CARACTERIZACIÓN HIDRODINÁMICA DE SUELOS EN ZONAS DE TEMPORAL PARA DEFINIR POTENCIAL DE RENDIMIENTO DE CULTIVOS

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1 CARACTERIZACIÓN HIDRODINÁMICA DE SUELOS EN ZONAS DE TEMPORAL PARA DEFINIR POTENCIAL DE RENDIMIENTO DE CULTIVOS Hydrodynamic characterization of soils in rainfed zones to define crop yield potential Palmira Bueno Hurtado 1, Ignacio Sánchez Cohen 1, Gerardo Esquivel Arriaga 1, Miguel Agustín Velásquez Valle 1, Marco Antonio Inzunza Ibarra 1 1 Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relaciones Agua-Suelo-Planta-Atmósfera. Km 6.5 margen derecha Canal Sacramento, Gómez Palacio, Durango. bueno.palmira@inifap.gob.mx RESUMEN En el presente estudio, se caracterizó la hidrodinámica del suelo en una parcela ubicada en la porción agrícola de temporal en el municipio de San Luis del Cordero en el estado de Durango. Se estableció maíz criollo el 7 de agosto del La caracterización hidrodinámica consistió en la descripción de la humedad y después del estado energético. Se parametrizó la ecuación de Richards y se determinaron las curvas de retención de humedad y se estimó la tensión a la que se sometió el cultivo en el periodo de toma de datos. Se obtuvo una función T = Ps para describir la curva de retención de humedad de 0 a 30 cm de profundidad. En cuando al comportamiento del peso seco del cultivo en relación a la tensión, presentó una decremento cuando la tensión media tuvo el mayor incremento en relación a la tensión del periodo anterior muestreado, así mismo, el mayor contenido de materia seca se acumuló cuando la tensión decreció de forma abrupta en comparación a la tensión media del periodo anterior. Palabras Clave: Humedad, potencial, temporal, maíz. SUMMARY In this research, we characterized the soil water dynamics of a rainfed area located in San Luis del Cordero, Durango. The crop (maize) was established on August 7, Hydrodynamic characterization consisted in the description of the soil moisture and then the soil water potential. The Richards equation was parameterized; water retention curves were determined, thus, the potential at which the crop was subjected in the period of data collection. Finally, a function of water retention curve was obtained T = Ps , to describe the soil moisture retention to a depth of 0 30 cm The behavior of the dry matter accumulation in relation to soil water potential, showed a fall when the average potential had the largest increase compared with the previous period of sampling, likewise, the higher dry matter accumulation was obtained when the soil water potential decreased compared to the previous period of sampling. Keywords Soil moisture, water potential, rainfed, maize. INTRODUCCIÓN El estudio del flujo de agua en una cuenca tiene gran importancia pues es un recurso necesario para la existencia de vida, además de que el movimiento de éste líquido afecta el proceso de erosión, que a su vez provoca una reducción del espesor y la fertilidad del suelo (Dafonte et al., 1999). Para estudiar el comportamiento del agua en una cuenca es necesario tener en cuenta varios aspectos como: a) instrumentar con estaciones de aforo y clima, y b) caracterizar el tipo de vegetación, suelo y pendiente de la cuenca. En lo que se refiere a la descripción del agua en el suelo; es necesario conocer el contenido de humedad y el estado energético. Al respecto, es posible medir el contenido de humedad en cualquier día a diferentes profundidades considerando a este valor como una variable de estado, el cual es producto de varios flujos a saber: precipitación, evaporación, transpiración, escurrimiento y percolación profunda. En cuanto al estado energético del agua en el suelo, el movimiento del líquido está representado por la ecuación de Richards, la cual fue acuñada en 1931, esta ecuación de convección - difusión no lineal puede ser escrita como una ley de conservación del agua. Al respecto, el termino de convección está dado por la fuerza de gravedad, mientras que el término difusivo viene de la ley de Darcy (Aouattou et al., 2012). 71

2 VOLUMEN 13 NÚMERO La dinámica del agua en el suelo está regida por las fuerzas que en ella actúan (potencial de succión), dichas fuerzas corresponderán a cierto contenido de humedad en el suelo (Boudeguer, 1976; Bilskie, 2001); El potencial de succión del suelo definirá la capacidad de este para absorber, almacenar y la velocidad de pérdida del agua, que estará a su vez, fuertemente determinado por las partículas de arena, limo y arcilla (Reid, 2004). El potencial total del agua del suelo es la suma del potencial matricial, generado por la matriz del suelo (partículas sólidas del suelo), del potencial osmótico (generado por los solutos) y del potencial gravitacional. A medida que la succión aumenta, más agua se extrae del suelo y un mayor número de poros se vacía; el agua que permanece en equilibrio en el suelo a una succión determinada, depende del tamaño y volumen de los poros llenos de agua y por lo tanto es función de la succión matricial del suelo (Boudeguer, 1976). Los suelos con textura gruesa, cuyo tamaño de poro es grande, son vaciados con poca fuerza (potencial de succión), en comparación con los suelos de textura fina, los cuales tienen una superficie mayor de poros, debido a su tamaño pequeño, por lo que se requiere mayor potencial para remover la misma cantidad de agua (Bilskie, 2001). La relación entre la humedad y el potencial de succión, es generalmente medible en forma experimental y es representada gráficamente por la curva de retención de humedad (Boudeguer, 1976). Esta curva depende del tamaño y distribución de los poros, así como de la mineralogía de cada suelo; sin embargo, no existe una única curva para un determinado suelo, ya que varían de acuerdo al método empleado para su obtención, además de fenómenos presentes en el suelo como la histéresis, causada por los procesos de humedecimiento y secado del suelo (Castañeda y Reyes, 2004). Las curvas de retención de humedad se utilizan principalmente para: a) determinar un índice de humedad disponible en el suelo, es decir, la porción de agua que puede ser absorbida por las plantas, b) estimar determinados valores de humedad característicos de la relación suelo-agua-planta, como la capacidad de campo o el punto de marchitamiento permanente, c) clasificar los suelos, d) detectar cambios en la estructura del suelo, y e) determinar la relación entre la tensión de la humedad del suelo y otras propiedades físicas (Martínez-Fernández, 1995). Para poder realizar estimaciones racionales del balance de agua en el suelo, es necesario conocer las propiedades hidrodinámicas de este, principalmente la manera en que el agua se mueve en el suelo y cómo se redistribuye. Es en este contexto en el que la caracterización hidrodinámica de los suelos adquiere crucial importancia, especialmente cuando los algoritmos para la cuantificación de las variables del balance en base diaria son incorporados a modelos de simulación hidrológica. Debido a que el suelo es el sustrato donde se conduce y almacena el agua para que sea aprovechada, por la vegetación y demás seres vivos existentes en una cuenca, se define como objetivo de investigación resaltar la importancia de la adecuada caracterización física de los suelos en cuencas hidrológicas para fines de modelación de procesos. MATERIALES Y MÉTODOS El presente estudio se realizó en una parcela ubicada en la porción agrícola donde se practica agricultura de temporal en el municipio de San Luis del Cordero en el estado de Durango, la cual se encuentra ubicada entre las latitudes norte 25 o 30 y 25 o 15 y longitudes oeste de 104 o 30 y 104 o 15 (Figura 1). Las temperaturas máximas que oscilan en los 40 C se presentan en los meses de mayo a agosto, mientras que las mínimas de alrededor de 0 C, comienzan en diciembre y terminan en marzo; referente a la precipitación, esta se localiza en el periodo de junio a septiembre, con lluvias que van aproximadamente de 2 a 50 mm (IMTA, 2009). Figura 1. Ubicación de la parcela experimental. 72

3 PRODUCCIÓNAGRÍCOLA Se estableció maíz criollo el 7 de agosto del 2013 como cultivo de temporal a una distancia entre plantas de 30 cm y entre surcos de 55.9 cm, para dar una densidad de población de 59,880 plantas por hectárea. Se realizaron muestreos semanales de suelo a profundidades de 0 a 30 cm y de 30 a 60 cm a partir del 2 de agosto del 2013 y se determinó humedad por medio del método gravimétrico. La textura para ambas profundidades fue arcillosa. La caracterización hidrodinámica consistió en la descripción de la humedad y después del estado energético. Para realizar lo anterior, se parametrizó la ecuación de Richards, se determinaron las curvas de retención de humedad del suelo de 0 a 30 cm y de 30 a 60 cm de profundidad, así mismo, se estimó la tensión a la que se sometió el cultivo en el periodo de toma de datos. Como se mencionó en la introducción, el contenido de agua en el suelo es producto de varios flujos: precipitación, evaporación, transpiración, escurrimiento y percolación profunda. Cada uno de estos flujos tiene dimensiones de kg agua.m -2.día -1 ó mm.día -1. Para este sistema, para cada variable de estado, X, la ecuación matemática es: Donde E y S son flujos de entrada y salida, respectivamente. La literatura reporta comúnmente el uso de la ecuación de Richards para describir el proceso de infiltración del agua en el suelo. Esta ecuación parte del hecho de que, acorde al principio de conservación de masa, la tasa de cambio de saturación en un volumen de suelo es igual a la tasa de cambio de la sumatoria total de flujos que entran y salen de ese volumen como (véase ecuación 1 antes anotada): (1) Donde z es la profundidad considerada. La ecuación de Darcy establece que: Sustituyendo 4 en 3 se tiene: Como es un gradiente, entonces h se puede escribir como h = Ѱ+z donde ψ es la carga por presión y z es la carga por posición, así sustituyendo este gradiente en 5 resulta: La cual es la ecuación de Richards. Parametrización de la ecuación de Richards Para poder utilizar la ecuación de Richards es necesario relacionar el potencial mátrico y la conductividad hidráulica del suelo con el contenido de humedad. La curva de retención de humedad del suelo es la que se utiliza para este propósito; la Figura 3 muestra dos curvas de retención de humedad, una de 0 a 30 cm y la otra de 30 a 60 cm de profundidad. Existen diferentes aproximaciones para describir esta curva; acorde a Johnson (2003), la aproximación de Campbell es la más accesible analíticamente. Otra aproximación comúnmente usada es la de Van Genuchten (1980). En el método de Campbell el potencial mátrico del suelo está dado por: (4) (5) (7) (6) Donde θ= contenido de agua en el suelo t = tiempo q i,j, E,S = flujos de entrada y salida Si se considera que el agua fluye unidimensionalemnte de forma vertical, entonces se puede escribir: (2) (3) Donde θs es el contenido de humedad del suelo a saturación, ψ ae es el potencial de entrada de aire y b es un parámetro empírico. ψ ae puede describirse como el punto en la curva de retención cuando el agua empieza a drenar. Se considera que entre este punto y el punto a saturación, el contenido de humedad está a saturación y no varía. La Figura 3 es la representación de la ecuación 7. Una expresión que explícitamente arroja el contenido de humedad del suelo es: El parámetro empírico b está dado por: (8) 73

4 VOLUMEN 13 NÚMERO (9) arroje el contenido de humedad de éste a esa tensión. Si se desea conocer la tensión media en un intervalo de muestreo o de lluvia, entonces: De donde: (12) (10) Estado energético de la humedad del suelo Un aspecto preponderante en la caracterización del suelo en zonas áridas, es el conocimiento del impacto del estado hídrico del suelo en el rendimiento de los cultivos. Para esto, partiendo de las curvas de retención de humedad del suelo, es posible estimar la tensión del agua en el suelo a la que el cultivo ha estado sometido entre dos periodos consecutivos de muestreo, o periodos de lluvia. Así, las curvas señaladas en la Figura 3 pueden ser analizadas para que arroje esta información. Las curvas de retención de humedad del suelo siguen una función potencial como: (11) Donde Ps es el porcentaje de humedad en el suelo, k y n, son constantes de regresión. Esta ecuación se puede manipular para que partiendo de una tensión de humedad en el suelo, De donde como se señala en la Figura 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN (13) Los contenidos de humedad para las profundidades de 0 a 30 cm y de 30 a 60 cm se presentan en la Figura 2. Se puede observar que los menores porcentajes de humedad ocurrieron a finales de agosto y primeros días de septiembre, que oscilan de 7.2% a 11.2% para 0-30 y cm de profundidad, respectivamente; mientras que los mayores contenidos de humedad se presentaron el 9 de agosto con 17% y 15.8% para 0-30 y cm, respectivamente. Figura 2. Contenido de humedad (%) del suelo a profundidades de 0-30 cm y cm, en el periodo de estudio Las curvas de retención de humedad se presentan en la Figura 3, muestran para la profundidad de 0 a 30 cm. a un porcentaje de humedad de 16.01%, la tensión de 1.54 Mpa, y para 33.51%, la tensión se presentó de Mpa; por otro lado, para la profundidad de 30 a 60 cm cuando la humedad se presentó de 13.40%, la tensión fue de 1.54 Mpa y para un contenido de agua del 29.11%, le correspondió Mpa. En la Figura 4 se observa el modelo de curva de retención de humedad para la profundidad de 0 a 30 cm. 74

5 PRODUCCIÓNAGRÍCOLA Figura 3. Curvas de retención de humedad para dos profundidades de suelo (San Luis del Cordero, Durango). Figura 4. Curva de retención de humedad para la profundidad de 0 30 cm de suelo (San Luis del Cordero, Durango). Con la ecuación 13 se calculó la tensión media en cada uno de los periodos de muestreo, en la Figura 5 se muestra la tensión media y el peso seco de maíz; la mayor tensión se presentó en el periodo del día 14 al 21 con atmósferas, lo cual fue justo cuando el cultivo presentó un despegue en crecimiento de 4.7 a 13.3 gramos; cuando el cultivo registró los valores más altos de materia seca (24.5 g) la tensión de retención del agua en el suelo fue de atmósferas. 75

6 VOLUMEN 13 NÚMERO Figura 5. Comportamiento de la tensión media y peso seco de maíz para el periodo de estudio. CONCLUSIONES Se resaltó la importancia de la caracterización física de suelos en cuencas hidrológicas para fines de modelación. El documento puntualiza la importancia del conocimiento de la hidrodinámica de los suelos en aéreas de explotación agrícola en cuencas hidrológicas. Este punto es fundamental para explicar el comportamiento del rendimiento de los cultivos como función de la capacidad de los suelos de admitir y transportar agua en su matriz hacia la zona de raíces. En el ejemplo discutido en el documento y de acuerdo a los resultados obtenidos, se concluye lo siguiente: La textura del suelo del sitio experimental es arcillosa cuya curva de retención de humedad de 0 a 30 cm es descrita por la relación T = Ps En cuando al comportamiento de la variación de la materia seca en relación a la tensión de humedad en el suelo, ésta presentó un decremento cuando la tensión media en el intervalo de muestreo tuvo el mayor incremento en relación a la tensión del periodo anterior muestreado, así mismo, el mayor contenido de materia seca se acumuló cuando la tensión media del intervalo decreció en comparación a la tensión media del periodo anterior. Esta relación inversa entre la acumulación de materia seca y la tensión de humedad del suelo es de esperarse independientemente del tipo de suelo. La pendiente de la curva que describe la acumulación de materia seca es un indicativo de la tasa de incremento de esta variable en el tiempo. En zonas de temporal, es importante el conocimiento de la tensión media del agua en el suelo a la que el cultivo estuvo sometido en el intervalo entre lluvias para poder explicar el comportamiento del crecimiento del cultivo. LITERATURA CITADA Aouattou, N., Saighi, M., Fekih, M Modeling of heat and mass transfer in soil plant-atmosphere. Influence of the spatial variability of soil hydrodynamic. World Academy of Science, Engineering and Technology 64 Bilskie, J Soil water status: content and potential. Campbell Scientific, Inc. App. Note: 2S-1 com/documents/ca/technical-papers/soilh20c.pdf (5 de noviembre de 2013). Boudeguer, J. A. Q Características físicas del suelo relacionadas con el riego en siete huertos de paltos del piedmont en la zona de Quillota. Tesis de licenciatura. Universidad Católica de Valparaiso. Escuela de Agronomía. Valparaiso, Chile. Castañeda, M. M. C. y Reyes, A. H. A Solución numérica de la ecuación de Richards. Tesis de licenciatura. Universidad Industrial de Santander. Facultad de Ingenierías Físico- Mecánicas. Escuela de Ingeniería Civil. Bucaramanga. 76

7 PRODUCCIÓNAGRÍCOLA Dafonte, D. J., Neira, S., Xan, X. y Valcárcel, A. M Descripción de la instrumentación de una cuenca experimental para el estudio de la escorrentía y de la erosión. E.P.S. Universidad de Santiago de Compostela. Campus Universitario Lugo pp IMTA Estación San Luis del Cordero. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. ERIC III, 2.0. Martínez-Fernández, J Medida de curvas de retención de humedad en laboratorio y su estimación. Avances en la Investigación en Zona no saturada. Departamento de Geografía. Universidad de Salamanca. Johnson, I Water Mod. Water dynamics, evapotrasnpiration and crop growth. Version 3. Greenhat Software Reid, G Improving soil moisture. NSW Department of primary industries. (5 de noviembre de 2013). Van Genuchten, M.Th. (1980). A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal 44 (5)