Performance comparison of the Penman-Monteith-based evapotranspiration models in a citrus orchard of Southwest China

Resumen Técnico: Comparación del Desempeño de Modelos de Evapotranspiración Basados en Penman-Monteith en un Huerto de Cítricos del Suroeste de China

Planteamiento del Problema
La estimación precisa de la evapotranspiración (ET) de los cultivos es fundamental para optimizar las estrategias de riego y garantizar el uso sostenible del agua en la agricultura. Si bien el modelo de Penman-Monteith (P-M) es el estándar de la industria para ecosistemas bien vegetados, su marco clásico de fuente única de "hoja grande" presenta dificultades en paisajes heterogéneos como los huertos de cítricos. La incapacidad del modelo para separar la evaporación del suelo (E) de la transpiración de la planta (T) y su simplificación de las complejas respuestas estomáticas en un término de resistencia global suelen derivar en imprecisiones, particularmente en doseles con vegetación dispersa o fragmentada. Aunque se han propuesto modelos de doble fuente e híbridos para abordar estas limitaciones, existe una falta de estudios comparativos rigurosos y multiescala en ecosistemas de huertos subtropicales que evalúen el desempeño de los modelos a través de diferentes resoluciones temporales (de media hora a diaria) y etapas fenológicas, junto con un análisis de sensibilidad cuantitativo de sus impulsores estructurales.

Metodología
Este estudio utilizó cuatro años de datos de flujo de covarianza de eddie (EC) (2020–2023) de un huerto de naranja dulce (Citrus Tachibana) en la ciudad de Qionglai, provincia de Sichuan, suroeste de China. La investigación evaluó cinco modelos de ET basados en P-M con estructuras conceptuales variables:

1. Penman-Monteith (P-M): Un modelo de fuente única.
2. Shuttleworth-Wallace (S-W): Un modelo de capas de doble fuente.
3. Dos Parches (T-P): Un modelo de doble fuente de parches que asume parches de suelo y vegetación independientes.
4. Algoritmo de partición de energía superficial basado en topografía y vegetación (TVET): Un modelo híbrido que combina redes de resistencia S-W con agregación T-P.
5. Híbrido de Doble Fuente (H-D): Un modelo que emplea un esquema de capas para la distribución de energía y un método de parches para la agregación de flujos, incorporando correcciones de estabilidad atmosférica.

El desempeño del modelo se evaluó a escalas de media hora, diaria y específicas de la etapa de crecimiento (floración/fructificación, fruto joven, hinchamiento del fruto y maduración del fruto) utilizando métricas estadísticas que incluyen $R^2$, RMSE, MAE y el índice de consistencia ($d_1$). Además, se realizó un análisis de sensibilidad global para cuantificar la influencia de los parámetros de resistencia clave (resistencia estomática de la copa/hoja, resistencias aerodinámicas, resistencia del suelo) y los insumos ambientales (radiación, temperatura, VPD, velocidad del viento, contenido de agua en el suelo y índice de área foliar) sobre la ET simulada.

Resultos Clave

• Desempeño por Escala Temporal: El desempeño del modelo varió significamente según la resolución temporal. A la escala de media hora, el modelo H-D alcanzó la mayor precisión ($R^2 = 0.84$, RMSE = 0.038 mm·0.5h⁻¹), reproduciendo eficazmente los ciclos diurnos. El modelo S-W exhibió una sobreestimación sistemática durante las horas del mediodía. En la escala diaria, los modelos basados en parches (T-P, TVET, H-D) superaron consistentemente a los modelos de fuente única (P-M) y de capas (S-W). El modelo H-D demostró nuevamente una precisión superior ($R^2 = 0.91$, RMSE = 0.47 mm·d⁻¹) con una subestimación promedio mínima (1.63%).
• Sensibilidad Fenológica: La eficacia del modelo dependió de la etapa de crecimiento. El modelo H-D destacó durante los periodos de floración/fructificación y maduración del fruto. Por el contrario, el modelo más simple T-P funcionó mejor durante el periodo de expansión del fruto ($R^2 = 0.88$), lo que sugiere que bajo condiciones de dosel denso donde la evaporación del suelo se ve suprimida, las redes de resistencia complejas pueden introducir rendimientos decrecientes o errores adicionales.
• Análisis de Sensibilidad: La ET simulada fue más sensible a la resistencia de la copa ($r_c$) en el modelo P-M y a la resistencia estomática foliar ($r_{sc}$) en los otros modelos; una disminución del 20% en estos parámetros aumentó la ET entre un 3.71% y un 7.41%. Entre los insumos ambientales, el contenido de agua en el suelo (SWC) fue el factor más sensible, con un aumento del 20% en el SWC causando variaciones en la ET de entre el 10.43% y el 32.27% entre los modelos. El modelo S-W mostró la mayor sensibilidad al Índice de Área Foliar (LAI), donde una disminución del 20% en el LAI redujo la ET en un 11.38%, mientras que los modelos basados en parches mostraron una menor sensibilidad debido al intercambio compensatorio entre la transpiración y la evaporación.

Contribuciones Clave
Este estudio proporciona una evaluación sistemática y multiescala de la familia de modelos P-M en un huerto subtropical, yendo más allá de la simple clasificación de desempeño para descubrir las razones estructurales detrás del comportamiento de los modelos. Identifica al modelo H-D como la opción más robusta para entornos de huertos heterogéneos debido a su integración de correcciones de estabilidad atmosférica y partición de energía de doble fuente. Además, la investigación aclara que la selección del modelo debe depender del contexto; si bien el H-D es generalmente superior, los modelos de parches más simples como el T-P pueden ser suficientes y más eficientes durante los periodos de cobertura de dosel denso. El análisis de sensibilidad descompone además la dependencia de estos modelos respecto a parámetros de resistencia específicos e impulsos ambientales, resaltando el SWC y la resistencia estomática como los principales impulsores de la incertidumbre.

Significancia
Los hallazgos ofrecen una base mecánica para la selección y mejora de modelos en ecosistemas de huertos subtropicales. Al identificar los modelos óptimos para contextos temporales y fenológicos específicos, esta investigación respalda una gestión del agua y estrategias de riego más precisas para la producción de cítricos. El estudio subraya la necesidad de parametrizar con precisión las respuestas fisiológicas de las plantas y los procesos hidráulicos del suelo para reducir los errores de estimación de la ET, contribuyendo finalmente a mejorar la eficiencia del uso del agua y la gestión de los recursos hídicos regionales en sistemas agrícolas sensibles al agua.