Modelo climático anticipa las enfermedades que atacan los cultivos de arroz en Meta y Casanare

 El arroz, base de la dieta colombiana, enfrenta un enemigo silencioso: el añublo de la panícula, una enfermedad que vacía las espigas y amenaza la seguridad alimentaria. En Meta y Casanare, un modelo pionero basado en datos climáticos y aprendizaje de máquina anticipa los brotes mostrando que con variaciones casi imperceptibles de temperatura el riesgo se puede disparar hasta en un 90 %. La herramienta busca convertir la prevención en el mejor aliado de los productores.

Lo novedoso de este hallazgo no está en identificar el añublo de la panícula, sino en demostrar cuáles son las regiones más vulnerables y en qué condiciones exactas se disparan los brotes. El modelo, elaborado por la investigadora Deidy Viviana Rodríguez Almonacid, magíster en Meteorología de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), actúa como un “mapa de riesgo” que combina información histórica del clima con registros recientes de infecciones en el arroz, y ofrece una radiografía precisa de cómo las variables atmosféricas pueden intensificar o frenar la propagación de estas enfermedades.

En Colombia los cultivos de arroz enfrentan más de 13 enfermedades, pero cada región tiene su propio enemigo principal. Por ejemplo en los Llanos Orientales una de las mayores amenazas es el añublo de la panícula, causado por el hongo Pyricularia oryzae, que ataca la espiga justo en la etapa reproductiva, cuando los granos deberían llenarse: la panícula (parte alta de la planta) se mancha, sus tejidos mueren y los granos terminan deformes o vacíos.

Otras enfermedades que predominan en el país son el mal del pie, que pudre la base de la planta y la tumba; el escaldado de la hoja, que deja manchas alargadas hasta secar el follaje impidiendo que la planta realice fotosíntesis; el añublo bacteriano –causado por Burkholderia glumae– que deforma los granos, y la mancha café de la vaina, que debilita la espiga antes de madurar.

Hoy muchos agricultores aplican fungicidas “a ojo” sin tener claro cuál enfermedad amenaza realmente sus cultivos. Esta práctica encarece la producción, pues se usan más químicos de los necesarios, y además impacta el medioambiente al acumular residuos en el suelo y alterar sus nutrientes a largo plazo, y no siempre resulta efectiva.

Frente a este problema, el modelo desarrollado plantea usar el clima como brújula para generar un mapa en el que cada región identifica su propio enemigo y puede anticipar la batalla, aunque todas dependen del mismo grano para subsistir.

Para llegar a estas conclusiones, la investigadora Rodríguez analizó datos climáticos entre 1970 y 2019, tomados de estaciones del Ideam y bases de datos globales estimadas, y los cruzó con registros de monitoreo de enfermedades del arroz entre 2012 y 2019 en parcelas comerciales de la Federación Nacional de Arroceros (Fedearroz) que forman parte del programa de monitoreo fitosanitario de dicho gremio.

El trabajo se adelantó junto con Fedearroz, entidad que monitorea los cultivos en todo el país y que ya desarrolla una plataforma para que los agricultores consulten la dinámica anual del sector.

En un futuro cercano, un arrocero podría recibir en su celular un aviso similar al pronóstico del tiempo: “su cultivo está en floración y la próxima semana habrá alta humedad y nubosidad, con alto riesgo de añublo de la panícula”. Ese es el objetivo de la investigadora Rodríguez, “generar alertas que permitan tomar decisiones a tiempo y aplicar medidas solo cuando sean necesarias”.

Cambio climático multiplica el riesgo del arroz

El arroz no solo enfrenta plagas y hongos, sino también los efectos del cambio climático. En 2024 el calentamiento global sobrepasó los 1,5 °C, un aumento histórico y preocupante según el Servicio Climático de la Unión Europea.

Según determinó la investigadora, el aumento de apenas un grado en la temperatura puede disparar hasta en un 90 % el riesgo de brotes en Meta y Casanare, las regiones más vulnerables a esta dinámica. Además, fenómenos como El Niño y La Niña modifican la humedad y las lluvias, lo que abre la puerta a enfermedades en zonas donde antes no existían. Así, lo que hoy preocupa en los Llanos mañana podría extenderse al Tolima o al Caribe.

En Colombia las lluvias varían de manera drástica: en los Llanos Orientales pueden superar los 3.000 milímetros anuales, mientras que en algunas zonas del Caribe rara vez alcanzan los 1.000 milímetros anuales. Esa diferencia condiciona el comportamiento de las enfermedades; la humedad constante de Meta y Casanare, por ejemplo, favorece el añublo de la panícula. Por eso el sistema de alertas no funciona como un calendario rígido, sino como una herramienta adaptable que se puede integrar con datos en tiempo real de estaciones meteorológicas y satélites para informar de manera precisa a los productores.

La investigación fue dirigida por los profesores Eliécer David Díaz Almanza, del Departamento de Geociencias, y Joaquín Guillermo Ramírez, de la Facultad de Ciencias Agrarias y se adelantó con el Laboratorio de Computación y Análisis Epidemiológico de la UNAL y un convenio con Fedearroz para apoyo técnico. Con esto se busca iniciar un mejor plan de manejo y prevención de enfermedades en los cultivos de arroz de Colombia.

Modelo meteorológico aumentaría el rendimiento en cultivos

 Aprovechar los pronósticos y la información meteorológica –como precipitación, temperatura y evapotranspiración (evaporación del agua de la superficie hacia la atmósfera)– permitiría optimizar la producción de cultivos como papa y quinua, ahorrando más del 40 % del agua para su riego.

Además, la metodología ayudaría a evitar la pérdida de cultivos en sistemas de producción en los que el exceso de humedad puede arruinar la producción.

Para implementarlo se requiere un sistema de riego que permita medir la cantidad de agua que se está aplicando, otro que recoja información meteorológica del cultivo, y un software de optimización de riego que funcione en cualquier computador; este indica cuánta agua se debe aplicar y en qué días de la semana.

Estos son algunos de los aportes de la investigación de Diego Andrés Quintero Puentes, magíster en Ciencias - Meteorología de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), quien se propuso, de alguna manera, anticipar el comportamiento de la humedad en el suelo, para así tomar decisiones más acertadas en los cultivos.

Después de una revisión bibliográfica sobre el estado del país frente a este tema, el investigador no encontró nada al respecto, mientras que en Estados Unidos, Corea, China y los países nórdicos sí han avanzado, aprovechando los pronósticos de los cultivos para planificar el uso del recurso hídrico en estos.

“Empecé a establecer la metodología como una lógica, es decir, por pasos, o un diagrama de flujos que utiliza simulaciones de cultivo para ver cuál de toda una serie de posibles aplicaciones de riego es la que va a maximizar la biomasa o al productividad de lo cultivado”, detalla.

Explica además que “se usaron modelos computacionales para simular el rendimiento de los cultivos de quinua y papa para diseñar la metodología, es decir que no se hizo experimentación en campo, sino que en el computador se simularon los diferentes momentos de estos cultivos en distintas condiciones ambientales y épocas de siembra en la Sabana de Bogotá”.

“Logramos demostrar que usando las fuentes de pronósticos que cumplen con ciertas condiciones, la metodología mejora y potencia el cultivo, y que el pronóstico puede ser útil en este campo en el país”.

Tradicionalmente, en los sistemas productivos el riego se da en función de la cantidad de agua que muestre tener el suelo o terreno en el momento, sin importar si va a llover o no en las próximas horas, días o semanas.

Sin embargo, con esta propuesta metodológica el cultivador tendría una mayor ganancia de su producción, ya que disminuiría significativamente la cantidad de recurso hídrico invertido para el riego, reduciendo la huella hídrica y ahorrando dinero.

“Pronósticos del clima, poco creíbles”

Según el investigador, los colombianos no buscan mucha información sobre los pronósticos del clima, en parte, porque al estar en un terreno tan complejo como el trópico, era común que hace años los valores no fueran tan exactos.

“En Colombia los únicos que realmente saben cómo funcionan esos pronósticos y cómo se pueden aprovechar para tomar decisiones no solo en la agricultura sino en otros sectores, es la gente con formación en ciencias atmosféricas, por lo que faltan profesionales que comprendan estas mediciones, pero para eso se necesitan más trabajos que permitan demostrar que sí es posible.

Modelo productivo haría más eficiente el cultivo de papa criolla

 Una primera aproximación a la modelación de cultivos para mejorar la productividad y las prácticas de manejo de la papa criolla cuantificó la velocidad de crecimiento por indicadores como órgano o planta completa, duración de cada fase fenológica –relación entre el clima y el desarrollo de la planta–, y área foliar –parte expuesta al sol que recibe y absorbe esta energía–, entre otros.

La ingeniera agrónoma Tatiana María Saldaña Villota, doctora en Ciencias Agrarias - Modelación de Cultivos de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) y autora del estudio, explicó que la poca disponibilidad de información sobre el crecimiento y desarrollo de las distintas variedades de papa ha llevado a que en los cultivos de papa criolla se cometan errores en el manejo nutricional y de suelos.

Agregó que este es el primer paso en la construcción de un modelo de simulación para este cultivo en condiciones de trópico, pues los modelos disponibles corresponden a papa de año (papas como la capira o pastusa) y a zonas temperadas como Estados Unidos, Australia, Holanda y la zona norte de Europa.

“Existen muchos vacíos en el cultivo de papa criolla o diploide (Solanum phureja), que es amarilla. Esta papa tiene ciclos distintos porque se cosecha hasta en 130 días (4 meses en promedio), mientras que en otras variedades la cosecha tarda entre 9 y 10 meses. Incluso la semilla tiene un tratamiento distinto, porque en la papa criolla esta pierde viabilidad después de 10 o 15 días, mientras que en la papa de año puede durar hasta 4 meses en condiciones controladas”, detalló la doctora Saldaña.

Para sentar las bases del modelo, la investigadora adelantó ensayos destructivos que le permitieron cuantificar el crecimiento de la planta a lo largo de todo su ciclo, y no solo el rendimiento final. Durante el proceso extrajo plantas en distintos periodos del ciclo productivo en plantaciones del corregimiento de Santa Elena y en los municipios de San Pedro de los Milagros, La Unión y El Carmen de Viboral, en Antioquia.

Para el estudio tomó cada muestra, separó sus partes (hojas, tallos, tubérculos, raíces, etc.) y las sometió a un proceso de secado en horno para eliminar el contenido de agua. Así pudo medir la materia seca y obtener datos de crecimiento, es decir el tiempo transcurrido desde que salieron las primeras hojas hasta que se cosechó el tubérculo.

Después de los ensayos pudo resolver un problema técnico, al estandarizar el cálculo del índice de área foliar con ensayos no destructivos, mediante un modelo basado en fotografías y en el índice de transmitancia (cálculo de la energía solar que atraviesa un cuerpo en la unidad de tiempo).

“Como aporte al nuevo conocimiento, establecimos la eficiencia en el uso de radiación (RUE), un parámetro que relaciona la cantidad total de radiación acumulada por la planta con la  biomasa total. Esta asociación permite ver un comportamiento dinámico a lo largo del tiempo, aunque no se puede considerar como un valor constante para todo el ciclo de cultivo”, explica la ingeniera Saldaña.

Agrega que “la RUE se afecta por los procesos respiratorios de la planta y por muchos factores abióticos, por lo que utilizar valores constantes conlleva a malas interpretaciones de los factores involucrados en la capacidad de la planta para interceptar energía solar y transformarla en carbohidratos durante la fotosíntesis.

Con todos esos valores, ella desarrolló un modelo de producción potencial que por ahora considera variables bióticas como el clima pero no el efecto de otras variables abióticas como las plagas y enfermedades que pueden afectar la producción. “Ese es el siguiente paso y a eso voy a dedicar mi estancia posdoctoral”, anunció.

Aseguró además que esta información es relevante porque el cultivo de papa es produce en menor escala, es decir que no corresponde a grandes industrias productoras como las del café o la palma de aceite. Por eso considera que cualquier aporte en la mejora del sistema productivo de este tubérculo les servirá a muchas familias campesinas del país. 

Empaques de vegetales se harían individualizados con modelo matemático

 Configurar empaques específicos para cada fruta o verdura según el metabolismo del vegetal, su actividad microbiana, las condiciones de almacenamiento o las expectativas del mercado, permitiría que los alimentos duren frescos por mucho más tiempo, favoreciendo su comercio y propiedades nutricionales.

Para ello el modelamiento matemático resulta una buena alternativa, pues evita probar una y otra vez los empaques hasta llegar al correcto, ya que dichos modelos permiten tener datos puntuales, de tal forma que si su punto óptimo de conservación es al 5 % de oxígeno, se puede configurar para ese nivel.

Así lo recomienda el profesor Diego Castellanos, del grupo en Empaques y Vida útil de Alimentos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos (ICTA) de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), quien explica que se necesitan ecuaciones y modelados para establecer el balance de cada uno de los gases que se concentran alrededor de la fruta o la verdura, y así obtener empaques específicos para cada producto.

Incluso se puede predecir cuánto peso perderá el vegetal en determinado empaque, porque en buena medida la pérdida es consecuencia de la evaporación de agua, y habrá más pérdida si la diferencia entre la humedad relativa del ambiente y el alimento es grande.

“Si el empaque tiene mucha o muy poca permeabilidad da como resultado que los gases ideales se pierdan, se pierda más peso, o que el agua se condense al no poder salir y genere un ambiente propicio para los microorganismos”, indica el investigador.

Según su experiencia, hoy en día la mayoría de empaques para preservar vegetales o frutas en fresco no ofrecen soluciones frente a los aspectos que conducen al deterioro ni tienen en cuenta procesos metabólicos como respiración y traspiración, que los hacen “vivos”.

Para conservar estos productos normalmente se usan empaques con materiales y diseños genéricos que no están hechos para los requerimientos de cada fruta o verdura.

“En cada producto se encuentran procesos específicos del deterioro, que depende de condiciones ambientales como la temperatura, la concentración de oxígeno, el CO₂ y el vapor de agua en la atmosfera; cada producto tiene unas condiciones ambientales que favorecen su conservación según las condiciones bioquímicas particulares”, indica el profesor Castellanos.

Las atmósferas modificadas se usan desde hace unos 40 años para conservar productos frescos por más tiempo; funcionan cambiando la concentración de gases que rodean a los alimentos y disminuyendo la temperatura para obtener concentraciones de gas adecuadas. Para eso es necesario conocer el equilibro entre la respiración y traspiración del producto, es decir el propio metabolismo, y los gases trasferidos en el empaque.

Las frutas o vegetales en una bolsa cerrada consumirán oxígeno y emitirán CO₂ y vapor de agua. Esos gases también se intercambian por las paredes del envase, en este caso la bolsa, y lo que se busca es que esos componentes encuentren un equilibrio y cada producto tenga unos niveles deseados, dato al que se llega con experimentación en laboratorio y matemática.

“Para varios vegetales esos niveles son: oxígeno 2-5 %, CO₂ 2-10 % y vapor de agua 80-90 % de humedad relativa, y eso se logra encontrando los materiales con la transferencia de gases ideal de forma constante”, indica el profesor.

En la práctica lograr eso es muy difícil solo eligiendo los materiales del empaque y ahí se usan otras herramientas como perforaciones de menos de 1 mm, o componentes activos.

Empaques activos

Se incorporan elementos que contribuyen a extender la vida útil, reducir la humedad y mejorar su calidad. Si se sabe que el vegetal consume mucho oxígeno y produce mucho vapor de agua y CO₂, como por ejemplo un aguacate, se necesita un empaque con una permeabilidad alta; si es al contrario, como las manzanas, entonces se usa uno con más barrera.

Pero no se limita a eso, sino que también se deben tener en cuenta las cantidades, la logística, la exhibición en las tiendas, el costo de los materiales y su disponibilidad, si tiene cáscara o es delicado, etc.

Una limitante a la hora de hacer la modelación matemática es que solo se puede elegir una concentración de gas; si se elige el oxígeno, el CO₂ o el vapor de agua quedaran fijados a esa ecuación. En ese sentido, el profesor recomienda fijar el oxígeno, porque los procesos de respiración son los que más impactan la vida útil de un producto.

El vapor de agua se puede controlar por componentes activos que cumplan dos propiedades: que tenga mucha capacidad para vapor de agua, pero que su velocidad de absorción sea lenta, de lo contrario deshidrata el producto.

Otro material activo son los absorbedores de oxígeno, que aunque no remueven mucho sí lo hacen muy rápido, lo que permite que el empaque llegue al nivel ideal.