Miguel Garrido Izard l , Pilar Barreiro Elorzal

y Hans W. Griepentrog2.

' Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos.Universidad Politécnica de Madrid.Faculty of Life Sciences. Copenhague, Dinamarca.

N

ormalmente, las malas hierbas sonconsideradas ajenas e indeseadasdentro de los agroecosistemas. Perolas malas hierbas también deberían

ser vistas como componentes del agroecosis-tema que proporcionan servicios que comple-mentan los obtenidos por el cultivo. Por esta ra-zón es importante repensar la necesidad de eli-minar todas las malas hierbas existentes en elcampo. Con la posibilidad de tratar individual-mente las malas hierbas abrimos la posibilidadde elegir la mejor estrategia, que facilite la inte-gración de una elevada productividad del culti-vo y el respeto al medio ambiente.

CULTIVOS MALAS HIERBAS

Uso de máquinas Pequeñas autónomas e inteligentes o sistemas robéticos para el control de malas hierbas

Escarda selectiva,una nueva estrate gia para elcontrol de la malau AlabasEste artículo presenta los resultados de un TFC(Trabajo Fin de Carrera) desarrollado en la Faculty of LifeSciences, de Copenhague. El propósito de este proyecto esdescribir una nueva estrategia para el control de la floraarvense, basado en la selección y tratamiento de las malashierbas "dañinas" presentes en el campo, manteniendo labiodiversidad. Esta nueva estrategia se denomina escardaselectiva, mediante procedimientos de visión artificial, deidentificación de áreas de trabajo, de tratamientode escarda y su mapeado.

Estrategias empleadas

Desde el punto de vista de la proteccióndel cultivo, el manejo del escardado tiene tresfinalidades principales (Mohler et al., 2007):

1. Reducir la densidad de la mala hierbahasta alcanzar niveles tolerables. Los estudiosexperimentales demuestran que la relación en-tre la pérdida de producción del cultivo y ladensidad de la mala hierba cobra forma deuna hipérbola rectangular (Chikoye et al.,

1995, figura 1).

VidaRURAL (15/Noviembre/2010)

Densidad de malas hierbas Tiempo

- Mas perjudiciales

Menos perjudiciales

(c) Especies nocivas

Especies inofensivas

FIGURA 1Reducción del daño que una densidad dada de malas hierbas produce en la cosecha(izda.) y cambios de la composición de la comunidad de malas hierbas desdeindeseables hacia especies deseables (drcha.) (Mohler eta!., 2007).

Hortibot (Aarhus University, Dinamarca).

CULTIVOS MALAS HIERBAS

2. Reducir los daños producidos por unaespecie determinada de mala hierba en un cul-tivo asociado. No sólo con la reducción de ladensidad de la mala hierba se pueden limitarlos efectos negativos de éstas en el cultivo, tam-bién reduciendo el consumo de recursos, creci-miento, en resumen, la capacidad competitivade cada mala hierba viva (Mortensen et al.,

1998). Esto quiere decir que hay que colocar ala mala hierba en una situación de debilidad,pero no necesariamente de muerte.

3. Modificar la composición de la comuni-dad de malas hierbas hacia niveles menosagresivos. Las malas hierbas producen diferen-tes grados de daño en los cultivos, dependien-do de la especie de mala hierba y del grado dedificultad que impongan en el manejo del culti-vo y en la cosecha (figura 1).

Por lo general, las malas hierbas se presen-tan de manera heterogénea en los campos cul-tivados, distribuyéndose en rodales de densi-dad variable y forma diferente. Como norma ge-neral, las especies perennes forman rodalesbien definidos y estables en el tiempo, comoconsecuencia de su sistema de reproducciónfundamentalmente vegetativo. En cambio, lasespecies anuales suelen presentarse de formamás aleatoria debido a su capacidad de dis-persión por semillas (Andujar, 2009).

La persistencia de los rodales está condi-cionada fundamentalmente por la densidad deplantas. A medida que aumenta la densidaddentro del rodal, la emergencia de plántulas esmayor, así como la resistencia a tratamientosherbicidas, circunstancias que permiten perpe-tuar el rodal en el tiempo. Por otro lado, la dis-persión de los rodales está influida fundamen-talmente por las prácticas agrícolas que se lle-van a cabo en un campo determinado. De estemodo, se pueden observar rodales en forma defranjas debido a los fallos en la aplicación deherbicidas, fallos de siembra, distribución de ri-zomas por las labores del cultivo, etc. La suce-sión de cultivos dentro de la rotación suponeigualmente un factor condicionante de la pre-sencia de determinadas especies arvenses, yaque cada cultivo tiene unas necesidades, un ci-clo biológico y una capacidad de competenciadeterminadas (Andujar, 2009).

En la tesis doctoral realizada por Andujar en2009, sobre la distribución espacial de la espe-cie Sorghum halepense, se observó una dismi-nución en la presencia de éstas según se au-mentaba la proximidad al borde de la parcela.

Así se obtenían los niveles de infestación másaltos en los cuatro primeros metros de distanciaal perímetro de la parcela, reduciéndose a me-dida que la distancia al borde aumentaba.

En dicha tesis se demostró que la mayoríade la superficie infestada (>7 plantas rn-2 ), un73%, correspondió a un reducido número derodales (1% del total) de gran tamaño (>1.000m 2 ). Por el contrario, el mayor porcentaje de lasobservaciones fueron puntuales (61% del to-tal) o formaban rodales de tamaño inferior a 50m 2 (19% del total), aunque la superficie totalocupada por estos pequeños rodales no supu-so más del 5% de la superficie ocupada por S.halepense. El resto de la superficie infectada,un 19%, correspondió a rodales de tamaño me-dio (entre 50 y 1.000 m 2 ) (Andujar, 2009).

Con el fin de incrementar la eficacia de losdiferentes métodos de escardado, parece reco-mendable dividir la superficie del campo en di-versas zonas. Tres diferentes áreas se han iden-tificado dentro de un campo de cultivo (figura2), con sus diferentes técnicas de aplicaciónnecesarias (Norremark y Griepentrog, 2004a):

1.Área entre las hileras (inter-row area): zo-na fácil de controlar, debido al fácil acceso delas herramientas de cultivo entre las hileras. Porello, la mayor parte de las investigaciones so-bre el control mecánico de las malas hierbasse han centrado en la eliminación de las malashierbas encontradas en esta área (Dedousis et

al., 2005).2. Área entre las plantas dentro de la hilera

(intra-row area): donde resulta más difícil elimi-

(15/Noviembre/2010)11IMURAL

Entre las hileras

Dentro de la hilera Área próxima

—44-- :44.- 4+. 4. .--k144- et

1

t/k7

Blancos para el control de las malas hierbas: inter-row, intra-row y close-to-crop(Astrand y Baerveldt, 2004).

Tractor automático Hakotrac 3000 con sistemas RTK-GPS (escarda mecánica dentro de la hilera)(KVL Denmark).

CULTIVOS MALAS HIERBAS

FIGURA 2 Tecnologías disponibles

Los robots agrícolas incorporan tres ele-mentos básicos (Slaughter eta!., 2007):

1) Un sistema de detección para medir ca-racterísticas físicas y biológicas del sistema agrí-cola.

2) Un dispositivo con capacidad de tomade decisiones basadas en la información delsistema de percepción y que determine cómodebe ser manipulado el sistema agrícola.

3) Los actuadores encargados de manipu-lar el sistema agrícola de forma adecuada, eneste caso la aplicación variable de producto fi-tosanitario o de tratamiento térmico con el lá-ser.

Los controles robóticos de malas hierbasson viables gracias a tecnologías disponiblescomo la visión artificial, los sistemas de posi-ción global y las técnicas robotizadas de aplica-ción variable de insumos.

Diversas características visuales se han uti-lizado en la segregación de las especies botáni-cas, pudiéndose establecer tres categorías:

- Morfológicas biológicas: emplean el reco-nocimiento de la forma, que puede ser condu-cido a altos niveles de abstracción: geométrico.estructural y semántico.

- Espectrales, siendo utilizadas técnicas dereflexión de color o espectral para la identifica-ción de especies botánicas.

-Textura visual computacional de imágenesen escala de grises o a color para identificar lasespecies (Slaughter et al., 2007).

Por otra parte, en los sistemas robóticos,existen cuatro tipos de eliminación mecaniza-da de mala hierba que pueden ser empleadospara el control selectivo dentro de la hilera: me-cánico (cuchillas mecánicas y azada rotativa),químico (herbicidas), térmico (llama, agua ca-liente, vapor, congelación, luz UV y láser) y eléc-trico (descarga eléctrica) (Slaughter et al.,

2007).La aplicación variable de insumos en la pro-

ducción agrícola, puede abordarse con dos en-foques diferentes: basado en mapas y basadoen sensores, dentro de una técnica que se co-noce como MSE o agricultura de precisión.

El método de mapas se caracteriza por eluso de representaciones espaciales relativas ala productividad del cultivo, de las propiedadesdel suelo, de las infestaciones de plagas y delas dosis para la aplicación variable (Morgan et

al., 2001). Mientras que el otro método MSE,

nar la mala hierba, debido a su proximidad a laplanta con el consiguiente riesgo de dañarla.En general, a menor resolución espacial respec-to al blanco (cuanto más grande es la mínimazona de actuación) es necesaria una mayor dis-tancia de operación a la planta, con el fin dereducir al mínimo el daño (Norremark y Grie-pentrog, 2004a).

3. Área próxima y alrededor de la planta(close-to-crop area): en ella, las malas hierbassituadas cerca de la planta producen un impac-to negativo en el cultivo, reduciendo su produc-ción. Por lo tanto, el acercamiento a las malashierbas en las proximidades del cultivo, incluso

bajo las hojas del mismo, es un requisito im-portante para los métodos de operación de es-carda.

El control de algunas especies de malahierba en el área próxima al cultivo, podría darnuevas oportunidades para la ecología, estra-tegias de escardado y biodiversidad. Las estra-tegias altamente selectivas de control de lasmalas hierbas pueden ser dirigidas hacia losperiodos clave de crecimiento y a las principa-les especies problemáticas, con la finalidad deminimizar el impacto de las malas hierbas en laproducción y calidad del cultivo (Norremark yGriepentrog, 2004b).

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MALAS HIERBAS

denominado basado en sensores, tiene la capacidad de variar los ín-dices de aplicación de insumos en tiempo real sin la necesidad derecurrir de mapas previos. Por esta razón, el método basado en senso-res emplea sistemas de detección para medir las características dese-adas en tiempo real, información que ha de procesar y emplear in si-tu para controlar al aplicador de tasa variable de insumos. La figura 3muestra ambos sistemas.

Experimento

En este apartado se refiere la parte experimental del trabajo quese llevó a cabo en Dinamarca. El experimento se realizó en laboratorio,donde se empleó un láser de CO 2 para estudiar la respuesta de dife-rentes especies de mala hierba, dependiendo de la dosis/tiempo apli-cados. Los resultados se han empleado como base para delinear lafunción dosis-respuesta, donde la respuesta se establece en términosde relación entre el peso fresco de la planta y la energía aplicada porel láser, con la intención de calcular la energía requerida por hectárea.

Fotografía de Tripleurospermum inodorum, Papaver rhoeas y Veronica persicadiecisiete días después de ser tratadas con el láser de 12 W, 10,6 pm con undiámetro de ataque de 2,95 mm. De izquierda a derecha y de arriba a abajo,las cantidades de energía aplicadas por el láser fueron A (6 1), B (12 1), C(18 1), D (30 1) y E (36 1).

Como se ha indicado, los experimentos fueron realizados en laUniversidad ELS (Faculty of Life Science) bajo condiciones controladas,para el que se emplearon macetas de crecimiento. En este estado sehan evaluado dos diámetros de rayo y diferentes dosis de energía se-leccionados variando el tiempo de exposición del láser. La eficacia bio-lógica del sistema láser fue examinada en tres especies de mala hier-ba: Tripleurospermum inodorum, Papaver rhoeas y Veronica persica.

El equipo o materiales que se han empleado en este experimen-to son:

1. Láser de CO2 : modelo Lasy 12, con una potencia de 12W y unalongitud de onda de alrededor de 10,6 pm.

2. Generador de funciones y osciloscopio: con el propósito de ge-nerar un impulso, que provoque el encendido o apagado del láser a in-tervalos prefijados de tiempo, se ha empleado el siguiente dispositivo:

- 434 Storage Osciloscopio Tektronik.- Generador de funciones: ThandarTG502 5MHz Sweep.3. Cámara térmica: para predecir los mejores intervalos de tiempo

o dosis aplicadas por el láser antes de comenzar el experimento prin-cipal. La cámara empleada es una Thermo Tracer NEC TH6100 conuna versión de hardware 2.12 y un soporte de software de versión1.34.

4. Diferentes especies de mala hierba. Las especies de malas hier-bas seleccionadas en la etapa cotiledón son:

- Manzanilla sin olor (Tripleurospermum inodorum).

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CUADRO I.ED90 (densidad de energía para reducir la biomasa en un 90%, MJ/ha) con escardaselectiva dependiendo de la especie a eliminar y de la zona a tratar para lacomposición 1.

Especies a eliminar Área entre plantas Área entre hileras Toda el área

dentro de la hilera (20%) (M//ha) (80%) (M1/ha) (100%) (M1/ha)

Todas 6.36 25,42 31,78

T Modorum 0,78 3,14 3,92

P Rhoeas 0,87 3,46 4,33

V.persica 1,91 7,62 9,53

Otras 2,8 11,2 14

Otras y P Rhoeas 3,67 14,66 18.33

Otras y T. Modorum 3,58 14,34 17,92

Otras y V.persica 4,71 18,82 23,53

P Rhoeas y T. lnodorum 1,65 6,6 8,25

P Rhoeas y V. persica 2,77 11,1 13,87

T. lnodorum y V. persica 2,69 10,76 13,45

P Rhoeas, T. Inodorum y V. persica 3,56 14,23 17,79

CULTIVOS MALAS HIERBAS I

FIGURA 3Método de mapas y basado en sensores para la variación de los índices de aplicación de insumos al cultivo (Morgan eta!., 2001).

- Amapola (Papaver rhoeas).- Verónica (Veronica persica).5. Análisis de la varianza (Anova): es la he-

rramienta utilizada principalmente a la hora devalorar los efectos de los tratamientos en el di-seño experimental.

Una vez realizada la selección final de pará-metros, los pasos seguidos han sido los mis-mos para todas las plantas, modificándose so-lo el diámetro del rayo o la distancia entre el lá-ser y la planta, la especie de mala hierba y lafrecuencia de la radiación, repitiéndose el trata-miento en tres veces (figura 4).

Diecisiete días después de ser realizado eltratamiento, siendo eliminadas cada dos díaslas plantas que emergieron con posterioridad,se procedió a la recogida de Tripleurospermuminodorum, Papaver rhoeas y Veronica persica,

con el propósito de comparar los pesos frescosobtenidos en las distintas especies por las dis-tintas dosis.

De los datos recogidos se dedujo que elfactor más significativo en el control de la bio-masa de estas especies arvenses fue el nivelde energía (F=15,3), seguido de la especie(F=12,0), siendo el resto de los factores no sig-nificativos a un nivel del 5%.

La modelización de la respuesta de la espe-cies al láser se llevó a cabo en la UPM (Univer-sidad Politécnica de Madrid). Allí, a la vista delos resultados, se tomó la determinación de re-alizar un ajuste sigmoide, que es el más ade-cuado para la modulación de este tipo de res-puestas, dado que es una función acotada en-tre dos valores: el valor inicial y final, aspectoindispensable en el comportamiento de las

plantas que puede oscilar entre no efecto ymuerte o eliminación completa de la materiafresca. Para la realización del ajuste de los pa-rámetros del modelo se emplearon diversasfunciones programadas en Matlab 7.0.

De este ajuste se obtuvieron los valores ob-jetivo que permitirían garantizar la eficacia deltratamiento (reducción de materia fresca a un10% de la materia fresca original): 19,59J/planta para la especie 1 (Tripleurospermuminodorum); 21,67 J/planta para la especie 2(Papaver rhoeas); y fue posible extrapolar laenergía necesaria para hacer eficaz el trata-miento en la especie 3 (Veronica persica) conuna necesidad energética de 47,68 J/planta(figura 5). Nótese que el tratamiento no causala muerte inmediata, sino que su efecto se difie-re en el tiempo de manera que la planta arven-se deja de competir con el cultivo.

Una vez calculada la energía necesaria pa-ra tratar una planta, es importante predecir la

energía necesaria para tratar una hectárea decampo, para lo que serán utilizados los resulta-dos obtenidos en el experimento. Con el fin derealizar esta predicción, algunas variables hande ser supuestas, como son: la densidad de lasmalas hierbas de acuerdo con las considera-ciones iniciales (100 plantas/m 2 ) y el área delas diferentes zonas de ataque (100,80 y 20%del suelo). Este valor considerado de densidadde mala hierba es muy elevado, pero es factibleen Dinamarca.

En este estudio se han considerado funda-mentalmente dos estrategias: una escarda con-vencional, donde todas las malas hierbas soneliminadas; y una escarda selectiva, donde setratan sólo las especies más dañinas. En los

60 Vida RURAL (15/Noviembre/2010)

Proteccien

Distancia

Mala hierba

Estructira gula

Laser

Camera

térmica

i81.974.8

67.7

60,6

53.5

46.4

392

32.1

25.0

17.9

10.8

Diagrama de la estructura usada (izda.) y fotografía térmica después de seraplicados 0,2Hz de frecuencia de láser (cIrcha).

Energía (1/planta) Energía ti/planta)

1.8

1.6

1,4

1.2

1.0

0.8

0.6

0,4

0,2

0.0o 6 12 18 24 30 36 42 48 54

1,8

1,6

1.431, 2

0,2

0,0

0 6 12 18 24 30 36 42 48 54

— T inodorum

P rhoeas

V perece

T inodorum

P rhoeas

V persica

10% de la

matare

fresca

ongralde lasespeces

CULTIVOS MALAS HIERBAS

dos tipos de escarda, se consideran distintascomposiciones de malas hierbas con el fin desimular diferentes escenarios (cuadro 1).

Los resultados muestran un gran potencialdel láser, y más cuando éste se combina conuna estrategia de escarda selectiva, obteniendomuy bajos valores de energía requerida por hec-tárea cuando se compara con la escarda con-vencional con láser. Usando una estrategia deescarda selectiva con un tratamiento láser tér-mico pueden alcanzarse ahorros energéticos dehasta el 80% (MJ/ha) comparado con una es-carda convencional con láser térmico, lo quesupone una gran reducción con respecto a laenergía empleada.

Conclusiones

La escarda selectiva es una nueva estrate-gia donde no todas las malas hierbas presentesen el campo son eliminadas, sino solo aquéllasmás pedudiciales. La escarda selectiva ademástiene en cuenta las diferentes zonas de ataque(intra línea, inter línea y área próxima al cultivo),reduciendo así el área de trabajo.

Si combinamos esta nueva estrategia conel uso del láser de CO, para el control térmicode las malas hierbas, el resultado es un sistemamuy prometedor. En este nuevo sistema, no só-lo se reduce la polución, debido a la eliminaciónde herbicidas, sino que se promueve el aumen-to de la biodiversidad, evitando la eliminaciónindiscriminada de especies vegetales. Finalmen-te resulta del máximo interés la capacidad dereducción de la energía requerida para el trata-

miento con el sistema propuesto, obteniéndoseniveles muy bajos de energía para lograr unED90 (energía requehda para reducir en 90% elpeso fresco). Especialmente, cuando se aplicaen la intra línea, que alcanzan reducciones de1/70 de energía requerida para tratar una hec-tárea en relación con otros experimentos tam-bién de láser térmicos (Fernández, Heisel et al.

y Mathiasen et al.).

Todas estas características (reducción de lapolución, aumento de la biodiversidad y reduc-ción de la energía requerida) hacen de la es-carda selectiva con láser térmico una estrate-gia muy prometedora, que será evaluada en Di-namarca sobre sistemas robóticos en campoen un futuro cercano.

Este estudio es la base de una línea de in-vestigación activa en la University of Life Scien-ces de Copenhague (Dinamarca), y de una in-tensa colaboración de dicha institución con la

Universidad Politécnica de Madrid (UPM), queen la actualidad participa en un proyecto euro-peo (RHEA) para la aplicación de sistemas ro-bóticos en la agricultura. Dicho proyecto estásiendo coordinado por el Instituto de Automáti-ca Industrial y en él participan catorce institucio-nes europeas. •

Agradecimientos

Este artículo no habría visto la luz, de no ser porlos consejos y apoyo de mucha gente que estuvoconmigo durante su elaboración. A todos ellos:¡gracias!

Bibliografía

Existe una amplia bibliografía a disposición denuestros lectores que pueden solicitar a través dele-mail: redaccion@eumedia.es

FIGURA 5Representación de los modelos logísticos empleados para ajustar los datos experimentales, relacionando la biomasa (g/planta)con la energía aplicada por el láser (J/planta) en las tres especies utilizadas.

(15/Noviembre/ 2010) Vida RURAL LB