La realidad de la agricultura ecuatoriana está muy alejada de cumplir con las necesidades actuales que se exhiben dentro del manejo de sus recursos hídricos para abastecer los terrenos agrícolas del país. De acuerdo con una investigación realizada a nivel nacional entre el 2017 y 2018, se estimó que "el 21,1 % de la superficie cultivada del Ecuador se regó" [9]. Este contexto está afectando severamente a varios productos fundamentales para la economía de exportación y abastecimiento del país. Dentro de los más preocupantes, se observa que para el 2018, alrededor del 77.5 % de la tierra dedicada al cacao, el 28.7 % para el arroz y el 62.3 % para la papa no fueron regadas [9].

Más allá, las técnicas de riego utilizadas por los grandes y pequeños agricultores presentan un atraso considerable en términos de tecnología y optimización, de manera que los métodos tradicionales siguen siendo vigentes a pesar de sus claras desventajas. Se observa que para el 2018, solo el 39.7 % de la tierra bajo riego estuvo mantenida por un sistema de aspersión para cultivos permanentes, siendo reducido a un 13.6 % para zonas de cultivos transitorios.

En contraste, el método de surcos-inundación sigue siendo ampliamente utilizado en el país para regar el 32.6 % de la tierra dedicada a cultivos permanentes y hasta el 79.7 % para cultivos transitorios [9]. En otra investigación realizada por el Banco Mundial en 2021, se encontró que en Ecuador, “de las 338 mil hectáreas en manos de los pequeños y medianos productores que cuentan con riego, el 93 % aún utilizan métodos de irrigación tradicionales, con niveles de eficiencia reducida y una limitada capacidad de almacenamiento de agua” [10].

A raíz de esta situación, se ha buscado alternativas que puedan favorecer la producción agrícola, optimizando los recursos disponibles y limitando los costos de aplicación. Existen algunos proyectos, llevados a cabo en su mayoría con el apoyo de organizaciones gubernamentales y sin fines de lucro, donde los resultados han sido prometedores.

Uno de ellos es el Proyecto De Irrigación Tecnificada Para Pequeños y Medianos Productores y Productoras, implementado por el Ministerio de Agricultura y con financiamiento del Banco Mundial y la Agencia Española de Cooperación para el Desarrollo (AECID) [8]. Con el objetivo de ayudar a los pequeños y grandes agricultores, se obtuvo que los campesinos incluidos en el programa lograron no solamente un incremento dentro de sus ingresos (que se reportó alrededor del 60 %), sino un aumento de productividad de la tierra y una minimización del impacto de las condiciones climáticas dentro de la integridad y capacidad de las cosechas en ciertas épocas del año.

No obstante, el proceso de renovación y adaptación de las zonas agrícolas en el país hacia métodos de riego más eficientes aún tiene un gran camino por recorrer. De esta manera, se encuentra una gran oportunidad de investigación y desarrollo de tecnología para nuestra realidad geográfica, climática y social con el fin de mejorar la calidad, capacidad de producción y permanencia de nuestras fuentes de alimentos en un contexto de desabastecimiento, calentamiento global y un constante aumento de necesidades alimenticias tanto local como globalmente.

Un sistema de riego inteligente es una solución tecnológica integral que automatiza y optimiza el riego agrícola mediante el uso de sensores para monitorear las condiciones del suelo y el clima, actuadores para gestionar diferentes métodos de riego, y algoritmos avanzados de machine learning e inteligencia artificial para el procesamiento y análisis de datos. Este sistema busca maximizar la eficiencia del uso del agua, mejorar el rendimiento de los cultivos y reducir el desperdicio, adaptándose dinámicamente a las necesidades específicas del cultivo y las condiciones ambientales cambiantes.

Un sistema de riego inteligente está compuesto por 3 sistemas principales. El primero se basa en la medición de variables ambientales (temperatura, presión atmosférica, irradiancia solar, entre otras) y parámetros específicos del suelo (humedad, porosidad, densidad, entre otros). El segundo es una unidad de procesamiento de datos capaz de determinar el modo óptimo de irrigar los cultivos determinando la cantidad de agua, la profundidad y la cadencia del riego. El tercero se encarga de la irrigación de suelo programado en tiempo real usando sistemas de aspersión, goteo u otros disponibles.

En este artículo nos centraremos en los sistemas de medición de humedad del suelo, en particular el uso de nuevas tecnologías basadas en la determinación de la humedad del suelo mediante la detección de neutrones cósmicos.

En la actualidad, los métodos de determinación del nivel de humedad del suelo y la atmósfera para grandes extensiones de terreno se pueden clasificar en dos grupos:

Técnicas basadas en el escaneo satelital: el uso de imágenes satelitales para estimar la humedad del suelo fue el primer candidato para generar un mapa global de humedad en el planeta, siendo un ejemplo el Soil Moisture Active Passive SMAP de la NASA [11]. Se están desarrollando técnicas basadas en el análisis hiperespectral de imágenes satelitales para determinar el tipo de suelo e inferir su nivel de humedad [12]. El aspecto positivo de esta técnica es la disponibilidad de imágenes satelitales de grandes extensiones en el tiempo; no obstante, su escasa resolución horizontal, poca resolución en profundidad y alto costo no la hacen una técnica utilizable en nuestra región, especialmente para agricultores que manejan pequeñas áreas de cultivo. Además, esta iniciativa no está especializada en agricultura, dado que la escala de la recopilación de información no se puede adecuar para mediciones en áreas específicas de cultivos (menos de una hectárea) donde, para la aplicación de interés, se necesita contar con un monitoreo constante de la humedad del terreno.

Redes de sensores de humedad: el segundo grupo engloba a las redes de sensores de humedad. Aunque existen diversos tipos de acuerdo con el presupuesto y capacidad esperada de la red, nuestro enfoque apunta a las que están compuestas por sensores de alta resolución espacial, tales como las iniciativas de COSMOS-US y COSMO-UK [13], las cuales determinan la abundancia de los neutrones térmicos utilizando detectores gaseosos (como los de Helio-3), para retornar mediciones de gran precisión. No obstante, estas redes son costosas y difíciles de implementar, ya que los gases utilizados son derivados de la producción de energía nuclear.

Además, la escala de estas redes no suele considerar a regiones en vías de desarrollo. Un ejemplo se encuentra en la siguiente figura, la cual muestra la localización de sensores de la red COSMOS. Nótese que tanto en Centroamérica y Sudamérica (a excepción de Brasil), como en gran parte de África, no existen sensores instalados (Figura 1).

Tabla 1 Tabla 1 Elenco de los detectores CRND de la red COSMOS en el mundo detallados por país, incluyendo la cobertura y su estado de funcionamiento. Tabla 1 Elenco de los detectores CRND de la red COSMOS en el mundo detallados por país, incluyendo la cobertura y su estado de funcionamiento.

Un contraste de ambas alternativas nos permitió reconocer sus ventajas y desventajas individuales. Gracias a ello logramos justificar a la red de sensores como la alternativa que mejor podría ajustarse para la implementación de un sistema de riego de monitoreo en la región (Tabla 2).

TABLA 2 TABLA 2 Comparación de los principales aspectos de los sistemas de detección del nivel de humedad en el suelo. TABLA 2 Comparación de los principales aspectos de los sistemas de detección del nivel de humedad en el suelo.

El uso de técnicas derivadas de la Física Nuclear y la Física de Altas Energías, como son la Detección de Neutrones provenientes de Rayos Cósmicos (CRND), pueden brindar una solución eficiente y económica para realizar un monitoreo constante y preciso del nivel de humedad de grandes extensiones de terreno.

Los neutrones provenientes de los rayos cósmicos son moderados por el hidrógeno presente en el suelo, y en los cultivos. Estos presentan una anti-correlación entre el conteo de neutrones térmicos (con energía cinética de eV~MeV ) y la humedad local del suelo [14]. La Figura 1 muestra la diferencia de abundancia de neutrones para dos muestras de suelo con diversos niveles de humedad.

Figura 1 A

Figura 1 B

FIGURA 1. Espectros de energía de neutrones cósmicos realizadas con dos niveles de humedad relativa del suelo: suelo seco 6 % (a) y suelo húmedo 40 % (b) se evidencia una diferencia del 40 % en abundancia de neutrones epitermales (energía entre 10-6 y 10-4 MeVs), simulaciones realizadas con URANUS [15].

La CRN se ha consolidado como un método de monitoreo bien establecido que proporciona el Contenido Volumétrico de Agua (VWC) medio del suelo en 1 hectárea aproximadamente. Las redes de monitoreo de humedad COSMOS-US y COSMOS-UK demuestran la efectividad de esta técnica para el monitoreo a largo plazo de las condiciones hidrológicas de grandes extensiones.

A partir de estos detectores se pueden desarrollar sistemas para optimizar los procesos de irrigación y almacenamiento de agua dentro de los cultivos. Además, la información recopilada por los detectores CRND puede servir como complemento para otras técnicas de monitoreo de humedad del suelo. En combinación con la información proporcionada por satélites, sondas y análisis químicos, es posible desarrollar sistemas para calibrar los datos extrapolados de imágenes satelitales y contrastar las medidas puntuales hechas por estaciones meteorológicas y otros tipos de sondas.

Cabe afirmar también que los detectores CRND son sensibles no solamente a la humedad del suelo, sino también a concentraciones de agua en la superficie, como puede ser nieve, concentraciones de agua y biomasa. Con un adecuado análisis de datos, estos sistemas podrían utilizarse para mejorar modelos de predicción meteorológica, sobre todo con un enfoque de estudio de fenómenos climáticos extremos (como las sequías e inundaciones) y los ciclos de carbón y su relación con el agua. También pueden resultar útiles en el monitoreo de glaciares y cuencas hídricas.

Los detectores de neutrones cósmicos (CRNS) utilizados en la red COSMOS emplean tubos llenos de gas Helio-3 (³He) como medio de detección. Estos tubos funcionan como detectores gaseosos que operan a alto voltaje para facilitar la detección de neutrones térmicos. Cuando los neutrones cósmicos secundarios alcanzan la superficie terrestre, parte de ellos es moderada por el hidrógeno presente en el suelo, y una fracción se convierte en neutrones térmicos. Estos neutrones térmicos pueden ser capturados por los núcleos de helio-3, generando una reacción nuclear que produce partículas cargadas (protones y tritones). Estas partículas ionizan el gas, generando impulsos eléctricos que son amplificados y procesados por un sistema de adquisición de datos. El conteo de estos impulsos está inversamente correlacionado con el contenido de hidrógeno en el suelo, lo que permite inferir su humedad volumétrica.

El Helio-3 es un isótopo poco común y su disponibilidad es limitada en la Tierra. Se forma de manera natural como producto de la desintegración radiactiva de tritio, que es un isótopo del hidrógeno. El tritio se genera en reactores nucleares como subproducto de la fisión nuclear y también puede producirse artificialmente en reactores nucleares o aceleradores de partículas. Una vez que se produce el tritio, este puede desintegrarse radiactivamente para formar helio-3. Sin embargo, la cantidad de helio-3 producido de esta manera es generalmente baja en comparación con otras fuentes de helio-3, como la captura en la atmósfera solar o la extracción de gas natural. Este hecho hace que los detectores de neutrones basados en He-3 sean costosos por lo que no representan una posibilidad para monitorear la humedad de campos agrícolas.

Los detectores de neutrones basados en plásticos centelladores son dispositivos que utilizan materiales plásticos especiales, llamados centelladores, para detectar la presencia de neutrones. Estos detectores son una opción común en muchas aplicaciones debido a su sensibilidad, bajo costo y versatilidad [16].

El funcionamiento de estos detectores se basa en el principio de que cuando un neutrón interactúa con el centellador plástico, puede transferir parte de su energía al material. Esta interacción provoca la excitación de los átomos en el centellador, que luego emiten luz (centelleo) como respuesta a la energía absorbida. Esta luz emitida puede ser detectada por un tubo fotomultiplicador (PMT ) o un fotomultiplicador de Silicio (SiPM), que convierten la señal de luz en una señal eléctrica que puede ser registrada y analizada.

Los detectores de neutrones basados en plásticos centelladores pueden tener diferentes formas y tamaños dependiendo de la aplicación específica. Se utilizan en una amplia gama de campos, incluyendo la investigación nuclear, la detección de material nuclear, la vigilancia de radiación en entornos nucleares, la monitorización de la radiación en la industria, la medicina nuclear, la detección de explosivos y la exploración de recursos naturales.

Una de las ventajas clave de estos detectores es su capacidad para discriminar entre neutrones y otras partículas cargadas, como los rayos gamma, lo que les permite proporcionar mediciones precisas de la radiación neutrónica en presencia de otras fuentes de radiación. Además, son dispositivos robustos y portátiles, lo que los hace adecuados para una variedad de aplicaciones en terreno.

Utilizando plásticos centelladores y SiPMs es posible construir CRNDs con un modesto presupuesto (en torno a los 4K USD), los cuales pueden llegar a tener iguales o mayores prestaciones que los CRNDs gaseosos [17,18].

Las técnicas de detección, los sistemas de adquisición y análisis de datos de los CRNDs son similares a las utilizadas en la detección de rayos cósmicos, disciplina en la cual muchos investigadores del país y de la región tienen extensa experiencia. Para citar un ejemplo, tenemos a la colaboración LAGO (Latin American Giant Observatory), que desde hace más de una década está formando investigadores y desarrollando sistemas de detección de rayos cósmicos para el proyecto LAGO [19].

La implementación de una red de detectores de humedad del suelo representa una necesidad urgente para la región andina si se quiere enfrentar de manera efectiva los efectos del cambio climático sobre la agricultura. Tal como se evidencia en los hallazgos de este estudio, actualmente no existen redes de sensores activas en Ecuador ni en los Andes tropicales que permitan un monitoreo sistemático de la humedad del suelo y la atmósfera. Esta ausencia de infraestructura tecnológica constituye una clara oportunidad para el impulso de la investigación, el desarrollo científico y la innovación tecnológica en nuestro entorno. Se abre una puerta concreta para que Ecuador lidere iniciativas de desarrollo en ciencia aplicada a la gestión hídrica y climática. Las aplicaciones de los CRNDs en la región pueden cubrir diversas áreas estratégicas:

• Agricultura de precisión: Los CRNDs permiten la implementación de sistemas de riego inteligente, optimizando el uso del agua y mejorando la productividad de los cultivos sin comprometer la sostenibilidad del recurso hídrico.

• Conservación ambiental: Estos sensores pueden integrarse en redes de monitoreo continuo de glaciares y ecosistemas altoandinos como los páramos, que cumplen funciones críticas de regulación y almacenamiento hídrico.

• Gestión de riesgos y seguridad: Los CRNDs también pueden emplearse para monitorear cambios en la humedad de suelos en quebradas, lechos de ríos y acueductos, proporcionando información clave para sistemas de alerta temprana ante inundaciones, sequías y deslizamientos o aluviones.

Además, esta tecnología representa una alternativa viable desde el punto de vista financiero. La inversión necesaria para su implementación es moderada en comparación con otras tecnologías de monitoreo ambiental, y su diseño puede ser escalado localmente. Su carácter autónomo permite que estos sistemas funcionen sin depender directamente de grandes organismos internacionales o estructuras gubernamentales complejas, facilitando su adopción a nivel comunitario.

La iniciativa también ofrece beneficios a largo plazo en términos de rentabilidad del sector agropecuario y seguridad para quienes trabajan en entornos rurales. El desarrollo de prototipos locales —capaces de registrar flujos de neutrones y astropartículas en el tiempo, procesar los datos y generar estimaciones precisas de humedad sobre hectáreas de terreno— es factible gracias al conocimiento acumulado en los institutos de investigación latinoamericanos. Además, el uso de plataformas abiertas para el almacenamiento de datos crudos y procesados fomentaría la colaboración científica y el acceso libre a la información en todo el continente.

El rápido aumento de la población mundial demanda una producción alimentaria adecuada en términos de cantidad y calidad, a precios accesibles y con un mínimo impacto ambiental.

En contraste con la agricultura convencional, que trata el terreno de manera uniforme y utiliza la misma cantidad de insumos en toda la superficie de cultivo, la Agricultura de Precisión (AP) se distingue por su capacidad para gestionar la variabilidad espacial y temporal del terreno y del cultivo [20]. Esto implica la aplicación diferenciada de insumos, teniendo en cuenta las características del suelo (como textura, acidez, humedad, topografía), el desarrollo de las plantas y las condiciones específicas entre las temporadas de siembra.

Este enfoque agrícola se estructura en tres fases: recopilación de datos, análisis de información e implementación de las técnicas más apropiadas. Se apoya en cinco tecnologías principales, que incluyen sistemas de posicionamiento e información geográfica (GPS y GIS), sensores remotos, maquinaria automatizada y monitores de rendimiento y aplicación.

Para que un país pueda adoptar con éxito este modelo agrícola, es necesario contar con tres condiciones fundamentales: instituciones especializadas que generen conocimiento y formen recursos humanos, sistemas eficaces de recolección de información y una gestión precisa de los recursos agronómicos mediante sistemas de toma de decisiones adecuados. Los sistemas de determinación de la humedad del suelo junto con sensores ambientales y estudios fisicoquímicos del suelo pueden ser la base para la creación de un gran sistema de información que permita desarrollar técnicas sofisticadas de cultivo, crecimiento y cosecha de productos agrícolas.

La inteligencia artificial (IA) se puede integrar de diversas formas en la agricultura de precisión para optimizar la producción agrícola. Aquí hay algunas formas en que se puede utilizar:

1. Análisis de datos: la IA puede procesar grandes cantidades de datos recopilados de diversas fuentes, como imágenes satelitales, drones, sensores en el campo y datos meteorológicos. Algoritmos de IA pueden analizar estos datos para identificar patrones, tendencias y anomalías que pueden ser útiles para la toma de decisiones agrícolas.

2. Predicción de cosechas: mediante el análisis histórico de datos agrícolas y condiciones ambientales, la IA puede predecir rendimientos de cosechas futuras.

Esto ayuda a los agricultores a planificar de manera más efectiva sus actividades agrícolas, desde la siembra hasta la cosecha.

3. Gestión de cultivos: los sistemas de IA pueden monitorear continuamente el crecimiento de los cultivos utilizando imágenes de satélite o drones. Con algoritmos de aprendizaje automático, pueden identificar áreas que requieren atención especial, como la detección de enfermedades, estrés hídrico o deficiencias nutricionales.

4. Optimización de insumos: la IA puede ayudar a los agricultores a optimizar el uso de insumos como agua, fertilizantes y pesticidas. Al analizar datos sobre las condiciones del suelo, el clima y el crecimiento de los cultivos, los algoritmos de IA pueden recomendar la cantidad adecuada de insumos en cada área del campo, reduciendo así el desperdicio y los costos.

5. Sistemas de control autónomo: la IA puede integrarse en equipos agrícolas autónomos, como tractores y rociadores, para realizar tareas específicas en el campo de manera precisa y eficiente. Estos sistemas pueden adaptarse dinámicamente a las condiciones cambiantes del terreno y responder en tiempo real a los datos recopilados por sensores.