
- T Max
- T Min
- Lluvia
- Radiación Solar
Características
del Perfil de
los Suelos
Manejo Agronómico
y
Características de Cultivares
Increasing Complexity
Potential
Production
Increasing
Demand
for
Inputs
Water
Balance
Water, N
Balance
Water, N, P
Balance
Solar Radiation
Max/Min T
Solar Radiation
Max/Min T
Precipitation
Solar Radiation
Max/Min T
Precipitation
Solar Radiation
Max/Min T
Precipitation
Cultivar
Characteristics
Cultivar
Characteristics
Cultivar
Characteristics
Cultivar
Characteristics
Management
Practices
Management
Practices
Management
Practices
Management
Practices
Irrigation
Management
Irrigation
Management
Irrigation
Management
Soil Profile
Physical
Properties
Soil Profile
Physical
Properties
Soil Profile
Physical
Properties
Management of
N Fert. and
Residues
Management of
N Fert. and
Residues
Soil Profile
Chemical Prop.
Soil Profile
Chemical Prop.
Management of
P Fert. And
Residues
Ejercicio DSSAT
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