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La agricultura de regadío cuenta hoy en día con un peso específico importante en el desarrollo económico de Andalucía, ocupando aproximadamente un 23% del total de la superficie agraria de la Comunidad, generando el 57% de la producción total y el 60% d

El cambio climático, la reducción de los recursos hídricos o la degradación y el abandono de la tierra son algunas de las limitaciones que hay que superar en la búsqueda de una agricultura competitiva y sostenible. Dentro de las posibles estrategias, debe considerarse la implementación de cultivos tolerantes a la sequía con alta rentabilidad y la implementación de estrategias de ahorro de agua como las estrategias de riego deficitario (RD). Dentro de las posibilidades de cultivo, el almendro (Prunus dulcis Mill.) sería una excelente alternativa ante un escenario de escasez de agua y cambio climático. Sin embargo, es esencial alcanzar un equilibrio entre la gestión de cultivos y la disponibilidad de agua, definiendo sus necesidades hídricas y las relaciones entre las necesidades de riego y las prácticas agronómicas. En este sentido el objetivo general de esta tesis doctoral fue mejorar el manejo del riego del cultivo del almendro, concretamente en tres de las variedades más implementadas en el sector almendrero (cvs. Guara, Marta y Lauranne) usando dos estrategias de RD diferentes; riego deficitario controlado (RDC) y riego deficitario sostenido (RDS). Con el objetivo de optimizar el manejo del agua de riego para cada variedad estudiada y aumentar la calidad de la almendra obtenida. El estudio se llevó a cabo en dos fincas comerciales de almendro; “Montana de San José” y “Cartuja”. En la primera finca los experimentos se llevaron a cabo durante las campañas 2017 y 2018 y se estableció tres tratamientos de riego: Control (FI); el cual se rego al 100% de las necesidades de riego (NR) durante todo el periodo de riego (PR), un tratamiento sobre regado (150-ETc); el cual se regó al 150% NR durante todo el periodo de riego y un tratamiento de RDC (RDC65) el cual se regó cubriendo el 100% de las NR excepto en los meses de llenado de grano donde se regó al 65% de las NR. En la segunda, los experimentos se llevaron a cabo en las campañas 2019 y 2020 y se establecieron tres tratamientos de riego: un tratamiento control (FI) el cual se regó al 100% NR durante todo el PR, y dos tratamientos en RDS, (RDS75 y RDS65) los cuales recibieron 75 y 65% de las NR durante todo el PR. El PR en ambas fincas experimentales fue de marzo a octubre. Se monitorizó la respuesta a ambas estrategias de riego a nivel agronómico [producción final obtenida almendra grano, peso de grano, productividad del uso del agua, entre otros factores], a nivel fisiológico [potencial hídrico de hoja (hoja), conductancia estomática (gs) y capacidad fotosintética (medida solo en finca Cartuja y en cada uno de los periodos fenológicos del cultivo)] y de calidad de la almendra [parámetros físico-químicos, morfológicos y sensoriales de la almendra]. A nivel agronómico, se obtuvo que la respuesta varietal a las estrategias de riego fue muy diferente. En este sentido, cv. Guara obtuvo en términos de producción final de almendra grano (kg·ha-1) un 30% más que las cvs. Marta y Lauranne bajo la estrategia RDC. Sin embargo, bajo la estrategia SDI, cvs. Marta y Lauranne obtuvieron las mayores producciones almendra grano (~2.200 kg·ha-1), mientras que cv. Guara alcanzó ~2.000 kg·ha-1, aunque estas diferencias no fueron significativas. Sin embargo, las producciones almendra grano en los tratamientos hídricos más restrictivos (en ambas estrategias de riego) fueron muy similares a las del tratamiento FI, lo cual indicaría que las pérdidas de producción son mínimas con los ahorres de energía y agua. Respecto a los tratamientos de riego ensayados, hay que resaltar la respuesta obtenida por las tres variedades al tratamiento sobre regado en el cual solo la cv. Marta produjo un 46% más que el tratamiento FI. En relación a IWP, ambas estrategias mejoraron el uso del agua, mostrando valores similares ~0.40-0.50 kg·m-3 en los tratamientos deficitarios. En referencia a la respuesta fisiológica, el estrés alcanzado por los tratamientos de riego impuestos fue suficiente para afectar a gs, sin embargo, el hoja si se vio afectado; evidenciando la capacidad del almendro para hacer frente a la sequía. En relación a las variedades el mayor estrés hídrico lo presentó cv. Guara bajo la estrategia RDS lo cual puede justificar su menor producción en esta estrategia de riego. En referencia a la capacidad fotosintética, se obtuvo que la mayor tasa fotosintética (AN) se alcanzó en el periodo vegetativo y llenado de grano (14-19 μmol·m-2·s-1) mientras que disminuía en postcosecha (10-12 μmol·m-2·s-1). Por otra parte, el uso de las triosas fosfato (TPU) fue mayor en el periodo vegetativo (12.47 μmol·m-2·s-1) y luego disminuía progresivamente en el llenado de grano y postcosecha (5.74 μmol·m-2·s-1). Esto demostraba que a pesar de que la AN seguía siendo elevada en el periodo de llenado de grano el TPU se veía disminuido. Esta disminución podría estar relacionado con una posible limitación por parte de la tasa máxima de transporte electrónico (Jmax) en el periodo de llenado de grano que provocó una down-regulation en la capacidad fotosintética del almendro y que podría explicar por qué este periodo es menos sensible a condiciones de estrés hídrico. Finalmente, teniendo en cuenta los parámetros de calidad de la almendra, los parámetros físico-químicos que fueron más afectados por la aplicación de RD fueron los azúcares (sucrosa y glucosa), ácidos grasos [ratio oleico/linoleico, ácidos grasos monoinsaturados (MUFA), ácidos grasos polinsaturados (PUFA)] y ácidos orgánicos (ácidos oxálico y cítrico). En lo referente a los azúcares, se vieron disminuidos por el tratamiento sobre regado (40-50 g·kg-1 en el tratamiento sobre regado y 50-60 g·kg-1 en el tratamiento deficitario), lo cual indica que un exceso de agua no es beneficioso para acumular azúcares en el almendro. Respecto a los ácidos orgánicos y grasos, mostraron una respuesta varietal muy marcada siendo cv. Lauranne la que mayor concentración de azúcares mostraba, cv. Marta el mayor contenido de MUFA y cv. Guara la que mejor características morfológicas presentaba a la hora de aplicar RD. Los resultados obtenidos a nivel físico-químico fueron los detectados a nivel sensorial en el panel de catadores. En este sentido, la dilución de los azúcares en el tratamiento sobre regado fue percibida también a nivel sensorial, ya que las almendras de este tratamiento en el paladar fueron menos dulces. En cuanto a la crujibilidad, dependió más de las variedades que de los tratamientos de riego debido a que el cv. Marta en RDI65 tuvo la crujibilidad más baja, pero cv. Guara en RDI65 obtuvo la más alta. De acuerdo a los resultados obtenidos en la presente tesis doctoral, se puede concluir que las estrategias de RD son una buena herramienta para mejorar la gestión del riego en el cultivo del almendro, siendo la estrategia RDC la que mejores resultados muestra a nivel de producciones finales. En referencia a cuando aplicar las restricciones hídricas en este cultivo, a través de la monitorización de las principales limitaciones fotosintéticas en los estados fenológicos, se puede concluir que el periodo de llenado de grano puede ser el mejor momento de aplicarlas sin penalizar la producción final. A nivel varietal, es necesario recalcular las dosis de riego basadas no solo en la estrategia de riego seleccionada, sino también en la propia variedad. No todas las variedades necesitan la misma cantidad de agua, como es el caso de cv. Marta en el cual la demanda es mayor que en la cvs. Guara o Lauranne. En relación a la calidad de la almendra, se ha visto que el estrés hídrico mejora la calidad de la almendra a nivel físico-químico y sensorial, lo cual mejora la comerciabilidad de la almendra aportándole un valor añadido en el mercado. Por lo tanto, bajo el escenario actual de cambio climático y escasez de agua, especialmente en las zonas áridas y semiáridas del sur de España, es fundamental implementar estrategias de ahorro de agua capaces de producir productos hidrosostenibles como es el caso de las almendras. Teniendo en cuenta, el marco de desarrollo de esta tesis doctoral, se evidencia que la implantación del cultivo del almendro en esta zona es rentable y viable a largo plazo cuando se somete a estrategias RD.

La agricultura en Europa, y más concretamente en regiones periféricas como Andalucía, supone un elemento fundamental para el desarrollo económico, especialmente en las zonas rurales, actuando como elemento vertebrador y de cohesión tanto a nivel social como productivo. Dentro de las innumerables limitaciones con las que se encuentra el agricultor, la disponibilidad de agua es quizá una de las más determinantes, no sólo desde el punto de vista de la disponibilidad, sino también de la incertidumbre que genera un contexto de cambio climático global con una creciente demanda que amenaza con sobrepasar los recursos disponibles. Esta incertidumbre resulta patente tanto en los sistemas productivos de secano como en los de regadío, presentándose como necesaria la introducción de diferentes herramientas y modelos que permitan alcanzar una gestión más eficiente y sostenible de los recursos hídricos, además de la posibilidad de plantear distintos escenarios futuros y elaborar respuestas adecuadas adelantándose a los acontecimientos. El presente trabajo de tesis doctoral ofrece diferentes enfoques de la problemática de la escasez de agua, en base a: i) la introducción de diferentes sensores que posibiliten el modelado y control del sistema Agua-Suelo-Planta-Atmósfera al ofrecer medidas de distintas variables de los componentes del sistema. ii) el planteamiento de modelos matemáticos y computacionales que permitan una caracterización y representación de una realidad compleja como es el citado sistema. iii) la propuesta de varios sistemas de planificación y control automático de distintas variables de interés (el contenido de agua, su productividad, la producción del cultivo y otras variables relacionadas con la fisiología del cultivo). Para ello, los trabajos experimentales se han desarrollado en un sistema de agricultura extensiva de secano, representativa de casi un 70% de los agro-ecosistemas andaluces, y en dos cultivos leñosos de regadío que cuentan con una elevada presencia en nuestra Comunidad Autónoma: el cultivo de cítricos y el del almendro. A partir de los resultados obtenidos se puede concluir que es posible encontrar representaciones matemáticas relativamente sencillas de procesos naturales muy complejos y aparentemente caóticos. Estas representaciones han permitido en gran medida modelar el comportamiento del agua en el suelo en condiciones de secano, y comprobar que dichos modelos eran capaces de recoger las características inherentes de cada sistema, como por ejemplo el sistema de laboreo empleado, la profundidad del horizonte radicular o las propiedades físicas del medio. Por otra parte, en cuanto a los sistemas de regadío, los modelos obtenidos permiten extraer conclusiones no sólo sobre la influencia del aporte de agua en la producción final de los cultivos, sino también sobre la capacidad de adaptación de dichos cultivos a situaciones prolongadas de escasez. Estos modelos permiten a su vez discriminar el potencial efecto de un determinado nivel de estrés hídrico sobre los diferentes periodos fenológicos del cultivo; además, permiten concluir que el tiempo necesario para la adaptación de un cultivo y la estabilización de sus producciones a una situación prolongada de estrés hídrico depende tanto del tiempo como del nivel de estrés aplicado a lo largo de sucesivas campañas. Asimismo, los modelos hacen posible la planificación a largo plazo de estrategias de riego deficitario y sistemas de control automático para optimizar la implementación de dichas estrategias y maximizar los valores de producción final. En este sentido, se propone el empleo de técnicas clásicas de control como los controladores Proporcional-Integral-Diferencial o control mediante observador por filtro de Kalman. Teniendo en cuenta el conjunto de resultados obtenidos en este trabajo, se puede concluir que el empleo de técnicas de ingeniería de modelado, simulación y control resulta una alternativa viable para el mundo agrícola, y que sin duda puede ofrecer respuestas a las diferentes problemáticas del sector. Agriculture in Europe, and especially in peripheral regions like Andalusia, is a foundation for economic development, especially in rural areas, acting as the backbone and cohesion element for society and economy. Among the many constraints the farmer finds himself under, water availability is one of the most, not just in regard to availability, but also to the uncertainty generated by a context of global climate change and a growing demand that threatens to overcome the available resources. This uncertainty is apparent both in rain fed and irrigated production systems, stating the necessity of introducing different tools and models to achieve a more efficient and sustainable management of water resources, raising the possibility of different future scenarios and the development of appropriate responses beforehand. The present Ph.D. Thesis offers different approaches to the problem of water scarcity, based on: i) the introduction of different sensors that makes possible the modelling and control of the Water-Soil-Plant-Atmosphere system through providing information about several variables and system components. ii) the approach to mathematical and computational models that allow the characterization and representation of complex realities as the abovementioned model. iii) the proposal of different planning and automatic control systems for several variables of interest (water content, productivity, crop production and other variables related to the crop physiology). In order to fulfill this objective, experimental work was developed in an extensive rain fed agricultural system, which represents almost a 70% of the andalusian agro-ecosystems and in two woody irrigated crops with a high presence in our region: citrus and almond trees. From the results obtained it can be concluded that it is possible to find simple mathematical representations of complex and seemingly chaotic natural processes. These representations allowed to model the behaviour of soil water under rain fed conditions and to attest that those models were able to take into account the system inherent characteristics, such as the tillage system used, the depth of the root horizon or the soil physical properties. Moreover, in terms of irrigation systems, the obtained models allow to reach conclusions not just regarding the influence of water intake in the crop final production but also the crop adaptability to prolonged shortages. These models make possible to discriminate the potential effect of a given water stress level during different phenological stages; they also support the conclusion that the time needed by the crop to adapt itself and stabilize its production under prolonged water stress situations depends both on the time and the applied level of stress in the successive campaigns. The models also enable long-term planning of deficit irrigation strategies and automatic control systems to optimize the implementation of these strategies, thus maximizing the final productive value. In this regard, the use of conventional control techniques such as Proportional-Integral-Differential regulators and control using a Kalman filter observer are proposed. From the obtained results, it can be concluded that the use of engineering techniques as modelling, simulation and control is a viable option for the agricultural world and it can certainly provide answers to several problems of the sector.