Huella Hídrica del Cultivo de Caña de Azúcar

Huella Hídrica del Cultivo de Caña de Azúcar Renderos, Rafael. Departamento de Ingeniería de Procesos y Ciencias Ambientales, Universidad José Simeón Cañas, El Salvador. rendelo89@gmail.com Abstract El cuidado del agua ha tomado mayor relevancia a lo largo del tiempo. Para poder optimizar la gestión de este recurso se necesitan plantear indicadores que muestren la evolución del uso de este, para luego poder proponer y adoptar estrategias que conlleven a la optimización del uso del agua. Para tal fin, se ha realizado una valoración de la huella hídrica azul, verde y gris del cultivo de caña de azúcar en el periodo de un año desde su siembra hasta su respectiva cosecha en El Salvador. Palabras clave Huella hídrica azul, huella hídrica verde, huella hídrica gris, requerimiento de agua de cultivo, precipitación efectiva, caña de azúcar. I. INTRODUCCIÓN El agua en la Tierra está en constante movimiento, se evapora del suelo y de fuentes superficiales de agua, debido a la energía solar y eólica, además, las plantas toman el agua de la tierra y la devuelven a la atmosfera a través de los estomas en sus hojas en un proceso llamado transpiración. El proceso conjunto de evaporación y de transpiración se le conoce como evapotranspiración. El monto de agua en la atmosfera aumenta con la evapotranspiración y disminuye con la precipitación [1]. Solamente el 2.5% del agua en el planeta es agua dulce. De este monto, el 70% se encuentra acumulada en casquetes polares en forma de hielo, y la mayoría del agua restante se encuentra en fuentes subterráneas, las cuales tardan mucho tiempo en renovarse. Esto significa que solo una pequeña parte del agua dulce está disponible en fuentes superficiales (lagos, ríos, etc.) o como agua subterránea renovada en el corto plazo [2]. Para los diversos usos del agua, como el consumo directo, irrigación de campos agrícolas, aplicaciones industriales, actividades domésticas, entre otras, solo puede ser empleada el agua dulce [3]. El consumo total de agua dulce para las diversas actividades no puede exceder la tasa de reposición natural del agua dulce, de ser así, el consumo de agua seria insostenible [1]. Para la medición del uso de agua se han desarrollado indicadores como la huella hídrica, la cual es un indicador del uso de agua dulce de un consumidor o productor. La huella hídrica indica el volumen de agua dulce utilizada para producir un producto, medida a lo largo de la cadena de suministro [1]. La huella hídrica es un indicador multidimensional, ya que muestra el volumen de agua consumida por fuente extraída y el volumen de agua consumida por tipo de contaminación. Se clasifica en: Huella hídrica verde: se refiere al consumo de agua lluvia que no se convierte en escorrentía. Huella hídrica azul: se refiere al consumo de agua de fuentes superficiales y subterráneas. Huella hídrica gris: se refiere a contaminación y se define como el volumen de agua dulce requerida para similar la carga de contaminantes hasta concentraciones naturales del entorno [1]. Este concepto difiere del concepto tradicional de la medida de extracción de agua, ya que muestra el consumo de agua de diversas fuentes y toma en cuenta la contaminación de esta [1]. II. MATERIALES Y MÉTODOS Para el cálculo de las huellas azul y verde se empleó el modelo CROPWAT 8.0, el cual es un programa informático para el cálculo de los requerimientos de agua de los cultivos y las necesidades de riego en base a datos de suelo, clima y cultivos [4]. También se empleó la base de datos CLIMWAT 2.0, la cual proporciona valores medios mensuales a largo plazo de parámetros climáticos. Los datos pueden ser extraídos por una o varias estaciones ubicadas en diferentes regiones del planeta, en el formato adecuado para su uso en CROPWAT 8.0 [5]. En CROPWAT 8.0 se trabajó con la opción Crop Water Requirement (CWR), que significa Requerimiento de Agua de Cultivo (RAC). Este modelo considera el monto de evapotranspiración en condiciones de crecimiento ideal, desde la siembra hasta la cosecha, es decir, para todo ese periodo las condiciones de crecimiento del cultivo no se ven limitadas por la falta de agua, ya sea por lluvia o por irrigación. El modelo calcula: a. Requerimiento de agua del cultivo durante el periodo de crecimiento bajo circunstancias particulares de estado de tiempo atmosférico. b. Precipitación efectiva bajo el mismo periodo de tiempo. c. Requerimiento de irrigación [1]. Para el cálculo de la huella gris se utilizó la cantidad de nitrógeno, fosforo y potasio empleado en campo como fertilizante de la caña de azúcar. Para ello, se definieron valores típicos de nitrógeno, fosforo y potasio usados. A. Modelamiento Matemático Para el cálculo de las huellas hídricas azul y verde se tienen el siguiente juego de ecuaciones y modelos.

La Ecuación 1 representa el cálculo de la huella hídrica verde (HHV) y azul (HHA) [1]., = (.1) Donde i significa verde o azul, HHproc,i significa huella hídrica del proceso verde o azul en unidades de volumen sobre masa, RAC es el requerimiento de agua del cultivo azul o verde en unidades de volumen sobre área y Y significa el rendimiento del cultivo en unidades de masa sobre área. El cálculo del RAC es el resultado de la sumatoria del valor de evapotranspiración real del cultivo (ETc), desde el día de siembra (d=1) hasta el día de cosecha (d=n). Ver Ecuación 2 [1]. = 10, (.2) Donde i puede significar verde o azul, el RAC está en unidades de metros cúbicos entre hectárea cultivada, ETc tiene unidades de milímetros entre día y el factor 10 es usado para transformar las unidades del ETc a las unidades del RAC, metros cúbicos entre hectárea. El valor de evapotranspiración se calcula multiplicando el coeficiente de cultivo (Kc) por el valor de la evapotranspiración de referencia (ETo). Se supone que las necesidades de agua de los cultivos se cumplen plenamente, de modo que la evapotranspiración real del cultivo será igual al requerimiento de agua del cultivo. Ver Ecuación 3 [1]. = (.3) La ecuación de del método de Penman-Monteith se presenta en la Ecuación 4 [4]. = 0.408 ( 900 #)+% +273.15 ) * (+, + - ) (.4) +%(1+0.34) * ) Donde Δ representa la pendiente de la curva de presión de vapor en unidades de kpa C -1, Rn representa a la radiación neta de la superficie del cultivo en unidades de MJ m -2 día -1, G representa el flujo de calor en el suelo en unidades de MJ m -2 día -1, γ representa la constante psicométrica en unidades de kpa C -1, T representa la temperatura media del aire a 2 m de altura en unidades de C, u2 representa la velocidad del viento a 2 m de altura con unidades de m s -1, es representa la presión de vapor de saturación en unidades de kpa y ea representa la presión real de vapor en unidades de kpa. La precipitación efectiva (Pef) es la parte de la cantidad total de precipitación que es retenida por el suelo, por lo que esta potencialmente disponible para satisfacer las necesidades de agua del cultivo. A menudo es menor a la precipitación total, ya que no toda la lluvia en realidad puede ser objeto de apropiación por el cultivo, por ejemplo, debido a la escorrentía superficial o percolación [1]. La precipitación efectiva es calculada con el método desarrollado por USCS (United State Soil Conservation Service), en español significa Servicio de Conservación del Suelo de los Estados Unidos. Ver Ecuación 5 a Ecuación 8. En caso de poseer datos de precipitación mensual, usar Ecuación 5 y Ecuación 6; en caso de poseer datos de precipitación en intervalos de 10 días, usar Ecuación 7 y Ecuación 8 [6]. Precipitación mensual menor o igual a 250 mm en mm/mes: Donde ETc y ETo están en unidades de longitud sobre tiempo y Kc es adimensional.. /0 =. 1/,2-3 (125 0.2. 1/,2-3 ) 125 (.5) El valor de la evapotranspiración de referencia se calcula mediante el método Penman-Monteith. Este método fue desarrollado mediante la definición del cultivo de referencia (ver Fig. 1) como un cultivo hipotético de referencia con una altura asumida de 0.12 m, una resistencia superficial fija de 70 s m -1 y un difusión de 0.23. La superficie de referencia se asemeja a una superficie extensa de pasto verde de altura uniforme, creciendo activamente, sombreando totalmente la tierra y con un adecuado aporte de agua [4]. Precipitación mensual mayor a 250 mm en mm/mes:. /0 = 125+0.1. 1/,2-3 (.6) Precipitación de 10 días menor o igual a 83.33 mm en mm/10días:. /0 =. / (125 0.6. / ) 125 (.7) Precipitación de cada 10 días mayor a 83.33 mm en mm/10días:. /0 = 41.67+0.1. / (.8) Fig 1. Definición de cultivo de referencia [4]. El último parámetro es el requerimiento de irrigación (RI), este es calculado como la diferencia entre el RAC y precipitación efectiva. Si la precipitación efectiva es mayor que el RAC, el requerimiento de irrigación vale cero. Ver ecuación 9.

5 = 6789 ://. /0,0; (.9) Por último, se tiene que diferenciar entre la evapotranspiración verde del cultivo (ETverde) y la evapotranspiración azul del cultivo (ETazul). La evapotranspiración verde corresponde al valor mínimo entre la evapotranspiración del cultivo y la precipitación efectiva; la evapotranspiración azul corresponde al valor máximo entre la diferencia entre la evapotranspiración del cultivo y la precipitación efectiva y cero. Ver Ecuación 10 y Ecuación 11 [1]. :// = 6<=9,. /0 ; ->23 = 6789. /0,0; (.10) (.11) Para el cálculo de la huella hídrica gris (HHG) se utilizó la cantidad de nitrógeno (N), fosforo (P) y potasio (K) empleado en campo como fertilizante de la caña de azúcar. Para ello, se definieron valores típicos de uso de fertilizantes. Ver TABLA 1. TABLA 1 VALORES TÍPICOS DE FERTILIZANTES EMPLEADOS EN CULTIVO DE CAÑA DE AZÚCAR [7] Elemento N P K Cantidad de uso de fertilizante Porcentaje de elemento en fertilizante kg/ha 90 150 150 % 12 30 12 Para calcular la huella gris en m 3 tonelada metrica -1 se empleará la Ecuación 12.?, = - @ ( 1-A -B ) (.12) Donde Ta significa la tasa de aplicación de fertilizante por área en unidades de masa sobre área, α es la fracción de fertilizante que logra infiltrarse hacia cuerpos de agua, cmax es la concentración máxima permitida en unidades de masa sobre volumen, cnat es la concentración natural en unidades de masa sobre volumen y Y significa el rendimiento del cultivo en unidades de masa sobre área. El valor de Ta se calculó para cada elemento del fertilizante N-P-K definido en la TABLA 1. El valor de alfa se asumió de 0.10, el valor de concentración máxima se presenta en la TABLA 2 y el valor de concentración natural se asumió igual a cero. TABLA 2 CONCENTRACIONES MAXIMAS DE FERTILIZANTES EN AGUA [8] B. Descripción de herramienta Para el cálculo de la huella hídrica azul y verde del cultivo de caña de azúcar, se utilizó el programa CROPWAT 8.0 en conjunto con la base de datos CLIMWAT 2.0, ambos programas obedecen las directrices de la FAO. El programa CROPWAT 8.0 posee 5 módulos, de los cuales solo se necesitan definir 4. Estos son: i. Clima/ETo: este módulo requiere que se le indiquen los parámetros: humedad (%), temperatura mínima ( C), temperatura máxima ( C), velocidad del viento (km/día) y horas de sol (h). Este módulo entrega los datos de radiación (MJ/m2 día) y evapotranspiración de referencia (mm/día). Los datos pueden ser indicados por día, por cada 10 días o por mes. Este módulo se completa con la información brindada por CLIMWAT 2.0 con las estaciones seleccionadas. ii. Precipitación: el módulo de precipitación requiere que se le indique el parámetro de precipitación (mm). Este módulo entrega el dato de precipitación efectiva (mm). Los datos pueden ser indicados por día, por cada 10 días o por mes. Este módulo, al igual que el anterior, se completa con la información brindada por CLIMWAT 2.0 con las estaciones seleccionadas. iii. Cultivo: este módulo requiere que se le indiquen los parámetros: Kc (adimensional), etapas de cultivo (días), profundidad radicular (m), agotamiento critico (fracción), respuesta de rendimiento (fracción) y altura de cultivo. Este módulo se complementó con la información de la FAO para el cultivo de caña de azúcar (datos ya incorporados en programa). iv. Suelo: este módulo requiere que se le indiquen los parámetros: humedad del suelo disponible total (mm/m), tasa máxima de infiltración de la precipitación (mm/día), profundidad radicular máxima (cm), agotamiento inicial de humedad del suelo (%) y humedad de suelo inicialmente disponible (mm/m). Este módulo se complementó con la información de la FAO. v. RAC: es el último modulo, y es el que da datos de salida, los cuales son: ETc y Pef. El cálculo de la huella hídrica gris se realizó aplicando directamente la ecuación 12. El elemento que necesite una mayor cantidad de agua para llegar a su concentración natural, será el que determine el valor de la huella hídrica gris. Elemento Concentración máxima (mg/l) Nitrógeno 50 Fosforo 15 Potasio 50

C. Datos de entrada Para el cálculo de la huella hídrica verde y azul se tienen los siguientes datos de entrada: i. Clima/ETo: datos correspondientes a la estación número 15 de El Salvador, a una altura de 390 msnm, latitud de 13.76 N y longitud de 89.70 W. Corresponden a la base de datos de CLIMWAT 2.0. ii. Precipitación: datos correspondientes a la estación número 15 de El Salvador, a una altura de 390 msnm, latitud de 13.76 N y longitud de 89.70 W. Corresponden a la base de datos de CLIMWAT 2.0 en conjunto con el método USDA S.C. iii. Cultivo: datos correspondientes a la caña de azúcar con un tiempo entre siembra y cosecha de 365 días. iv. Suelo: corresponde al tipo de suelo arcilloso negro. Con esto se obtienen los parámetros de ETc y Pef. El resto de parámetros se obtienen aplicando las ecuaciones anteriormente planteadas. Ver TABLA 3. TABLA 3 CALCULO DE RESTO DE PARAMETROS PARA HH VERDE Y AZUL Parámetro Ecuación a aplicar ETVERDE 10 ETAZUL 11 RACVERDE 3 y 2 RACAZUL 3 y 2 HHVERDE 1 HHAZUL 1 En este estudio se empleó un rendimiento en campo (Y) de 80 toneladas métricas de caña de azúcar por cada hectárea cultivada. Los datos de entrada para el cálculo de la huella hídrica gris están definidos en la TABLA 1 y TABLA 2, junto con el rendimiento en campo (Y) de 80 toneladas métricas de caña de azúcar por cada hectárea cultivada. III. RESULTADOS Y DISCUCIÓN Los resultados de la estimación de las huellas hídricas por el modelo planteado se presentan en la TABLA 4. TABLA 4 RESULTADOS DE HUELLAS HÍDRICAS VERDE, AZUL Y GRIS PARA CAÑA DE AZÚCAR Huella hídrica m 3 /ton Verde 128 Azul 71 Gris 4 Total 203 En base a estos resultados, la huella hídrica verde es la que más contribuye al valor total de la huella hídrica, representando un 63% del consumo de agua por este cultivo. Por otro lado, la huella hídrica gris es la que menos contribuye al valor total de la huella hídrica, representando un 2%. La huella hídrica azul representa un 35% de la huella hídrica total de este cultivo. En la Fig. 2 se presenta la distribución de huellas hídricas calculadas para el cultivo de caña de azúcar, asumiendo que la fecha de cultivo fue el 01 de enero y su fecha de cosecha fue el 31 de diciembre del mismo año. Los valores se presentan en un intervalo de cada 10 días. En base a la Fig. 2, se puede ver como los requerimientos de irrigación de agua de fuentes superficiales y/o subterráneas están en función de la disponibilidad de agua de fuentes verdes (agua de lluvia). Desde los últimos días del mes de abril, hasta los primeros días de noviembre, es la huella hídrica azul la predominante; en el resto del periodo, la huella hídrica verde es la predominante. Esto bajo el supuesto que a lo largo del tiempo del cultivo se ha proporcionado la cantidad de agua requerida por el cultivo para las condiciones planteadas sin importar su origen. La huella hídrica gris ha sido distribuida de forma uniforme en todos los periodos de tiempo. Los resultados obtenidos se compararon contra los reportados por otros autores, tanto con el promedio mundial y para El Salvador, en ambos casos para la caña de azúcar. Ver TABLA 5. TABLA 5 COMPARATIVO DE RESULTADOS DE HUELLAS HÍDRICAS VERDE, AZUL Y GRIS PARA CAÑA DE AZÚCAR. HHverde HHazul HHgris HHTotal Estimación 128 71 4 203 Promedio mundiales[9] Promedio El Salvador [10] 139 57 13 209 147 5 18 170 En base a estos datos, se observa que la estimación de la huella hídrica de la caña de azúcar contra la huella hídrica promedio mundial del mismo cultivo está a tan solo 6 m 3 /ton de diferencia, lo representa un 3%. En base a los promedios publicados para El Salvador, se tiene una diferencia de 33 m 3 /ton, lo cual representa un 16% de diferencia a lo calculado por el modelo planteado. Estos resultados, también se compararon contra las huellas hídricas de otros cultivos representativos para El Salvador. En este caso, se seleccionaron los cultivos de frijol y de café. Ver TABLA 6.

9 Huella hídrica de cultivo caña de azúcar 8 7 6 m 3 /ton caña 5 4 3 2 1 0 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 Ene Ene Ene Feb Feb Feb Mar Mar Mar Abr Abr Abr MayMayMay Jun Jun Jun Jul Jul Jul AgoAgoAgo Sep Sep Sep Oct Oct Oct NovNovNov Dic Dic Dic HHazul HHverde HHgris Fig 2. Distribución de huellas hídricas para el cultivo de caña de azúcar.

TABLA 6 COMPARATIVO DE RESULTADOS DE HUELLAS HÍDRICAS VERDE, AZUL Y GRIS PARA CAÑA DE AZÚCAR, FRIJOL Y CAFÉ DE EL SALVADOR Cultivo HHverde HHazul HHgris HHTotal Caña de azúcar 128 71 4 203 Frijol [10] 4,146 0 41 4,187 Café [10] 14,204 56 722 14,982 En este caso, se puede observar que la huella hídrica de la caña de azúcar es la menor de las tres huellas planteadas, siendo la huella hídrica del café la mayor. Es de notar que la diferencia entre el monto total de la huella hídrica de la caña de azúcar es de aproximadamente menor en 3,984 m 3 /ton comparado contra el frijol, y en el caso del café llega a una diferencia de 14,779 m 3 /ton menos que el café. En cuanto a la huella hídrica verde, se tiene que la caña de azúcar requiere menor cantidad de agua lluvia, frente al frijol (4,018 m 3 /ton) y frente al café (14,076 m 3 /ton). En cuanto a la huella hídrica azul, se tiene que la caña de azúcar requiere mayor cantidad de agua de cuerpos de agua superficiales, frente al frijol (71 m 3 /ton) y frente al café (15 m 3 /ton), lo que puede estar asociado a un mayor consumo de energía para suplir esta condición. En cuanto a la huella hídrica gris, se tiene que la caña de azúcar requiere menor cantidad de agua para diluir a concentraciones naturales las sustancias que durante su cultivo se le añaden, frente al frijol (37 m 3 /ton) y frente al café (718 m 3 /ton). IV. CONCLUSIONES A partir de los resultados obtenidos en todos los casos analizados se obtuvieron las siguientes conclusiones: La estimación de la huella hídrica para el cultivo de caña de azúcar arroja un total de 203 m 3 /ton, repartido en 128 m 3 /ton de aguas lluvias, 71 m 3 /ton de cuerpos de agua superficiales y 4 m 3 /ton para lograr diluir la fracción de fertilizante que no es absorbido por la planta y que llega a cuerpos de agua superficiales o subterráneos a su contracción natural en el medio. los requerimientos de irrigación de agua de fuentes superficiales y/o subterráneas están en función de la disponibilidad de agua de fuentes verdes (agua de lluvia). Desde los últimos días del mes de abril, hasta los primeros días de noviembre, es la huella hídrica azul la predominante; en el resto del periodo, la huella hídrica verde es la predominante. Esto bajo el supuesto que a lo largo del tiempo se ha proporcionado la cantidad de agua requerida por el cultivo para las condiciones planteadas, sin importar su origen. La estimación de huella hídrica para el cultivo de caña de azúcar, se encuentra muy cercana al valor reportado por otros autores como huella hídrica promedio mundial para el mismo cultivo, una diferencia aproximadamente de 3% (6 m 3 /ton), sin embargo contra el promedio de El Salvador difiere en aproximadamente un 16% (33 m 3 /ton). Comparando la estimación de huella hídrica de la caña de azúcar contra otros cultivos de importancia para El Salvador, se puede observar que la huella hídrica de la caña de azúcar es menor que la huella hídrica del frijol y la del café. Es de notar que la diferencia entre el monto total de la huella hídrica de la caña de azúcar es de aproximadamente menor en 3,984 m 3 /ton comparado contra el frijol, y en el caso del café llega a una diferencia de 14,779 m 3 /ton menos que el café. Comparando la huella hídrica verde de la caña de azúcar contra la del frijol y contra la del café, se tiene que la caña de azúcar consume menos agua de lluvia, 4,018 m 3 /ton frente al frijol y 14,076 m 3 /ton frente al café. Además, se tiene que la caña de azúcar requiere menor cantidad de agua para diluir a concentraciones naturales las sustancias que durante su cultivo se le añaden, frente al frijol 37 m 3 /ton y frente al café 718 m 3 /ton. Por otro lado, se tiene que la caña de azúcar requiere mayor cantidad de agua de fuentes superficiales, frente al frijol 71 m 3 /ton y frente al café 15 m 3 /ton, lo que puede estar asociado a un mayor consumo de energía para suplir esta condición. REFERENCIAS [1] A. Hoekstra, A. Chapagain, M. Aldana and M. Mekonnen, The Water Footprint Assessment Manual, Inglaterra: Londres, 2011. [2] J. Mihelic, L. Fry, E. Myre, L. Phillips and B. Barkdoll, Field guide to environmental engineering for development workers: water, sanitation and indoor air, 1 st ed, American Society of Civil Engineers, EE.UU.: Virginia, 2009. [3] M. Radojevic and V. Bashkin, Practical Enviromental Analysis, 2nd ed, The Royal Society of Chemistry, Reino Unido: Birmingham, 2006. [4] (2011) Food and Agriculture Organization of the United Nations [En línea]. Disponible en: http://www.fao.org/nr/water/infores_databases_cropwat.html.

[5] (2011) Food and Agriculture Organization of the United Nations [En línea]. Disponible en: http://www.fao.org/nr/water/infores_databases_climwat.html [6] (2006) United States. Soil Conservation Service [En línea]. Disponible en: http://www.scs.nsw.gov.au/ [7] F. Subirós Ruiz, El cultivo de la caña de azúcar. San José, Costa Rica: Universidad Estatal a Distancia, 1995. [8] Norma Obligatoria Salvadoreña de Aguas Residuales Descargadas a un Cuerpo Receptor, CONACYT NSO: 13.49.01:09, 2009. [9] M. M. Mekonnen and A Y. Hoekstra, The green, blue and grey water footprint of crops and derived crop products, Twente Water Centre, University of Twente, Enschede, The Netherlands, 2011. [10] M. M. Mekonnen and A Y. Hoekstra, The green, blue and grey water footprint of crops and derived crop products. Volumen 2, Twente Water Centre, University of Twente, Enschede, The Netherlands, 2010.