Agua y agronomia

AGUA Y AGRONOMÍA

AGUA Y AGRONOMÍA Obra dirigida y coordinada por Francisco Martín de Santa Olalla Mañas Prudencio López Fuster Alfonso Calera Belmonte

Ediciones Mundi-Prensa Madrid • Barcelona • México 2005

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Foto portada: Águeda Moratalla Valero © 2005, Francisco Martín de Santa Olalla Mañas © 2005, Ediciones Mundi-Prensa Depósito Legal: M. 18.240-2005 ISBN: 84-8476-246-7

No se permite la reproducción total o parcial de este libro ni el almacenamiento en un sistema informático, ni la transmisión de cualquier forma o cualquier medio, electrónico, mecánico o fotocopia, registro u otros medios sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright.

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Presentación En esta última década se ha tomado conciencia del valor del agua como nunca se había hecho en el pasado; frecuentemente el agua nos aparece como un poliedro de muchas caras; se puede apreciar desde muchos puntos de vista que con frecuencia, al menos aparentemente, entran en contradicción. En este texto vamos a contemplar su uso agrícola, que como es bien sabido, utiliza las tres cuartas partes de los recursos disponibles de agua dulce. Al referirnos a este periodo, quizá de él se pueda decir que se ha atentado gravemente contra la ética que debe existir en la utilización de un recurso natural escaso como es el agua. Probablemente sea verdad, aunque en nuestra opinión no es toda la verdad. Creemos que nadie, si es honesto, puede negar que al mismo tiempo se han obtenido logros, en muchos casos difíciles de imaginar hace pocos años, para racionalizar su uso. Han sido abundantes los textos legislativos, tanto en el ámbito nacional, en particular los que han permitido la puesta en marcha de los Planes Hidrológicos, como en el de la Unión Europea, culminando este proceso con la Directiva Marco sobre Política de Aguas. Junto a este desarrollo legislativo se ha producido un desarrollo técnico espectacular; refiriéndonos específicamente al ámbito agrario, éste abarca tanto a los procesos de gestión, como a los de su aplicación mediante los sistemas de riego, o incluso al mejor aprovechamiento del agua en el secano. En este escenario aparece el texto de «Agua y Agronomía». Queremos que este libro tenga un carácter eminentemente técnico sin perder rigor científico; al mismo tiempo es necesario que sea un libro útil y que su contenido se pueda aplicar de forma prácticamente inmediata. Los componentes del grupo que hemos formado para su redacción somos en su gran mayoría profesores universitarios; como tales estamos involucrados en proyectos de investigación sobre materias relacionadas con el agua en la agricultura. El conocimiento inapreciable que este trabajo nos ha proporcionado hemos tratado de volcarlo en el texto. Simultáneamente la mayoría de nosotros, probablemente la totalidad, estamos sensibilizados con el hecho de que este conocimiento debe llegar al usuario de forma que pueda ser aplicado con facilidad y sin requerimientos de alta cualificación.

Esta transferencia de tecnología no sólo es útil para quien la recibe, sino para el propio investigador, que se enriquece con el proceso de retroalimentación que se genera. Con ese convencimiento está escrito el texto. Junto a cuestiones netamente técnicas, hemos incluido aplicaciones prácticas y ejemplos, en buena parte fruto de nuestro propio trabajo. Unos y otros creemos que recogen los principales avances que se han producido en estos últimos años, en lo que se ha dado a llamar «el uso sostenible del agua en la agricultura». Hemos utilizado el nombre de «Agua y Agronomía», quizá no muy concreto, aunque tiene la ventaja de permitir abarcar aspectos que sobre el uso del agua en la agricultura hemos querido abordar, dando una visión actualizada y distinta de la antigua «Agronomía del Riego» con la que comparte muchos de sus autores. Confiamos que este nuevo texto no defraude a quienes ya eran lectores nuestros y sirva para orientar a los nuevos técnicos, particularmente de las jóvenes generaciones, hacia la noble causa de hacer un uso cada vez más racional del agua en la agricultura. Albacete, julio de 2004.

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Presentación de los autores BOTELLA MIRALLES, OLGA. Doctora en Ciencias Biológicas. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos. Universidad de Castilla-La Mancha. (Capítulo II). BRASA RAMOS, ANTONIO. Doctor Ingeniero Agrónomo. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos. Universidad de Castilla-La Mancha. (Capítulo VII). CALERA BELMONTE, ALFONSO. Doctor en Ciencias Físicas. Instituto de Desarrollo Regional. (IDR). Universidad de Castilla-La Mancha. (Capítulo III y XIV). CAMPOS GARAULET, ISABEL. Doctora Ingeniero Agrónomo. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos. Universidad de Castilla-La Mancha. (Capítulo II). DE LAS HERAS IBÁÑEZ, JORGE. Doctor en Ciencias Biológicas. Centro Regional de Estudios del Agua (CREA). Universidad de Castilla-La Mancha. (Capítulo VI). DELGADO MOYA, SEBASTIÁN. Licenciado en Ciencias Geológicas. MBA. Ingeniería, Tecnología y Servicios del Agua y del Medio Ambiente, S.L. SEDELAM. (Grupo Agbar). Murcia. (Capítulo XII). DOMÍNGUEZ PADILLA, ALFONSO. Doctor Ingeniero Agrónomo. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos. Universidad de Castilla-La Mancha. (Capítulo VIII). FABEIRO CORTÉS, CONCEPCIÓN. Doctora Ingeniero Agrónomo. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos. Universidad de Castilla-La Mancha. (Capítulos IX y X). FERERES CASTEL, ELÍAS. Doctor Ingeniero Agrónomo. Instituto de Agricultura SostenibleCSIC y Universidad de Córdoba. (Capítulo XIII). FERRER ALEGRE, FRANCESC. Doctor Ingeniero Agrónomo. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agraria. Universidad de Lleida. (Capítulo I). LÓPEZ FUSTER, PRUDENCIO. Ingeniero Agrónomo. Instituto Técnico Agronómico Provincial. (ITAP). Diputación de Albacete. (Capítulos XI y XV). LÓPEZ URREA, RAMÓN. Doctor Ingeniero Agrónomo. Instituto Técnico Agronómico Provincial. (ITAP). Diputación de Albacete. (Capítulos IV, V y X). LORITE TORRES, IGNACIO J. Doctor Ingeniero Agrónomo. Instituto de Agricultura Sostenible-CSIC y Universidad de Córdoba. (Capítulo XIII). MARTÍN DE SANTA OLALLA MAÑAS, FRANCISCO. Doctor Ingeniero Agrónomo. Centro Regional de Estudios del Agua (CREA). Universidad de Castilla-La Mancha. (Capítulos IV, V, VIII, y XIV).

MATEOS ÍÑIGUEZ, LUCIANO. Doctor Ingeniero Agrónomo. Instituto de Agricultura Sostenible-CSIC y Universidad de Córdoba. (Capítulo XIII). MONTERO RIQUELME, FRANCISCO. Doctor Ingeniero Agrónomo. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos. Universidad de Castilla-La Mancha. (Capítulo VII). MONTORO RODRÍGUEZ, AMELIA. Ingeniero Agrónomo. Instituto Técnico Agronómico Provincial. (ITAP). Diputación de Albacete. (Capítulos XI y XV). MORATALLA VALERO, ÁGUEDA. Ingeniero Agrónomo. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos. Universidad de Castilla-La Mancha. (Capítulo IX). MORENO ALCARAZ, JOSE LUIS. Doctor en Ciencias Biológicas. Centro Regional de Estudios del Agua (CREA). Universidad de Castilla-La Mancha. (Capítulo VI). ORTEGA ALVAREZ, FERNANDO. Doctor Ingeniero Agrónomo. Centro Regional de Estudios del Agua (CREA). Universidad de Castilla-La Mancha. (Capítulos V y VIII). VILLAR MIR, JOSEP. Doctor Ingeniero Agrónomo. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agraria. Universidad de Lleida. (Capítulo I).

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Índice general Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo I.

Técnicas de medida y control de agua en el suelo . . . . . . . . . . .

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Capítulo II.

Las relaciones agua-planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo III.

La evapotranspiración: concepto y metodología de cálculo . . . .

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Capítulo IV.

La lisimetría . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo V.

Eficiencia en el uso del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo VI.

La calidad del agua. Contaminación de las aguas producida por la agricultura. Limitaciones para su uso en la agricultura . . . . .

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Capítulo VII. Agua y agronomía sostenible. Presente y futuro del cultivo en secano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo VIII. El uso del agua en el regadío: la gestión de los recursos hídricos .

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Capítulo IX.

Programación de riegos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo X.

Riego deficitario controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo XI.

Los servicios de asesoramiento de riegos: el ejemplo del SAR de Albacete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo XII. Alternativas ante la limitación de recursos: el uso de aguas recicladas o desaladas en la agricultura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo XIII. Modelos para la evaluación del uso y la productividad del agua de riego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487 Capítulo XIV. Uso de la teledetección en el seguimiento de los cultivos de regadío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

523

Capítulo XV.

583

Los regadíos en España: el ahorro de agua recurso de futuro . . .

En los últimos años se han puesto a punto técnicas que permiten frenar el deterioro medioambiental que el desarrollo está produciendo. Para que se conozcan algunas, aplicadas al mundo agrario, se ha escrito este texto. LOS AUTORES

Introducción: seguridad alimentaria y seguridad en el suministro de alimentos

Francisco Martín de Santa Olalla Mañas

La agricultura, a nivel mundial, es la mayor consumidora de agua entre los diferentes usos que el hombre da a este recurso. Como media consume cerca del 70%, existiendo, sin embargo, notable diferencia entre continentes para los usos agrícolas, industrial y urbano. En algunos países en vías de desarrollo y en zonas áridas, el uso agrícola supera el 90%. El agua usada en la agricultura permite regar unos 260 millones de hectáreas. En éstas se obtiene el 40% del conjunto de alimentos y fibras producidas, utilizando una superficie de, aproximadamente, el 17% del total de tierras aradas. Estas cifras permiten comprobar el papel tan crítico que el agua utilizada para el riego supone desde el punto de vista de la seguridad alimentaria a nivel mundial. El agua es pues un factor de producción y como tal tiene un valor económico; al mismo tiempo cumple otras muchas funciones, relacionadas o no con el proceso productivo agrícola que tienen que ver entre otros, con valores sociales, políticos, estéticos o emocionales. Intentar explicar sólo el valor económico del agua sería tratar de ocultar una parte importante de su naturaleza; los diferentes valores del agua, se entrecruzan constantemente formando a veces una maraña que dificulta la visión integral de las funciones que realiza y complica la adopción de criterios acertados en su gestión. Es un legítimo derecho del agricultor usar el agua como factor de producción con el cual logrará obtener cosechas en cantidad y calidad que de otra forma no habría obtenido. Contribuye así a su propio bienestar económico y, como consecuencia de ello, al de la colectividad a la que pertenece. Sólo le podemos pedir que sea eficiente en su uso, obteniendo la mayor producción posible por unidad empleada. En estos últimos decenios se ha desarrollado una cultura técnica y económica suficiente para evitar todo uso despilfarrador del agua en la agricultura cuando ésta es escasa. Únicamente las inevitables limitaciones económicas para disponer de las infraestructuras precisas o el tiempo necesario para que se produzca la formación del regante en las nuevas técnicas, puede permitir transitoriamente usos poco eficientes de un bien escaso. Probablemente el hecho más destacado e ignorado acerca del crecimiento de la población mundial en las últimas décadas es que éste ha sido posible gracias al incremento en la producción de alimentos. Varios estudios indican que para el año 2025, la población mundial, actualmente en las 6.000 millones de personas, se aproximará a los 7.500 millones. ¿Habrá entones suficientes alimentos para todos? El desafío que tenemos por delante es enorme y a menudo, demasiado ignorado por las sociedades opulentas. A nivel mundial, la seguridad alimentaria está íntimamente relacionada con la seguridad en el suministro de agua. Se define la seguridad alimentaria, como aquella 17

situación en la cual la unidad familiar tiene asegurado el acceso, tanto desde el punto de vista físico como económico, y para todos sus miembros, a sus necesidades de alimentos y no existe el riesgo de que ésta pueda perderse (FAO, 1997). Desde el punto de vista nacional, la seguridad alimentaria se adquiere cuando un país puede asegurar para sus ciudadanos el suministro de alimentos mediante una combinación óptima de sus propias producciones y de adquisiciones en el mercado mundial. En muchos países situados en regiones áridas, sus disponibilidades en recursos hídricos renovables están por debajo del nivel necesario para garantizar la seguridad alimentaria. Estos países corren el riesgo de no poder alimentar a su población en caso de guerra o embargo. Esta circunstancia les ha llevado en ocasiones a explotar sus recursos en aguas subterráneas no renovables y a producir alimentos a costes superiores a los existentes en el mercado mundial. Detrás de las llamadas «guerras del agua» existe la natural ansiedad por parte de los gobiernos de poder proporcionar a su población una situación de seguridad alimentaria. La garantía de que esto no suceda la proporciona una situación económica suficientemente estable tanto a nivel nacional como internacional en la que cada economía genera el valor suficiente en exportaciones como para poder importar los alimentos que precise; al mismo tiempo, es necesario que en algunos lugares del mundo exista la cantidad de agua suficiente de forma accesible, para que se produzcan los alimentos que el conjunto de la población mundial requiere. En el mundo existen ya situaciones de escasez de agua y, por tanto, de inseguridad alimentaria. De ordinario se dan en países en desarrollo, en zonas áridas con tasas de incremento de la población muy altas, que tenderán a agravar el problema. Este hecho no se puede ignorar. Como indica Fereres (2001), es instructivo estudiar cómo se han suministrado suficientes alimentos para conseguir la última duplicación de la población mundial (de 3.000 a 6.000 millones en algo más de tres décadas). El incremento de la producción agrícola requiere más superficie cultivada y/o mejoras en la producción por unidad de superficie. Desde los años 60, la superficie dedicada a la producción agrícola mundial apenas ha cambiado, permaneciendo en los 1.500 millones de ha. Por lo tanto, el espectacular crecimiento de la producción de alimentos en las décadas recientes se ha debido, casi exclusivamente, a las mejoras en la productividad agrícola. La ciencia agraria ha desarrollado nuevas variedades que aprovechan mejor las nuevas tecnologías de manejo, particularmente el incremento de la fertilización con nitrógeno. El aumento de los rendimientos ha sido verdaderamente reseñable, tanto a nivel potencial como al real. Hoy, la cosecha potencial de trigo o arroz varía entre 10-15 t/ha mientras en maíz es superior a 20 t/ha. Aunque el incremento de la cosecha potencial ha sido importante, la disminución de la distancia entre la cosecha real y la potencial ha tenido mayor influencia en la mejora de la productividad agrícola. En aquellas zonas donde las condiciones de suelo y clima son favorables, y hay acceso a capital (humano y económico) para el uso de nuevas tecnologías, la distancia entre cosecha real y la potencial ha disminuido hasta tal punto que las cosechas récord obtenidas por algunos agricultores en los últimos años están a niveles potenciales (Evans y Fischer, 1999). Por el contrario, la distancia entre las cosechas reales y potenciales en zonas menos favorecidas para la producción agrícola (física y socialmente) continúan siendo muy importantes. 18

Entre los factores ambientales que causan la brecha entre el rendimiento real y el potencial, la falta de agua es probablemente el más importante a nivel mundial. La producción en condiciones de suministro hídrico limitado es a menudo una pequeña fracción de la producida en condiciones de ausencia de déficit hídrico. Por lo tanto no es sorprendente que desde el comienzo de las prácticas agrícolas, el hombre haya intentado eliminar las limitaciones del déficit hídrico, usando estrategias y tácticas de conservación de agua en la agricultura de secano (Loomis y Connor, 1992) o generando un abastecimiento artificial de agua y aplicándola a los cultivos, es decir, transformando las superficies de secano en regadío. De esta forma desde hace cuatro décadas el regadío contribuye decisivamente a la seguridad alimentaria. El agua aplicada en el riego en gran parte es transpirada desde los estomas de las hojas o se evapora desde la superficie del suelo. Una escasa proporción es retenida por los cultivos. La que no es efectivamente utilizada por las cosechas, es recogida como agua drenada y con frecuencia su concentración en sales es más elevada que originalmente. Los consumos de agua por hectárea regada son muy variados dependiendo de las especies, técnicas de riego, ciclos productivos, condiciones climáticas, etc. No es raro encontrar volúmenes que oscilen entre los 2.000 y 20.000 m3 ha–1 año–1. Las producciones obtenidas por m3 de agua de riego también son muy diversas. En California, en EE.UU., la producción de un kilo de trigo requiere 1,3 m3 de agua, un kilo de aceite de soja 4,2 m3, un kilo de carne de vacuno 16 m3 y uno de pollo 5,8 m3. Una dieta típica de este Estado requiere 2.200 m3 por persona y año, e incluye un 64% de carne. En Túnez, esta misma dieta requiere 1.100 m3, y solamente comprende el 27% de carne (Barthelemy, 1993). La cifra de 2.000 m3 por habitante y año tiene un alto valor de consenso como óptima desde el punto de vista de la seguridad alimentaria. En el futuro, el riego tendrá un papel incluso más importante que el actual en la producción mundial de alimentos. Varias investigaciones recientes han simulado el suministro y la demanda de alimentos en el periodo de los próximos 20 a 25 años. Partiendo del documento del IFPRI (1999), citado por Fereres (2001), y si elegimos el horizonte del 2020 como un análisis predictivo, se estima que la demanda de cereales se incrementará en un 40% respecto al nivel actual y posiblemente más si tiene lugar una mejora en las dietas. Para compensar esta demanda, este documento predijo un modesto (6%) de incremento de la superficie cultivada y un sustancial incremento de la productividad. El mismo análisis estimó que las zonas regadas debían aumentar en 40 Mha (además de las 260 Mha existentes) o que tendría que incrementarse la productividad de las actuales por encima del 20% en 20 años. Ya que la mayoría de la expansión del regadío tendría lugar en los países en desarrollo, y considerando las limitaciones físicas y económicas a ésta, y la pérdida de superficie regada debido a la urbanización y salinización, parece que el principal camino para dar respuesta al incremento futuro de la demanda de alimentos en el mundo será una continua mejora de la productividad de la agricultura de riego. Sin embargo, hay limitaciones severas para incrementar los rendimientos en muchos regadíos. Los incrementos en productividad observados en los años 60 y 70 han dado paso a aumentos más modestos en los años 80 y 90, existiendo dudas razonables sobre el hecho de que se pueda mantener los aumentos de producción agrícola del pasado en los años venideros. 19

En conclusión, parece haber significativas incertidumbres en la capacidad de suministro para satisfacer la demanda mundial de alimentos en las próximas dos décadas y más aún en conseguir el objetivo de erradicar o reducir el hambre que afecta en la actualidad a más de 800 millones de personas en todo el mundo. A tenor de estas incertidumbres, el uso del agua en la agricultura, y de forma más precisa la mejora y la expansión allí donde sea posible del regadío, aparece en nuestra opinión como el camino más sólido hacia la seguridad alimentaria. Este proceso de mejora y consolidación de los regadíos existentes debe traer consigo un incremento de su productividad unido a un incremento prudente de la expansión del regadío, que tiene que llevarse a cabo posiblemente en condiciones muy diferentes a como lo ha sido en el pasado. El gran desafío que se nos presenta es acertar en manejar los aspectos puramente técnicos con las necesidades económicas y sociales y los requerimientos medioambientales cada vez más exigentes en nuestra sociedad. El agricultor tiene que hacer frente a desafíos económicos importantes en un mercado cada vez más competitivo y en condiciones de menor protección por parte del Estado; esta batalla económica tiene que librarla en una sociedad cada vez más sensibilizada hacia la degradación del entorno. Incluso para el propio agricultor, mantener los recursos que utiliza en buenas condiciones, es un elemento clave para la propia supervivencia de su explotación. Para acabar de complicar la situación, los cambios en la percepción social hacia el riego han creado un ambiente negativo para la agricultura de regadío, especialmente en los países desarrollados. El riego, que una vez fue el principal motor del crecimiento económico en muchos países, es ahora el blanco de las críticas basadas en las siguientes percepciones: • El riego usa demasiada agua, más del 70-80% del total. • El riego es ineficiente; más del 50% del agua es «malgastada». • Los agricultores apenas pagan por el agua que usan y reciben fuertes subvenciones. • El riego es una fuente de contaminación y daña el ambiente. Cualquiera de las afirmaciones anteriores es cierta, pero como sucede con frecuencia, no constituyen toda la verdad, sino sólo una parte de la misma y en cualquier caso necesita muchas matizaciones. Hoy no podemos, quizá mejor sería decir no debemos, concebir un desarrollo agrícola que no sea sostenible en el uso de los recursos naturales y entre ellos, junto con el suelo y la vegetación, ocupa un lugar destacado el agua. Armonizar los valores económicos con los de respeto al entorno, lograr una utilización sostenible del agua en la agricultura es uno de los desafíos más apasionantes con los que el hombre se enfrenta al comienzo del nuevo milenio.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Barthelemy, F. 1993. Water for a Sustainable Human Nutrition: Inputs and Resource Analysis in Arid Regions. Ecole National du Génie Rural, des Eaux et Forêts, Montpellier, France.

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Evans, L.T. y Fischer, R.A. 1999. «Yield Potential: Its Definition, Measurement, and Significance». Crop Sci. 39:1544-1551. FAO, 1997. Food Production: The Critical Role of Water. Technical Background Document 7. Rome, Italy. Fereres, E. 2001. El ahorro sistemático del agua en la agricultura de regadío. Actas del Symposium: Las nuevas tecnologías hacia la agricultura sostenible. XX Aniversario del ITAP. Albacete (España). IFPRI, 1999. World Food Prospects: Critical Issues for the Early Twenty First Century. International Food Policy Research Institute. Washington, DC. 49 págs. Loomis, R.S. y Connor. D.J. 1992. Crop Ecology. Productivity and management in agricultural systems. pp. 538. Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK.

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CAPÍTULO I

Técnicas de medida y control del agua en el suelo

El agua es un patrimonio común, cuyo valor todos tienen que conocer. Cada persona tiene el deber de ahorrarla y de usarla con cuidado. Carta Europea del Agua, 1968

Josep M. Villar Mir Francesc Ferrer Alegre

1. 2. 3.

Introducción. Propiedades físicas de los suelos que afectan a la disponibilidad de agua. Variables estado para expresar el agua en el suelo. 3.1. El contenido de agua en el suelo. 3.2. El potencial del agua en el suelo. 4. Relaciones entre las dos variables estado: la curva característica de humedad. 5. Conductividad hidráulica y permeabilidad. 6. Procesos y flujos del agua en el suelo: infiltración, redistribución y drenaje. 6.1. Infiltración y sortividad. 6.2. Redistribución. 6.3. Drenaje. 7. Balance de agua en el suelo. 7.1. Capacidad de campo. 7.2. Punto de marchitez permanente. 7.3. Capacidad de retención de agua disponible. 7.4. Nivel de agotamiento permisible. 7.5. Seguimiento del balance de agua en el suelo. 8. Métodos de medida del contenido de agua en el suelo. 8.1. Método gravimétrico. 8.2. Sonda de neutrones. 8.3. Métodos basados en la medida de la constante dieléctrica del suelo. 8.4. Disipación de calor. 8.5. Radar Penetrante (GPR). 9. Métodos de medida del potencial del agua en campo y en laboratorio. 9.1. Platos de presión. 9.2. Tensiómetro. 9.3. Resistencia eléctrica. 9.4. Sensores de disipación de calor (Conductividad térmica). 9.5. Instrumentos que miden el potencial del agua en el suelo basándose en la ecuación de Kelvin. 9.6. Técnica del papel de filtro. 9.7. Método que combina instrumentos TDR/FD con sensores de medida del potencial. mátrico. 10. Métodos de medida de la infiltración. 10.1. Infiltrómetro de doble anillo. 10.2. Infiltrómetro de tensión. 11. Métodos de medida del drenaje. 12. Métodos de medida de la conductividad hidráulica. 12.1. Conductividad hidráulica saturada. 12.2. Conductividad hidráulica no saturada. 13. Estimación de propiedades hidráulicas a partir de otras propiedades del suelo: funciones de edafo-transferencia. 14. Recursos en la WEB e informáticos. 15. Referencias bibliográficas. Anejo I. Características medias para algunas texturas de suelos (FAO, 1979). Anejo II. Compañías que fabrican y comercializan sensores de media y control del agua en el suelo. Anejo III. Sensores e instrumentos relacionados con la medida del contenido y el potencial del agua en el suelo. Anejo IV. Símbolos. Anejo V. Relación entre potencial del agua asociado con un tamaño de poro. Anejo VI. Ejercicios.

1.

INTRODUCCIÓN

Un capítulo introductorio sobre el agua en el suelo, en un libro titulado «Agua y Agronomía», tiene que ser de utilidad para proporcionar información de forma clara y concisa a los especialistas en la materia. Sin embargo, dada la naturaleza del libro no es posible abarcar el tema en toda su extensión y los autores sugieren libros como Hillel (1998), Porta et al. (2003) o Marshall et al. (1996) para profundizar en este campo. Para un mayor detalle de los métodos de medida se sugieren las obras de Klute (1986); Carter (1993); Smith y Nullins (2001) y Dane y Topp (2002). La gestión eficiente del agua de riego es un factor clave de la gestión del recurso agua ya que el riego de los cultivos supone entre un 60 y un 80% de los usos y aplicaciones del agua a nivel global. La medida y seguimiento del agua en el suelo es un aspecto esencial en la gestión eficiente del agua de riego. El tema del agua en el suelo se ha enfocado para que los especialistas en riegos1 puedan disponer de definiciones y conceptos, con las correspondientes unidades en el sistema internacional de unidades (S.I.), ampliamente aceptadas por la comunidad científica. Como referencia se utiliza el glosario de términos de la SSSA2 (2001). Se presenta información sobre instrumentación y sensores que se comercializan actualmente y se remite a la información disponible en internet para poder profundizar en características detalladas de los equipos, así como foros de discusión que permiten obtener información crítica sobre los mismos. Se han incluido tablas con valores medios y el apartado 13 está dedicado a las funciones de edafotransferencia, lo que permite una primera aproximación cuantitativa. Es necesario aclarar que estas funciones y valores medios en ningún momento pueden sustituir a los datos obtenidos en mediciones de campo y de laboratorio, ya que dada la complejidad del sistema suelo-agua éstas pueden proporcionar en algunos casos información errónea. En este capítulo se presentan las principales características de los suelos relacionadas con el almacenamiento y disponibilidad del agua, con su movimiento y drenaje. Para caracterizar el flujo de agua en el suelo hay que describir los procesos de infiltración y la redistribución del agua dentro del suelo. La característica más notable a cono1 2

Gestores del agua de riego, consultores, instaladores de riego, ingenieros de riego. Soil Science Society of America.

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cer es la conductividad hidráulica. El contenido de agua en el suelo y los procesos en los que está implicada son de gran interés en distintas disciplinas como la ciencia del suelo, la ingeniería del riego, la hidrología, la meteorología y la agronomía, entre otras3. Los principales procesos en los que interviene el agua del suelo son, entre otros, la evaporación del agua del suelo, la transpiración de las plantas, el crecimiento de las plantas y la producción de cultivos, los riegos y drenajes, la recarga de acuíferos, la erosión y el transporte de solutos. En agricultura es necesario conocer y controlar el contenido de agua en el suelo y su evolución temporal para una gestión adecuada de suelos y aguas, al influir en el estado hídrico de las plantas. Uno de los componentes principales de la programación de riegos (cuándo regar y cuánta agua hay que aplicar) es la determinación, o estimación en algunos casos, del contenido de agua de los suelos. La medida del contenido de agua en el suelo también permite determinar la situación del frente de humedad, o el patrón de extracción de agua por parte de las raíces En estudios hidrológicos y meteorológicos también es necesario obtener estimaciones del contenido de agua en el suelo ya que es el principal componente del balance de agua. El contenido de agua en el suelo permite estimar otras propiedades del suelo relacionadas con el comportamiento mecánico como son la traficabilidad, la penetrabilidad, la consistencia, la plasticidad, y la compactibilidad (Hillel, 1998). El comportamiento y dinámica del agua en el suelo se debe en primer lugar a las propias características del agua. El agua es el principio de la vida, siendo el principal componente químico de todos los organismos vivos. Las propiedades del agua hacen que intervenga en la mayoría de los procesos biológicos y que sea considerada la molécula más importante para la vida. Se considera además el disolvente universal. En la molécula de agua, el oxígeno (O) se une a dos átomos de hidrógeno (H) mediante enlace covalente. Los átomos de H forman un ángulo de 104,5° entre ellos, lo que provoca el carácter dipolar y asimétrico de la molécula de agua4. Algunas de las propiedades más características del agua se presentan resumidas en la tabla 1.1. Una propiedad importante del agua es su tensión superficial que se da en la interfase agua-aire y cuyo resultado es una mayor atracción entre las moléculas de agua que por el aire. A la atracción entre moléculas de agua se le denomina cohesión. El agua puede ser adsorbida en la superficie de las arcillas por puentes de hidrógeno, y en este caso se habla de adhesión. El suelo es un medio poroso compuesto de sólidos, aire y agua. Los sólidos son en principio partículas minerales y orgánicas. El espacio que permiten los sólidos en un volumen de suelo determinado, se denomina volumen de poros, y es el espacio que van a ocupar el agua y el aire. La zona no saturada de los suelos se refiere a la zona que contiene agua y aire. 3

4

El contenido de agua en el suelo que rodea las edificaciones puede afectar a las condiciones de humedad en el interior de los edificios y por este motivo es de gran interés detectar las fuentes de agua en las edificaciones (Dela, 2001). Por este motivo la arquitectura y la geotecnia son otras de las áreas de interés por el tema. La molécula de agua es dipolar porque el centro de la carga positiva y negativa están localizados en sitios distintos. Es asimétrica porque no es simétrica respecto a sus cargas.

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Tabla 1.1. Propiedades del agua Concepto

Fórmula química Constante dieléctrica del agua a 20° C Calor específico del agua a 20° C Calor latente de vaporización a 20° C Tensión superficial5 a 20° C Conductividad térmica a 20° C Viscosidad dinámica a 20° C Viscosidad cinemática a 20° C Densidad a 20° C

Valor

H2O 80 4.186 J kg–1 C–1 2,46 MJ kg–1 0,0727 kg–2 0,603 Jm–1 s–1 C–1 0,001 kgm–1 s–1 1,007 mm2 s–1 998 kg m–3

El régimen de humedad de los suelos también tiene un significado especial en la clasificación de los suelos. El sistema de clasificación de suelos Soil Taxonomy (SSS, 1999) establece cinco clases (ácuico, arídico/tórrido, údico, ústico y xérico). El estudio del régimen de humedad de los suelos es función del clima, del tipo de suelo y de su posición en el paisaje.

2. PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS SUELOS QUE AFECTAN A LA DISPONIBILIDAD DE AGUA El significado de todas las propiedades físicas del suelo en el crecimiento y producción de los cultivos es considerable, y junto a las propiedades químicas son la base de la productividad de los suelos. Una de las principales características físicas del suelo es la profundidad efectiva. La profundidad efectiva del suelo que puede ser explorada por las raíces de las plantas afecta a la disponibilidad de agua, por este motivo se utiliza como un criterio importante en la evaluación de la aptitud de los suelos para el riego (FAO, 1979). Todos aquellos factores que impiden la penetración mecánica de las raíces deben considerarse factores limitantes para almacenar agua de forma disponible como, por ejemplo, la presencia de horizontes fuertemente cementados. Otros factores que limitan de forma importante la capacidad de retener agua de forma disponible para los cultivos son un contenido elevado de yeso, de carbonatos, o de gravas. Las técnicas de riegos y las características específicas de cada cultivo impiden que pueda establecerse una interpretación clara para definir categorías de suelos según profundidad efectiva. Lo que sí puede establecerse es que al disminuir la profundidad efectiva los cultivos sustitutivos también disminuyen. Así, mientras con una profundidad efectiva de 45 cm pueden obtenerse excelentes cosechas en cultivos hortícolas, puede que sea un factor limitante para otros, como por ejemplo la alfalfa (Medicago sativa L.). Otra característica física importante es la textura. Las fracciones minerales del suelo se clasifican según el diámetro de las partículas en mm. Debido a que no existe un sistema único de clasificar el tamaño de las partículas se recomienda utilizar las fracciones del USDA (US Department of Agriculture) ya que se considera el más ampliamente aceptado en agronomía (tabla 1.2). 5

La tensión superficial también se expresa en J/m2 ≡ kg/s2.

27

Tabla 1.2. Diámetro de las partículas y diámetro medio según la fracción USDA Fracción

Diámetro de las partículas (D) en mm

Diámetro aritmético medio (mm)

0,05 ≤ D < 2 0,002 ≤ D < 0,05 D < 0,002

1,025 0,026 0,001

Arena Limo Arcilla

Para clasificar la textura de los suelos se utiliza el triángulo de texturas USDA, que establece doce clases texturales (figura 1.1). La distribución del tamaño de partículas del suelo puede asumirse que es log-normal. Ello permitirá obtener más información de la textura del suelo. Cualquier combinación de arcilla, limo y arena puede representarse por el diámetro de partícula medio geométrico (dg) y por la desviación geométrica estándar (σg) (Campbell, 1985) que se calculan por las siguientes expresiones: dg = exp a

[1]

σg = exp b

[2]

y donde:

3

a = 冱 mi ln di

[3]

i=1

y

冢 冱 m (ln d ) – a 冣 3

b=

i=1

i

i

2

2

1 2

[4]

mi es la fracción de cada textura, di es el diámetro medio aritmético de cada fracción (tabla 1.2). Ejemplo de cálculo 1. Determinación del diámetro de partícula medio geométrico (dg) y de la desviación geométrica estándar (sg) (Campbell, 1985) a partir de las fracciones de arcilla, limo y arena. Las fracciones de arcilla (ac), limo (l) y arena (ar) de un suelo son respectivamente, mac = 0,18; ml = 0,35; mar = 0,47. 3

a = 冱 mi ln di ;

a = 0,18 ln 0,001 + 0,35 ln 0,026 + 0,47 ln 1,025 = –2,508

i=1

3

b=

冢 冱 m (ln d ) i=1

i

i

2

冣

– a2

0,5

;

b = [0,18 (ln 0,001)2 + 0,35 (ln 0,026)2 + 0,47(ln 1,025)2 – a2]0,5 = 2,637 dg = exp a = exp (–2,508) = 0,0813 σg = exp b = exp (2,637) = 13,975

La estructura del suelo, que se refiere a la naturaleza y grado de agregación de las partículas del suelo, también afecta a la aireación, velocidad de infiltración y a la permeabilidad. Una característica importante de la estructura del suelo es la estabilidad de los agregados cuando se hallan expuestos al agua. La estabilidad estructural depende de la textura, del tipo de arcilla, de la clase de iones asociados a las arcillas, de la materia orgánica del suelo y de la actividad microbiológica del suelo. 28

100 % arcilla 90

10

ed ea rci lla

70

30 arcillosa

60

40

po

rce

franco arcillosa

30

50

o im

arcillosa limosa

arcillo arenosa

el

50 40

d je

nta j

20

n ta rce po

80

60

franco arcillosa limosa

70

franco arcillo arenosa

20 10 100% arena

80 franca

franco arenosa

franco limosa

90

arenosa arenosa limosa

90

80

limosa

70

60

50

40

30

20

10

100% limo

porcentaje de arena

Fig. 1.1.

Triángulo de texturas USDA-NRCS6.

La adhesión y la cohesión también se utilizan para establecer los distintos grados de estructura. A diferencia de la textura, la estructura del suelo es susceptible de cambios por la acción del hombre (Hartge, 1984). El trabajo del suelo o sistema de mantenimiento del horizonte superficial tiene un efecto claro en la estabilidad de los agregados. La masa total de suelo (Mt) la constituyen principalmente la masa de agua (Mw) y la masa de suelo seco (Ms), ya que la masa de aire en el suelo es insignificante y se puede prescindir de ella. Sin embargo cuando se trabaja con volúmenes, se considera el volumen de poros (Vp) que viene definido por el volumen de agua (Vw) y por el volumen de aire (Va). El volumen total del suelo (Vt) es la suma del volumen de poros y del volumen de sólidos (Vs): Vt = Vs + Vp = Vs + Vw +Va Mt = Ms + Mw

(m3)

(kg)

[5] [6]

La densidad aparente del suelo, en kg m–3 o Mg m–3, es la masa de suelo seco dividida por el volumen total del suelo: Ms ρb = [7) Vt La densidad aparente de los suelos minerales puede oscilar entre 1 y 1,8 Mg m–3 (Warrick, 1990). Los valores menores corresponden a contenidos altos en materia 6

United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service.

29

orgánica y texturas muy finas. La densidad de las partículas sólidas del suelo es la masa de suelo seco dividida por el volumen de sólidos únicamente. La densidad de las partículas sólidas varía según la composición de los minerales, y oscila entre 2,5 y 2,7 Mg m–3. A efectos prácticos de cálculo, el valor medio de las partículas del suelo se considera 2,65 Mg m–3. ρs =

Ms Vs

= 2,65

[8]

La densidad aparente de un suelo afecta a la penetración de las raíces y al movimiento del agua en el suelo. La compactación de suelos es otro aspecto que afecta a la dinámica del agua en el suelo. Para un mismo suelo, la compactación del suelo disminuye el espacio de poros y provoca un aumento de la densidad aparente. La porosidad se refiere al volumen de poros respecto al volumen total del suelo. La distribución del tamaño de los poros depende de la textura, de la estructura y del grado de compactación. Los poros se clasifican según su diámetro, existiendo distintos sistemas de clasificación de los poros del suelo. En la tabla 1.3 se presenta la que utiliza el glosario de términos de ciencia del suelo de la SSSA (2001). Tabla 1.3. Clasificación del tamaño de los poros (SSSA, 2001) Clase

Diámetro equivalente (µm)

Macroporos Mesoporos Microporos Ultramicroporos Criptoporos

> 75 30-75 5-30 0,1-5 < 0,1

La porosidad total de un suelo (f) se expresa preferentemente como una fracción, aunque también puede aparecer como un porcentaje: f=1–

ρb ρs

=

Vt – Vs Vt

=

Vp Vt

[9]

Además del concepto de porosidad total, es importante conocer la distribución del tamaño de los poros. El tamaño de los poros es, normalmente, inversamente proporcional a la proporción del volumen de poros en el suelo. La porosidad efectiva (fe), en m3 m–3, es la porosidad total menos el contenido de agua a –33 kPa: fe = f – θν(–33kPa)

[10]

La porosidad de aireación (fa) se obtiene a partir de la porosidad y el contenido de agua: fa = 1 – 30

ρb – θν = f – θν ρs

[11]

La relación de huecos7 (e) es la relación de espacio poroso respecto al volumen de sólidos: f ρs e= –1= [12] 1– f ρb fa =

e 1−e

[13]

En algunos estudios la estructura se ha descrito midiendo los poros mayores de 10 µm (Hartge, 1984). Los pelos absorbentes de las plantas tienen un diámetro entre 8 y 12 µm (microporos). Los poros mayores de 50 µm de diámetro se han asociado con la conductividad hidráulica (Carter y Ball, 1993). El tamaño de los poros más grandes llenos de agua para un determinado potencial mátrico se puede expresar matemáticamente: d=

4σ cos α ρw gh

[14]

donde d es el diámetro (m) de los poros más grandes que quedan llenos de agua después de aplicar un determinado potencial, h (en m), σ es la tensión superficial del agua (0,0727 J m–2 a 20° C), α es el ángulo de contacto del agua almacenada en el poro (igual a cero), ρw es la densidad del agua (998 kg m–3) y g es la aceleración de la gravedad (9,8 m s–2). Para describir el drenaje de agua desde un poro esférico se utiliza la ley de Kelvin: ψ=

–4σ

[15]

dρw

De forma simplificada, expresando el diámetro en µm y el potencial mátrico (ψm apart. 3.2.3.) en kPa: d=

300 ψm

[16]

A una temperatura de 20° C si aplicamos un potencial de –10 kPa el tamaño de los poros más grandes llenos de agua será de 30 µm (Carter y Ball, 1993), vaciándose los de mayor diámetro. La capilaridad es un fenómeno que se debe a dos fuerzas: la fuerza de atracción del agua por las paredes del canal a través del cual se mueve (naturaleza electrostática) y la tensión superficial del agua que es debida a la elevada atracción entre las moléculas de agua (cohesión). La capilaridad determina cómo se mueve el agua, en condiciones de no saturación y cómo es retenida por la matriz del suelo. La altura de ascenso por un tubo capilar viene dada por: H= 7

2σ Rρw g

[17]

El uso de la relación de huecos es necesario en suelos que pueden cambiar su volumen como los suelos expandibles, y en suelos cuyo volumen cambia por compactación.

31

donde R es el radio del capilar, ρw es la densidad del agua, g es la gravedad y σ es la tensión superficial. Ejemplo de cálculo 2. Si un poro del suelo tiene un diámetro de 10 µm y la temperatura del suelo es de 20° C, la altura de ascenso del agua en el poro será aproximadamente de 2 · 0,0727 H = ᎏᎏ = 2,9 · 10–3 m = 2,9 mm 5 · 10–6 · 998 · 9,8

3. VARIABLES ESTADO PARA EXPRESAR EL AGUA EN EL SUELO Las principales variables estado del suelo que se utilizan para caracterizar las relaciones hídricas son el contenido de agua y el potencial del agua. 3.1.

EL CONTENIDO DE AGUA EN EL SUELO

Describe la cantidad de agua en el suelo. Algunas propiedades hidráulicas de los suelos dependen de su contenido en agua. Se obtiene midiendo la pérdida de agua de una muestra de suelo cuando se seca hasta una masa constante (24h) a 105° C. Se expresa como masa de agua (Mw) por masa de suelo seco (Ms) en kg kg–1. Normalmente se denomina contenido gravimétrico de agua. θm =

Mw Ms

[18]

También se describe como volumen de agua por unidad de volumen aparente de suelo. En este caso se denomina contenido volumétrico de agua, en m3 m–3. Es necesario para describir la cantidad de agua que almacena un suelo. θv =

Vw Vt

[19]

La relación entre θm y θv es: θv =

ρb θm ρw

[20]

donde ρw es la densidad del agua y ρb es la densidad aparente del suelo. La densidad del agua se asume igual, de forma constante, a 1 Mg m–3. En realidad, la densidad del agua varía entre 999,87 kg m–3 a 0° C y 988,07 kg m–3 a 50° C. La densidad del agua de 1.000 kg m–3 corresponde a una temperatura de 4° C y es la que se considera en la mayoría de los casos. La densidad del agua se expresa en kg m–3 como: ρw = 32

Mw Vw

[21]

El contenido de agua volumétrico a saturación, en m3 m–3, se describe mediante la siguiente ecuación: θvs =

VP Vt

[22]

El grado de saturación (W) vendría definido por la proporción de agua presente en el suelo respecto al contenido de agua a saturación. W es una cantidad adimensional y se expresa como un porcentaje: W=

θv

[23]

θvs

El contenido de agua másico a saturación, en kg kg–1, se describe como: θms =

3.2.

ρwVp

[24]

Ms

EL POTENCIAL DEL AGUA EN EL SUELO

El potencial del agua del suelo se define como la cantidad de trabajo que debe realizarse por unidad de una cantidad especificada de agua pura para transportar de forma reversible e isotérmica una cantidad infinitesimal de agua, desde una fuente especificada a un destino especificado (SSSA, 2001). Si la cantidad especificada es un volumen, el potencial se expresa como una presión (Pa8), si la cantidad especificada es un peso, el potencial se expresa como una altura de agua (m) y si la cantidad especificada es masa, el potencial se expresa normalmente en J kg–1. Las distintas alternativas para expresar el potencial del agua en el suelo se presentan en la tabla 1.4. Tabla 1.4. Alternativas para expresar el potencial del agua en el suelo Cantidad especificada

Unidades

Símbolo

Forma de expresar el potencial del agua en el suelo

Volumen Peso Masa

Pa Metro Jkg–1

P H ψ

Presión, P Altura, H Potencial, ψ

La conveniencia de utilizar una determinada forma de expresión depende del tipo de instrumento de medida y de la finalidad de la medida. Las alturas de agua, H (m) se han utilizado con frecuencia en medidas tensiométricas y en medidas de la conductividad hidráulica (Dirksen, 1999). El potencial del agua, como se ha visto, se ha definido como una diferencia de potencial con el estado de referencia del agua. Es de utilidad para describir la disponibilidad de agua para las plantas y para describir las fuerzas conductoras que causan el movimiento del agua en el suelo (Campbell y Mulla, 1990). Las condiciones que definen el estado de referencia del agua son el agua pura (sin sales disueltas), libre (de las fuerzas de adsorción), a una temperatura y elevación espe8

1 Pa = 1 Jm–3 = Nm–2

33

cificadas, y expuesta a la presión atmosférica. El potencial del agua en el estado de referencia es cero. Los factores que afectan al potencial del agua son: • Los solutos disueltos en el agua del suelo. • La adsorción del agua por parte de las partículas del suelo. • La elevación del agua del suelo en el campo gravitatorio de la Tierra. • La presión aplicada (positiva o negativa). El potencial total del agua en el suelo es la suma de los potenciales debidos a la gravedad (g), presión (p), mátrico (m), osmótico (o) y otros potenciales inducidos por factores diversos como la sobrecarga de un suelo o la presión del aire. Los distintos componentes del potencial del agua en el suelo se presentan en la tabla 1.5. Tabla 1.5. Componentes del potencial del agua en el suelo (Adaptado de Jones, 1999) Componente

Factor que le afecta

Potencial matricial (–) Potencial osmótico (–) Potencial de gravedad (+ o –) Potencial de presión (+ o –)

Adsorción del agua al suelo Solutos disueltos en la solución del suelo Altura sobre el nivel de referencia Presión aplicada

El potencial pneumático, que representa la diferencia de la presión de la fase gaseosa con la presión atmosférica, se considera normalmente negligible, por lo que no se ha considerado en el análisis de los componentes del potencial total del agua en el suelo. El potencial de presión puede ser importante por ejemplo cuando el punto de medida está por debajo de un nivel freático. La altura de la capa freática por encima del punto de medida es la que ejerce el potencial de presión que en este caso sería positivo. La forma simplificada de expresar el potencial del agua en el suelo en la zona no saturada del suelo donde se desarrollan y crecen las raíces es la siguiente: ψ = ψm + ψo + ψg

[25]

donde ψm, ψo, ψg son respectivamente, los potenciales mátrico, osmótico y gravitacional. 3.2.1.

Unidades de medida y equivalencias

Si se asume que la densidad del agua es constante con un valor de 1 Mg m–3 y la constante de gravedad (g) es 9,8 m s–2, se establecen las relaciones: 1=

J m2 = 1kPa = 1.000 Pa = 0,001 MPa = 1 ≈ 0,1 m kg s2

[26]

J Nm kgms–2m m2 =1 =1 =1 kg kg kg s2

[27]

1= 34

La masa de agua se convierte en peso si se multiplica por la aceleración de la gravedad (g). El volumen de agua se convierte en peso si se multiplica por la densidad del agua y por la aceleración de la gravedad. La masa de agua se convierte en volumen si se divide por la densidad del agua. Estas formas alternativas de expresar el potencial del agua en el suelo se relacionan de la siguiente forma: ψ= H=

P ρw

P ρw g

=

[28) ψ g

[29]

Además se establecen las siguientes relaciones con el bar que es la unidad de presión en el sistema de unidades cgs. 1 atm = 10,33 m agua = 0,76 m de Hg = 0,1 MPa 9 = 105 Pa ≅ 1 bar = 100 J kg–1 [30] 3.2.2.

Potencial de gravedad

El potencial de gravedad (ψg), hace referencia a la energía potencial del agua y depende únicamente de la posición relativa (elevación) respecto a un nivel de referencia: ψg = gh

[31]

donde g es la aceleración debida a la gravedad (9,8 m s–2). Por ejemplo si se establece que el nivel de referencia es una capa freática situada a 1,2 m de profundidad, el potencial gravitacional del agua situada en la superficie del suelo se estima por la ecuación: m2 ψg = gh = 9,8 · 1,2 = 11,76 ᎏ = 11,76 Jkg–1 s2

3.2.3.

Potencial mátrico

La disminución de la energía potencial del agua en el suelo es debida a las fuerzas físicas que retienen el agua a la matriz del suelo (conjunto de partículas y espacio poroso) y se denomina potencial mátrico. El agua es retenida por adsorción en las superficies de las partículas del suelo y por capilaridad en los poros (Marshall et al., 1996). La adsorción de agua en la superficie de los sólidos es principalmente de naturaleza electrostática (Hillel, 1998). Las fuerzas de naturaleza electrostática junto a la tensión superficial son las responsables del fenómeno de la capilaridad. La adsorción del agua por parte de las partículas del suelo (superficie de las arcillas) también se debe, aunque con menor importancia, a las fuerzas de London-van der Waals y a los puentes de hidrógeno, por su carácter dipolar. 9

MegaPascal.

35

El potencial mátrico es la principal fuerza conductora del movimiento del agua en el suelo, y condiciona la dirección y magnitud del flujo de agua (Campbell y Mulla, 1990). Su valor siempre es negativo o como máximo vale cero. El potencial mátrico, ψm, en los suelos agrícolas va de cero hasta valores que pueden estar por debajo del denominado punto de marchitez permanente, establecido en –1.500 kPa. 3.2.4.

Potencial osmótico

El potencial osmótico indica el efecto de los solutos disueltos en el agua del suelo. Se utiliza como valor de referencia el potencial osmótico del agua pura. El potencial osmótico es siempre negativo ya que los solutos disueltos disminuyen la energía potencial del agua o como máximo vale cero. Los solutos que pueden encontrarse disueltos en el agua del suelo, y que afectan al potencial del agua del suelo, son las sales inorgánicas y algunas moléculas orgánicas de gran tamaño. Si se conoce la concentración de sales, se puede calcular el potencial osmótico utilizando la ecuación de Van’t Hoff (ψo , en J kg–1). ψo = –νcχRT

[32]

ν = es el número de partículas en solución por molécula de soluto. c = es la concentración de sales (mol kg–1). χ = es un coeficiente osmótico que depende de la concentración y del tipo de sales presentes en el suelo (Robinson y Stokes, 1959). R = es la constante de los gases 8,31 J K–1 mol–1. T = es la temperatura en Kelvin (° C + 273,15). La relación entre potencial osmótico y la conductividad eléctrica del extracto de pasta saturada se establece de forma empírica (Richards, 1954) por la expresión: ψo = –36CEe

[33]

donde ψo es el potencial osmótico en J kg–1, a saturación, y CEe es la conductividad eléctrica del extracto de pasta saturada en dS m–1 a 25 C 10. El potencial osmótico para cualquier otro contenido de humedad en el suelo se expresa por la siguiente ecuación: θs ψo = –36CEe [34] θ Como la relación entre conductividad eléctrica, en dS m–1 y la concentración de sales (Cs), en mg L–1, es aproximadamente CE * 640 = Cs, el potencial osmótico (ψo) en J kg–1 queda como: ψo = –0,05625 Cs 10

36

1dS/m = 1 mmho/cm

[35]

3.2.5.

Potencial de presión

El potencial de presión es importante en los suelos con presencia de capa freática y cuando nos referimos a una zona por debajo de esta capa (zona saturada): ψp =

P ρw

[36]

P es la presión en altura de agua desde el nivel freático hasta la profundidad a la que se quiere determinar el potencial del agua. El potencial de presión puede ser positivo o negativo. Se considera negativo cuando tiene una presión más baja que la atmosférica (en este caso se denomina tensión o succión). Los platos de presión (placas Richards) y la bomba de presión (cámara de Scholander), por ejemplo, se basan en la aplicación de una presión o succión para equilibrar una fase externa con el agua del suelo o el agua de las plantas.

4. RELACIONES ENTRE LAS DOS VARIABLES ESTADO: LA CURVA CARACTERÍSTICA DE HUMEDAD La curva característica de humedad es la relación entre el contenido de agua en el suelo (expresado sobre la base de la masa o el volumen) y el potencial mátrico (SSSA, 2001; Warrick, 1990; Topp et al., 1993). También se denomina curva de retención de agua, curva de liberación de agua o curvas ψ–θ . La curva es diferente para cada tipo de suelo. El potencial mátrico del agua del suelo no varía linealmente con el contenido de agua.

Contenido de agua (m3 m–3)

0,7 Arcillosa

0,6

Franca

Arenosa

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

500

1.000

1.500

2.000

Potencial mátrico (J kg–1) Fig. 1.2.

Curva característica de humedad para tres clases de textura USDA.

La complejidad en el manejo de las curvas características de humedad del suelo para poder convertir el contenido de agua a potencial del agua es debido a que la relación no es única. La curva presenta una forma distinta si se construyen añadiendo agua 37

(sorción) o extrayendo el agua (desorción), fenómeno conocido como histéresis y que es debido principalmente a las bolsas de aire que pueden quedar atrapadas en el suelo y a procesos de capilaridad (Warrick, 1990). Por este motivo se dice que el proceso no es reversible. Para un determinado potencial, el contenido de agua es menor cuando se está añadiendo agua que cuando se está extrayendo agua del suelo. Normalmente si no se indica lo contrario, las curvas son de desorción, es decir durante la fase de secado de las muestras de suelo. La denominación como curvas de retención de agua se refiere al hecho de que la medida determina cuánta agua es retenida por el suelo para cada potencial mátrico (Topp et al., 1993). Una característica del suelo que afecta a la curva característica de humedad es la presencia de carbonato cálcico, que aumenta la fuerza de retención del agua para un determinado contenido de agua en el suelo. Aspecto importante que afecta a la programación de los riegos en los suelos calcáreos (FAO, 1979). La ecuación empírica que relaciona el potencial con el contenido de agua es del tipo ψ = aθb

[37]

utilizada por Visser (1969) y otros autores (citado por Marshall et al., 1996). Más recientemente estas curvas se han descrito por la función empírica (Campbell, 1985): θ ψ = ψe ᎏᎏ θs

冢 冣

(Para ψm ≤ ψe)

[38]

donde ψe es el potencial de entrada de aire (potencial al cual los poros más grandes llenos de agua empiezan a drenar), y b es una constante (es la pendiente entre ln ψ y ln θ11). El potencial de entrada de aire (ψe) depende de la textura, de la densidad aparente y de la estructura del suelo. Ambos valores pueden estimarse si se conoce la distribución del tamaño de poros (es decir, el diámetro de partículas geométrico (dg, en mm) y la desviación estándar geométrica, σg). Para la densidad ρb= 1,3 Mg m–3 se puede estimar: ψe = –0,5 兹d 苶g苶

[39]

b = –2ψe + 0,2σg

[40]

Como dg varía entre 0,003 y 0,7 mm y σg varía entre 1 y 30, el potencial de entrada de aire (ψe) tendrá un valor entre –9 J kg–1 y –0,6 J kg–1 y b variará entre 212 y 2413 en suelos normales. Con anterioridad se utilizó el concepto de curvas de pF14, aunque hoy en día se considera obsoleto. pF es el semilogaritmo de la presión matricial. 11 12 13 14

38

ln [–ψ(θ)] = a + b ln θ. Texturas más gruesas (arenosas). Texturas más finas (arcillosas). El concepto de pF fue introducido por Schofield en 1935. En 1971, la edición del Glossary of the Soil Science Society of America ya consideraba el término obsoleto (Loveday, 1974), aunque en algunas publicaciones todavía se utiliza.

5.

CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA Y PERMEABILIDAD

El agua en el suelo se puede mover en flujo saturado, en flujo no saturado y en forma de vapor (Brady y Weil, 1999). El movimiento del agua en condiciones no saturadas también se denomina movimiento capilar e incluye el movimiento de ascensión desde una capa freática. El flujo de agua líquida (en suelo saturado o no saturado) responde siempre a un gradiente de potencial. En condiciones de saturación, el agua que por exceso no puede ser retenida por la matriz del suelo recibe el nombre de agua gravitacional o agua de drenaje. El flujo de agua en forma de vapor15 no se describe en este capítulo. La conductividad hidráulica es la propiedad hidráulica más importante que afecta al flujo de agua y al transporte de solutos en el suelo (Zhang, 1997). Es importante para determinar las tasas máximas de infiltración (en condiciones de saturación), la capacidad de campo, el flujo de agua en el suelo no saturado, la resistencia al flujo de agua hacia las raíces y el drenaje de un suelo saturado (Campbell y Mulla, 1990). Conocer la conductividad hidráulica es necesario para (SCS-USDA, 1983; Reynolds, 1993b): • El diseño de sistemas de riego y de drenaje (e.g. diseñar el tamaño de las tablas de infiltración). • El diseño de fosas sépticas y depósitos de deyecciones animales. • El diseño de canales y embalses16. • Infiltración de lluvia y escorrentía. • El diseño de terrazas y otros sistemas de conservación. • El lavado de nutrientes. • Movimiento de pesticidas y contaminantes. • La recarga de acuíferos. La conductividad hidráulica hace referencia al factor de proporcionalidad de la Ley de Darcy17 aplicada al flujo viscoso de agua en el suelo. La ley de Darcy aplicada a un medio poroso, como es el suelo, expresada en forma diferencial y en un sistema unidimensional describe la densidad de flujo de agua o velocidad del flujo como18: ∂ψ Jw = –K(θ) ᎏ ∂z 15

16

17

18

[41]

El mecanismo que predomina en el flujo de vapor es el de difusión que puede describirse por la ley de Fick. La conductividad hidráulica saturada de una arcilla muy compactada tal como se utiliza en la construcción de embalses tiene que tener una Ks baja menor de 0,005 md–1. El ingeniero francés Henry Darcy publicó en 1856 el resultado de sus investigaciones para diseñar un sistema de filtración de aguas residuales de la producción de mostaza en la ciudad de Dijon. Darcy H. 1856. Les fontaines publiques de la ville de Dijon, V. Dalment. Paris, 647 pp. La Ley de Darcy fue modificada por Buckingham en 1907 para la zona no saturada del suelo, utilizando en lugar de Ks, K(θ).

39

Jw es la densidad de flujo de agua en kg m–2 s–1. K es la conductividad hidráulica, que es función del contenido volumétrico de agua (θ) en el suelo, en kg s m–3. ∂ψ ᎏ es el gradiente de potencial del agua en el suelo, en m s–2. ∂z Es conocido que la Ley de Darcy no se ajusta bien a todas las situaciones de medio no saturado, pero no existen otras alternativas viables (Warrick, 1990). De hecho la ley de Darcy se aplicó originalmente a un medio saturado y se ha querido aplicar a todas las condiciones de medio en general. Las limitaciones de la ley de Darcy están ampliamente descritas por Hillel (1998). La ley de Darcy se expresa en muchos textos como un gradiente utilizando alturas de agua, lo que puede provocar confusión en el uso de las unidades. Entre las distintas ecuaciones empíricas que se han propuesto para relacionar la conductividad y el potencial mátrico se ha seleccionado el modelo de Campbell (1985): K = Ks

ψe

n

冢ψ冣

[42]

donde K es la conductividad hidráulica, Ks es la conductividad hidráulica saturada y ψe es el potencial de entrada de aire. La variación de la conductividad hidráulica del suelo con el contenido de agua no es lineal. La conductividad hidráulica no saturada también se puede describir como una función del contenido de agua utilizando el mismo modelo: K = Ks

θ

m

冢θ 冣

[43]

s

En el apartado anterior se ha mostrado la relación entre potencial matricial y contenido de agua en el suelo de la forma: ψ = ψe

θ

–b

冢θ 冣

[38]

s

La relación, obtenida experimentalmente entre coeficientes es la siguiente: m = 2b + 3 n=2+

3 b

[44] [45]

b es un valor que varía, como se ha visto anteriormente, entre 2 y 24 en suelos normales19. 19

40

2 para suelos de texturas muy gruesas (arenosas) y 24, para suelos de texturas muy finas (arcillosas).

Otra ecuación para predecir la conductividad hidráulica no saturada a partir de los datos de una curva de desorción es la de van Genuchten (1980):

冤 冢

1

K(θ) = Ks SL 1 – 1 – S m S=

m 2

冣冥

[46]

θ – θr θs – θr

[47]

donde: θr = es el contenido de agua volumétrico residual (para dθ/dψ igual a cero, es decir cuando ψ tiende a menos infinito). θs = es el contenido de agua volumétrico a saturación. S = es la saturación relativa. m = es un coeficiente. L = es un parámetro del suelo que vale aproximadamente 0,5. Las tablas 1.6 y 1.7 se incluyen a modo de ejemplo para observar el orden de magnitud de la conductividad hidráulica no saturada correspondientes al contenido de agua y al potencial aplicado. Entre capacidad de campo (0,1 cm d–1) y el punto de marchitez permanente (0,00001 cm d–1) la K disminuye por un factor de más de 104. Esto afecta de forma importante a la absorción del agua del suelo. En la relación entre conductividad hidráulica y el contenido de agua hay que tener en cuenta que la disminución del contenido de agua, desde saturación, provoca una disminución proporcionalmente superior de la conductividad hidráulica del suelo. Este fenómeno es debido a que los poros más grandes son los que se vacían en primer lugar, y de acuerdo con la ley de Hagen-Poiseuille, los poros pequeños conducen el agua mucho menos que los poros grandes. El flujo de agua a través de los poros del suelo, que funcionan como un tubo capilar, es proporcional a la cuarta potencia de su radio. Por este motivo la conductividad hidráulica del suelo varía en función del contenido de agua en varios órdenes de magnitud. Tabla 1.6. Datos estimados de conductividad hidráulica no saturada para un suelo de textura franco arenosa utilizando el modelo de van Genuchten (de Jong, 1993) (m = 2/3; θr = 0,05 cm3 cm–3) Contenido de agua (cm3 cm–3)

Conductividad hidráulica no saturada (K) (cm día–1)

Contenido de agua (cm3 cm–3)

Conductividad hidráulica no saturada (K) (cm día–1)

0,4520 0,44 0,43 0,42 0,41 0,40 0,38

3621 11 6,9 4,6 3,1 2,2 1,1

0,35 0,32 0,28 0,25 0,21 0,20 0,19

0,34 0,1 0,01 0,001 0,000007 0,0000006 0,000000009

20 21

Saturación. (Ks, conductividad hidráulica saturada).

41

Tabla 1.7. Relación entre contenido de agua y potencial aplicado en el suelo de textura arenosa de la tabla 1.6 (de Jong, 1993) Contenido de agua (cm3 cm–3)

Potencial aplicado (kPa)

Contenido de agua (cm3 cm–3)

Potencial aplicado (kPa)

0,4531 0,4459 0,4440 0,4431 0,4403 0,4333 0,4221

0,001 0,5 1 2 4 6 8

0,4102 0,3956 0,3723 0,3476 0,3126 0,2015

10 15 22,5 30 50 1.500

Las funciones hidráulicas de los suelos (parámetros de la ecuación de van Genuchten) han sido estimadas por el método inverso (es decir, a partir de datos experimentales) (van Dam et al., 1994). La conductividad hidráulica de un suelo depende del tamaño y distribución de los poros del suelo, y en consecuencia de la textura, la densidad aparente y de la estructura. La presencia de grietas, canales abiertos por las raíces o por la fauna del suelo también influye en la conductividad del agua en el suelo. La mayor parte del transporte del agua en medio saturado se produce en los poros más grandes. Un aspecto a destacar es el movimiento del agua en suelos muy estratificados. La presencia de un horizonte subsuperficial de textura muy gruesa (arenosa) o un horizonte limoso o arcilloso muy compactado afectan de forma importante al flujo de agua desde el horizonte superficial menos compactado y con una textura más fina (sobre un horizonte arenoso). El efecto más claro es un retraso en el flujo de agua hacia las capas inferiores, lo que facilita el movimiento horizontal. El motivo es que Ks es superior en el suelo arenoso, pero en condiciones de no-saturación, la K es superior en el suelo de textura más fina. Únicamente cuando el material en contacto con la capa arenosa no pueda retener más agua, se iniciará el movimiento del agua hacia el horizonte inferior. Este aspecto es importante en el diseño de sistemas de riego (especialmente en riegos localizados y por aspersión). Algunas publicaciones utilizan el concepto de conductividad hidráulica saturada en campo (Kfs) para diferenciarla de la conductividad hidráulica saturada medida en laboratorio o estimada a partir de funciones de edafotransferencia. En condiciones de campo es muy difícil saturar el suelo sin atrapar aire y los resultados de campo siempre son algo distintos a los de laboratorio, de forma que Kfs ≤ Ks. La conductividad hidráulica saturada en campo (Kfs) puede estimarse como la mitad e incluso menos que la verdadera conductividad hidráulica saturada (Reynolds, 1993b). La clasificación de la conductividad hidráulica saturada se presenta en la tabla 1.8, con algunas de las unidades en las que se expresa en general. Tabla 1.8. Clases de conductividad hidráulica saturada (SCS-USDA, 1983)

42

Clases de conductividad hidráulica

Unidades en µm s–1

Unidades en cm h–1

Unidades en m d–1

Muy baja Baja Moderadamente baja Moderada Alta Muy alta

<0,01 0,01-0,1 0,1-1 1-10 10-100 >100

<0,0036 0,0036-0,036 0,036-0,36 0,36-3,6 3,6-36 >36

<0,864*10-3 0,000864-0,00864 0,00864-0,0864 0,0864-0,864 0,864-8,64 >8,64

Si se considera necesario tener en cuenta la fluidez del fluido, se utiliza el concepto de permeabilidad. La permeabilidad de un suelo se refiere a la facilidad con la que los gases, líquidos o las raíces de las plantas penetran o pasan a través de la masa de suelo o de un horizonte del suelo (SSSA, 2001). Se denomina permeabilidad intrínseca (k) de un suelo a la propiedad de un suelo que expresa la facilidad con la que los gases o líquidos fluyen a su través, y se expresa por la siguiente ecuación: k=

Kη

[48]

ρg

K es la conductividad hidráulica (de la ecuación de Darcy), η es la viscosidad dinámica del fluido, ρ es la densidad del fluido, y g es la aceleración de la gravedad. La viscosidad dinámica del agua varía de forma importante con la temperatura, y su dependencia se indica en la tabla 1.9. La viscosidad se reduce al aumentar la temperatura del agua, lo que favorece la infiltración y la conductividad hidráulica. Por este motivo, la temperatura del agua es una variable a tener en cuenta en suelos con problemas de infiltración (Villar y Carrasco, 2002). Tabla 1.9. Variación de la viscosidad dinámica (η) del agua con la temperatura Temperatura (° C)

Viscosidad (kg m–1 s–1)

Temperatura (° C)

Viscosidad (kg m–1 s–1)

0 5 10

0,00179 0,00157 0,00131

15 20 25

0,00114 0,00100 0,00089

En la tabla 1.10, se presentan cuatro fuentes de información distintas con valores medios aproximados de la conductividad hidráulica saturada expresada en cm h–1 para siete clases de textura USDA. De acuerdo con la tabla de interpretación de las distintas clases de la tabla 1.8 se puede decir, que en general: • La clase de textura arenosa tiene una Ks alta. • La clase de textura franco arenosa tiene una Ks moderada-alta. • La clase de textura franca tiene una Ks moderada. • La clase de textura franca limosa tiene una Ks moderada. • La clase de textura franca arcillosa tiene una Ks moderada-moderadamente baja. • La clase de textura arcillo limosa tiene una Ks moderadamente baja-baja. • La clase de textura arcillosa tiene una Ks moderadamente baja-baja. Tabla 1.10. Valores aproximados de conductividad hidráulica saturada (Ks) para diferentes texturas USDA según diversos modelos y fuentes de información. (Ks en cm h–1) Clase textural (USDA)

Ks (Rawls et al., 1982)

Ks (Clapp y Hornberger, 1978)

Ks (FAO, 1979)

Ks (Rawls et al., 1998)*

Arenosa Franco arenosa Franca Franca limosa Franco arcillosa Arcillo limosa Arcillosa

21,0 2,59 1,32 0,68 0,23 0,09 0,06

29,7 4,41 1,00 0,25 0,26 0,02 0,2

5 (2,5-25) 2,5 (1,3-7,6) 1,3 (0,8-2) nd 0,8 (0,25-1,25) 0,25 (0,03-0,5) 0,05 (0,01-1)

13,5 (9,25-26,2) 2,29 (1,02-6,88) 0,52 (0,28-2,01) 0,77 (0,36-2,29) 0,12 (0,03-0,7) 0,16 (0,05-0,71) 0,19 (0,07-0,68)

* Los valores entre paréntesis son los correspondientes a percentiles del 25 y del 75%.

43

6. PROCESOS Y FLUJOS DEL AGUA EN EL SUELO: INFILTRACIÓN, REDISTRIBUCIÓN Y DRENAJE La infiltración, la redistribución y el drenaje son los procesos que afectarán al balance final del agua en el suelo. Es fundamental entender estos procesos para una gestión adecuada de suelos y aguas. La disponibilidad de agua para las plantas, la eficiencia del riego, y los procesos de erosión son, entre otros, algunos de los aspectos que se ven afectados por la infiltración. La gestión de residuos de cosecha, el laboreo del suelo, la formación de costras en la superficie del suelo, los distintos grados de compactación son algunos de los aspectos prácticos que afectan a la infiltración. 6.1.

INFILTRACIÓN Y SORTIVIDAD

La infiltración es el proceso de entrada de agua en el suelo (SSSA, 2001). La infiltración depende de las condiciones de la superficie del suelo, del contenido de agua y de la conductividad hidráulica del suelo. En condiciones de regadío, la infiltración depende del sistema de riego. Es muy difícil hacer experimentos para observar el tiempo que requiere un suelo para infiltrar una determinada cantidad de agua ya que depende, además del tipo de suelo, de condiciones como la pendiente y la cobertura del suelo, y del contenido inicial de agua en el suelo. Los resultados son muy distintos cuando se hacen experimentos con suelo desnudo o con un cultivo que cubre el suelo completamente. La información que proporciona el conocer la capacidad de infiltrar agua de un suelo permite determinar la aptitud de los suelos para el riego. Así por ejemplo, en riego por aspersión se recomienda no regar suelos que no puedan absorber 0,38 cm h–1 (SCS-USDA, 1983b). La velocidad de infiltración o flujo de entrada de agua en el suelo que es alta al inicio del proceso disminuye con el tiempo hasta un valor casi constante en el caso de que se trate de una infiltración vertical. En la infiltración horizontal la velocidad de infiltración disminuye hasta un valor cero. De forma resumida los factores que afectan a la infiltración son (Hillel, 1998): • Tiempo desde el inicio del riego o de la lluvia. • Contenido inicial de agua en el suelo. • Conductividad hidráulica saturada. • Condiciones de la superficie. • Profundidad del perfil de suelo y presencia de horizontes no homogéneos en cuanto a su textura. Durante el proceso de infiltración, el perfil del contenido de agua en el suelo varía con el tiempo. En general, se puede distinguir un frente de humedad que separa de forma clara la zona húmeda de la zona seca, y que recibe el nombre de zona de transmisión. La conductividad hidráulica no saturada, que depende de forma importante del contenido de agua en el suelo, es muy distinta en ambas zonas y ello favorece que el límite sea muy nítido. En la zona húmeda la conductividad hidráulica puede ser la de saturación. 44

45

140

40

120

35 30

100

25

80

20 60 15 40

10

20

Velocidad de infiltración (mm h–1)

Infiltración acumulada (mm)

160

5

0

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12

Tiempo (horas) Fig. 1.3.

Velocidad de infiltración e infiltración acumulada en función del tiempo.

El flujo vertical se describe como fw = –K

dψm dz

+ kg

[49]

y el flujo horizontal, fw = –K

dψm dx

[50]

La variación del flujo con la profundidad requiere solucionar ecuaciones de tipo diferencial mediante métodos numéricos. El gradiente de potencial hídrico es la fuerza conductora del movimiento del agua en el suelo. El agua se mueve (fluye) de zonas con potenciales altos a zonas con potenciales más bajos y esto se produce en todo el sistema suelo-planta-atmósfera. Al inicio del proceso de infiltración el gradiente dψm/dz es muy grande, si el suelo está seco, lo que favorece el proceso. Si el suelo está húmedo o muy húmedo, el gradiente es menor y la velocidad de infiltración inicial también. Un caso especial en el estudio de la infiltración es la presencia de costra superficial producida por el impacto de las gotas de agua y la desestabilización de la estructura. El análisis de esta situación así como el estudio de la infiltración en perfiles de suelos muy estratificados se encuentra en Hillel (1980). El agua infiltra más rápidamente en suelos de textura gruesa que en suelos de textura fina (mayor contenido en arcilla). Si la cantidad de agua que se va infiltrando (infiltración acumulada) se traza en una gráfica frente a la raíz cuadrada del tiempo, se obtiene una pendiente cuyo valor es la sortividad (S) del suelo. La sortividad (S) para la infiltración horizontal del agua es (Philip, 1957, 1969; Hillel, 1998): 45

S=

I

兹t苶

(m s–1/2)

[51]

I = St1/2

[52]

donde I es la infiltración acumulada (m) y t es el tiempo (s) desde el inicio de la absorción. La sortividad es una medida, con un significado físico, de la capacidad del suelo para absorber agua. En el caso de infiltración vertical se tiene para la infiltración acumulada (I, en mm): I = St1/2 + At

[53]

y para la velocidad de infiltración (i, en mm h–1) instantánea: 1 i= S+A 2t1/2

[54]

El parámetro A varía entre cero (al inicio de la infiltración) y Ks, después de un largo período de infiltración (Elrick y Reynolds, 2002). Para periodos largos de tiempo, i ≅ Ks (conductividad hidráulica saturada) en suelos uniformes. La tabla 1.11 muestra diferentes modelos empíricos propuestos, por orden cronológico, para describir el proceso de infiltración. Una revisión de estas soluciones analíticas puede encontrarse en Hillel (1998). La solución numérica para la infiltración puede estudiarse en Campbell (1985). Tabla 1.11. Modelos empíricos para describir el proceso de infiltración en los suelos Modelo de infiltración

b i = ic + ᎏᎏ (55) I i = Bt–n (56) i = ic + (i0 – ic) e–kt (57) S i = ic + (58) 2兹苶t i = ic + a (M – I)n (59)

Autores

Green y Ampt, 191122 Kostiakov, 193223,24 Horton, 193325, 1940 Philip, 1957 Holtan, 196126

Notación: i es el volumen de agua que entra en el suelo por unidad de superficie y por unidad de tiempo. I representa el volumen de agua infiltrada acumulada en un tiempo t por unidad de superficie. ic es el flujo de infiltración que se alcanza para un valor de tiempo elevado; b, B, n, S, a, M y k son constantes. (Hillel, 1980; 1998). 22

23

24 25

26

46

Green W.H.; Ampt G.A. 1911. Studies on soil physics. The flow of air and water through soils. Journal of Agricultural Science. Vol. 4, 1-24. Kostiakov, A.N. 1932. On the dynamics of the coefficient of water percolation in soils and on the necessity for studying it from a dynamic point of view for purpose of amelioration. Trans. Int. Congr. Soil Sc. J. (A): 17-21. Conocida como ecuación de Kostiakov-Milne (Warrick, 1990) Horton R.E. 1933. The role of infiltration in the hydrologic cycle. Trans American Geophysical Union 14: 440-446. Holtan H.N. 1961. A concept for infiltration estimates in watershed engineering. USDA-ARS Paper n. 41-51.

La infiltración acumulada se puede expresar como la integral de la velocidad de infiltración en el intervalo de tiempo t:

冕 idt; i = dIdt t

I=

0

Ejemplo de cálculo 3. Modelo de Green y Ampt. Un suelo con flujo de infiltración final ic = 12 mm h–1, presenta un flujo o velocidad de infiltración i = 20 mm h–1 cuando la infiltración acumulada es I = 80 mm. ¿Qué velocidad de infiltración se estima para una infiltración acumulada de 320 mm? 640 b 20 = 12 + ᎏ ; b = 640 mm2 h–1; i = 12 + ᎏ = 14 mmh–1 80 320

Según Philip (citado por Hillel, 1980) el modelo de Green-Ampt se aproxima razonablemente a las situaciones reales caracterizadas por un sistema unidimensional con aplicación de agua con presión hidrostática positiva en suelos de textura gruesa, inicialmente seco y libre de complicaciones producidas por bolsas de aire atrapado. La tabla 1.12 muestra valores típicos de infiltraciones finales para distintas clases de textura de suelo. Tabla 1.12. Valores típicos de infiltraciones finales (ic) Tipo de suelo

Arenas Arenosos y limosos Franco Arcillosos Arcillas sódicas

Infiltración final (mm h–1)

>20 10-20 5-10 1-5 <1

(Hillel, 1980).

6.2.

REDISTRIBUCIÓN

Una vez el agua se ha infiltrado en el suelo, se inicia el proceso de redistribución. El concepto de redistribución hace referencia al movimiento del agua desde condiciones próximas a la saturación en la parte superior del perfil de un suelo hacia zonas más profundas y secas dentro del suelo (Campbell y Campbell, 1982). El agua que ha entrado en el suelo se va redistribuyendo por las partes secas del suelo. La redistribución se produce después de un riego o de una pluviosidad elevada. El agua que entra en el suelo se mueve preferentemente de forma vertical, principalmente por efecto de la gravedad y por el gradiente de potencial. En consecuencia, el contenido de agua en el suelo que inicialmente es más alto en los horizontes superficiales, va disminuyendo con el tiempo. La ecuación que describe la variación del contenido de agua en el suelo con el tiempo, es la ecuación diferencial parcial de Richards (Philip, 1969), que en forma unidimensional se expresa de la forma: 47

∂θ ∂t

=–

∂ ∂z

∂ψ

冢K (θ) ∂z 冣 –

∂K(θ) ∂z

[60]

La solución de esta ecuación diferencial parcial requiere la definición de las condiciones iniciales y de las condiciones de contorno de la variable dependiente. La redistribución finalmente determina la cantidad de agua que almacena el suelo y la cantidad de agua que se pierde por percolación profunda más allá de la zona que ocupan las raíces, y que constituye el drenaje. 6.3.

DRENAJE

El movimiento del agua en profundidad, a través del suelo se denomina percolación (SSSA, 2001). El término drenaje se utiliza para describir el flujo del agua del suelo por debajo de la zona radicular. El agua que percola por debajo del perfil del suelo o agua de drenaje contribuye a aumentar la cantidad de agua subterránea. El drenaje en ingeniería de riegos se refiere a eliminar el exceso de agua del suelo, normalmente aumentando la profundidad de la capa freática desde la superficie del suelo mediante la instalación de drenes. La facilidad con la que un suelo es drenado depende de la profundidad de la capa freática, de la conductividad hidráulica saturada, de la profundidad hasta una capa cementada o la roca impermeable, y de la pendiente (SCS-USDA, 1983). Para profundizar en el tema del drenaje agrícola se recomienda la obra de Martínez-Beltrán (1986). El drenaje puede ser un componente muy importante del balance de agua en el suelo en áreas de regadío y en zonas húmedas. En condiciones de secano, en climas áridos, semiáridos y subhúmedos, es una componente que en general no se mide y que puede ser muy variable, desde un valor cero a representar la mitad de la precipitación anual (Gee y Ward, 2002).

7.

BALANCE DE AGUA EN EL SUELO

El conocimiento del estado del agua del suelo es fundamental en la gestión del agua de riego. La disponibilidad de agua para las plantas depende de la cantidad de agua que ha entrado en el suelo y más concretamente en lo que se conoce como zona radicular, donde las raíces de las plantas extraen el agua y los nutrientes que necesita. Una vez el agua ha entrado en el suelo (infiltración) y se ha redistribuido, en la zona radicular quedará disponible una cierta cantidad de agua que será utilizada por las plantas de forma más o menos inmediata, o a largo plazo. El agua en el suelo está sometida a distintas fuerzas que condicionarán su movilidad, siendo la de la gravedad la más importante. Hay que tener en cuenta que cuando el contenido de agua es bajo, el agua ocupa poros muy pequeños y es atraída, aunque débilmente, por la matriz del suelo. Con el tiempo, las fuerzas de la gravedad provocarán que el agua del suelo vaya saliendo de la zona radicular. Si no hubiera un aporte externo de agua a la zona radicular, a largo plazo, el contenido de agua en el suelo tendería a ser prácticamente cero. 48

La finalidad del balance de agua en el suelo es predecir el contenido de agua en la zona de raíces por medio de la ecuación de conservación del agua (Itier, 1996). El balance de agua como metodología se ha utilizado en programación de riegos en sistemas de regadío, y para conocer las disponibilidades de agua según la técnica de cultivo en condiciones de secano. 7.1.

CAPACIDAD DE CAMPO

El concepto de capacidad de campo fue definido por Veihmeyer y Hendrickson (1950) como «la cantidad de agua que queda en el suelo después de que un exceso de agua ha drenado y de que ha disminuido de forma importante el movimiento en profundidad, lo cual tiene lugar entre 2 y 3 días después de una lluvia o del riego en un suelo con textura y estructura uniforme». Aunque a veces, se ha criticado el uso de este concepto, lo que es cierto es que su uso está muy generalizado, y en general hay un cierto consenso en lo que a su conceptualización se refiere. Se estima por el contenido de agua en el suelo que se corresponde con un potencial mátrico de –33 kPa27. En suelos arenosos se utiliza el contenido de agua que se corresponde con un potencial mátrico de –10 kPa. Normalmente se determina en laboratorio con los platos de presión, pero sería más correcto determinar el contenido de agua en el suelo dos días después de lluvias abundantes o de un riego, evitando la evaporación desde la superficie. 7.2.

PUNTO DE MARCHITEZ PERMANENTE

Se estima por el contenido de agua en el suelo a –1.500 kPa28 de potencial mátrico. Es un valor característico y constante para un suelo dado (Hillel, 1998). Por debajo de este límite se considera que las plantas no pueden extraer agua29. La definición y la utilización de este límite inferior para describir la disponibilidad de agua para las plantas son correctas. Sin embargo no se puede utilizar como límite inferior de extracción desde un punto de vista absoluto ya que posiblemente existan plantas que extraen agua del suelo por debajo de este límite. 7.3.

CAPACIDAD DE RETENCIÓN DE AGUA DISPONIBLE

La capacidad de retención de agua disponible (CRAD) se estima como la diferencia entre los contenidos de agua en el suelo a capacidad de campo (CC) y en el punto de marchitez permanente (PMP). Se expresa en mm m–1 o en mm cuando se conoce la profundidad efectiva del suelo (la profundidad efectiva, en ocasiones, se denomina profundidad útil). La capacidad de retención de agua disponible también se denomina intervalo de humedad disponible (IHS). La textura es la que de forma predominante determina la CRAD de los suelos (Saxton et al., 1986). Por este motivo y a nivel orientativo se presenta la tabla 1.13. 27 28 29

–0,033 MPa = –33 kPa ≅ –0,33 bar. –1,5MPa = –1.500 kPa ≅ –15 bar. Originalmente la planta utilizada para los estudios de marchitez fue el girasol y se realizaron en macetas a principios del siglo XX (Briggs y Shantz, 1912). El valor de –1.500 kPa fue establecido en 1943 por Richards y Weaver. Ambas citas son de Loveday (1974).

49

Algunas estrategias de gestión del suelo para mejorar la capacidad de almacenar agua pueden encontrarse en Trout et al. (1990). Tabla 1.13. Valores orientativos de la CRAD para diferentes texturas de suelo (Martin et al., 1990) Textura del suelo

Arenosa gruesa Arenosa fina Arenosa franca Franco arenosa Franco arenosa fina Franco arenosa muy fina Franco arcillosa y arcillosa Franco arcillo limosa y arcillo limosa Franco limosa Turbas y estiércoles

Intervalo (mm/m)

Media (mm/m)

50-70 75-95 90-110 105-125 120-140 130-150 120-180 140-180 160-210 160-250

60 85 100 115 130 140 150 160 185 210

Ejemplo de cálculo 4. Se han determinado dos puntos de la curva característica de humedad de un suelo uniforme, muy profundo y sin pedregosidad θCC = 0,31 m3 m–3 ; θ PMP = 0,14 m3 m–3 La CRAD en mm/m se estima como θ CC – θ PMP = 0,31 – 0,14 = 0,17 m3 m–3 ; equivalente a 170 mm m–1

7.4.

NIVEL DE AGOTAMIENTO PERMISIBLE

Es un porcentaje de la capacidad de retención de agua disponible que se establece como referencia en la programación de riegos. En ocasiones está relacionado con el contenido de agua del suelo por debajo del cual puede afectar al rendimiento o la calidad de la producción. Es la base estratégica para la toma de decisiones en la programación de riegos al afectar a la dosis (cuánto regar) y a la frecuencia (cuándo regar) de los riegos. Ejemplo de cálculo 5. Supongamos que se quiere regar, por aspersión, un cultivo de espinacas (Spinacia oleracea) que tiene una profundidad máxima efectiva de enraizamiento (Zr) de 0,4 m. La altura de agua (d) nos indica la cantidad de agua que almacena el suelo respecto a la profundidad efectiva que exploran las raíces de las plantas cultivadas. El uso de estas unidades es muy práctico, ya que permite la comparación directa con las medidas del agua de lluvia o de la evaporación que normalmente se expresan en alturas de agua. Si el nivel de agotamiento permisible (NAP) es del 30%, la cantidad de agua más fácilmente disponible, en mm, se calcularía de la siguiente manera mm d = 170 ᎏ · 0,4 m = 68 mm; m

30 68 mm · ᎏ = 20,4 mm ≈ 20 mm 100

La condición para regar sería cuando la disminución acumulada de agua en el suelo desde capacidad de campo alcance los 20 mm. Esta cantidad se corresponde con el volumen neto de agua a aplicar y equivale a 200 m3 ha–1.

50

7.5.

SEGUIMIENTO DEL BALANCE DE AGUA EN EL SUELO

El balance de agua en el suelo determina la disponibilidad de agua. El balance de agua puede expresarse de la forma: θi = θi–1 – ET + P + I – D + C ± E

[61]

donde el contenido de agua en el suelo el día i (θi) depende del contenido del día anterior (θi–1), de la evapotranspiración (ET), de la cantidad de agua aportada (lluvia, P, y/o riego (I), de la cantidad de agua perdida por drenaje (D), o aportada por capilaridad (C), y de la cantidad aportada o perdida por escorrentía superficial o subsuperficial (E). Todos los términos de la ecuación se expresan en mm para facilitar los cálculos. Observando la ecuación del balance de agua podemos considerar que las variables que la afectan son las condiciones climáticas, las características del suelo (incluida su posición en el paisaje) y el tipo de cobertura del suelo. La presencia de una capa freática30 cercana a la superficie del suelo (por encima de los 150 cm) puede proporcionar agua por capilaridad, según la textura del suelo, a la zona ocupada por las raíces (C). Simplificando la ecuación, para suelos de secano, el balance de agua queda de la forma: ∆θ + P = ET Para poder despreciar el agua que se pierde por drenaje hay que considerar una determinada profundidad de suelo. Ejemplo de cálculo 6. Un suelo de textura franco arcillosa en una zona de secano, tiene el día 1 un contenido de agua de 125 mm en el primer metro de profundidad. Al cabo de 10 días, el contenido de agua es de 108 mm. Si durante este periodo no se han producido precipitaciones, la evapotranspiración puede estimarse en 17 mm, lo que equivale a una ET promedio de 1,7 mm d–1.

El método del balance de agua en el suelo se ha aplicado por ejemplo como método para la programación de riegos (Stegman, 1982), para estimar el drenaje en áreas con residuos enterrados en el suelo (Gee y Ward, 2002), para estimar la productividad del agua en zonas de secano (Cantero et al., 1995), o para estimar el transporte de contaminantes (Scanlon et al., 1997). El componente drenaje del balance de agua en el suelo es seguramente el que tiene más dificultades de determinar en condiciones de campo. El balance de agua en el suelo se determina con la ayuda de lisímetros. Los lisímetros actuales de más precisión son los denominados de pesada y permiten conocer los componentes del balance de agua con una frecuencia muy baja, por ejemplo cada 15 minutos. 30

La profundidad de la capa o nivel freático se estima en campo realizando en el suelo un agujero con una barrena. Cuando el agua que entra en el agujero llega al equilibrio nos determinará la profundidad del nivel freático. Si se instala un piezómetro (un simple tubo de PVC es suficiente) se obtiene el mismo resultado y se evita que las paredes del agujero se colapsen.

51

8. MÉTODOS DE MEDIDA DEL CONTENIDO DE AGUA EN EL SUELO Para conocer el contenido de agua en el suelo, algunas personas con experiencia utilizan el tacto con las manos. Algunos servicios para la programación de riegos ofrecen información para estimar las disponibilidades de agua en el suelo mediante el tacto con las manos (MAF, 1997). Es un método muy subjetivo y se requiere experiencia práctica. Cualquier otro método de medida y estimación del agua en el suelo requiere de sensores y equipos con un grado de precisión muy diverso y con una gran disparidad de precios. Como introducción al uso de los sensores, cabe destacar que en esta última década, gracias a la disminución de los costes de fabricación de los microprocesadores «microchips», y a los avances tecnológicos en la medida de la constante dieléctrica de los suelos se han desarrollado multitud de nuevos equipos para su uso en la programación de riegos. Además nuevas tecnologías se están investigando como son la utilización de satélites y plataformas aéreas con imágenes con un elevado poder de resolución y el uso de radiómetros de microondas pasivas para automatizar sistemas de riego (puesta en marcha del sistema a partir de un valor umbral o crítico de agua en el suelo (R. Mead31). A la hora de seleccionar un método o un equipo, aparte de establecer la finalidad y objetivos hay que disponer de unas habilidades y conocimientos no siempre disponibles. Charlesworth32 (2000) presenta los distintos niveles de dificultad y habilidades necesarias para el diseño de la instalación, para la instalación en el campo, para la calibración, el mantenimiento, la adquisición de datos y su interpretación. La medida del contenido y del potencial del agua en el suelo es hoy en día un tema que no está resuelto. El objetivo es obtener un método de alta precisión y fiabilidad, cuyo coste permita ser utilizado para aplicaciones agrícolas en parcelas comerciales y que permita su automatización. Precisamente, uno de los problemas actuales es la elevada variabilidad en las medidas de campo para su uso en la programación de riegos. El número de sensores necesarios parta disponer de datos fiables habría de ser superior al que normalmente se encuentra en el campo (Schmitz y Sourell, 2000). 8.1.

MÉTODO GRAVIMÉTRICO

El método se basa en pesar una muestra de suelo húmeda, secarla a 105° C (entre 100 y 110° C) durante unas 24 horas (en realidad es hasta peso constante), volverla a pesar y calcular la pérdida de masa de agua. El contenido de agua se calcula respecto al peso seco. Una excepción importante son los suelos con yeso, ya que parte del agua de los cristales del yeso (CaSO4 · 2H2O) se pierde, produciéndose basanita (CaSO4 · 0,5H2O) (Porta, 1998). El agua de los cristales de yeso representa un 20,9%, y por ello el error que se puede producir es importante. Por este motivo en suelos con yeso se recomienda no pasar de 40-50° C. Se trata de un método de medida directo, muy sencillo y de bajo coste y se considera el método más preciso de medida. Se utiliza para calibrar otras técnicas de medida de agua en el suelo. Se trata de un método destructivo. La principal limitación es el ele31

32

52

Richard Mead. Soil moisture instrumentation: sensors & strategies for the 21st century. http://www.microirrigationforum-com/new/sensors/smi-article.html Publicación disponible en Internet.

vado coste en mano de obra y ello limita tomar medidas con una frecuencia elevada. No se recomienda en aquellos casos en que se necesite obtener medidas del agua del suelo de forma frecuente y en grandes extensiones de suelo. Para su determinación se necesita una barrena, recipientes, un horno o un microondas y una balanza. Para caracterizar un suelo y disminuir el error hace falta medir el contenido de agua en un número suficiente de muestras de suelo. Ejemplo de cálculo 7. Cálculo del contenido de agua en el suelo por el método gravimétrico. Datos

Valores

76 cm3 208,84 g 191,36 g 80,4 g 17,48 g 110,96 g

Volumen muestra de suelo (Vt) Peso de la muestra de suelo con tara Peso seco de la muestra de suelo con tara Tara Masa de agua (Mw) Masa de suelo seco (Ms)

θm =

Mw Ms

=

17,48 110,96 θv =

8.2.

= 0,157 gg–1; ρb =

ρb ρw

Ms Vt

=

110,96

= 1,46 gcm–3

76

θm = 1,46 · 0,157 = 0,23 cm3 cm–3

SONDA DE NEUTRONES

Se han utilizado dos métodos nucleares para medir el agua en el suelo. En este apartado únicamente se describe la sonda de neutrones. El otro método se basa en la atenuación de rayos gamma que emite una fuente de Cesio-137 y se ha empleado en medidas en laboratorio. La sonda de neutrones permite hacer un seguimiento de la variación vertical del contenido de agua en el suelo utilizando tubos de acceso insertados en el suelo, normalmente de aluminio. Se trata de una técnica desarrollada hace más de cincuenta años (Gardner y Kirkham, 1952). La sonda de neutrones se basa en la emisión de neutrones rápidos por una fuente radioactiva, como el Americio-Berilio (241Am-9Be) o el Radio-Berilio (Ra-Be), cuya energía cinética (velocidad) disminuye (termalización) de forma importante cuando colisionan de forma elástica con los átomos de hidrógeno presentes en el suelo (principalmente del agua del suelo). La sonda tiene un detector de Helio que detecta los neutrones cuya velocidad ha disminuido. Se requiere una calibración para cada suelo donde se vayan a realizar medidas del contenido de agua. La calibración se realiza con muestras de suelo cuyo contenido de agua se ha determinado por el método gravimétrico. El equipo no se utiliza para realizar medidas del contenido de agua en horizontes superficiales por el riesgo para la salud que supone, ya que hasta aproximadamente los primeros 30 cm del suelo hay pérdidas importantes de radiación a la atmósfera. 53

La sonda de neutrones se ha utilizado en muchos estudios de campo, tanto en condiciones de secano como de regadío, así como en parcelas comerciales, para estimar el contenido de agua en el perfil del suelo y conocer las extracciones de agua del suelo por las raíces de las plantas. La sonda de neutrones ha sido el equipo más utilizado por consultores de riegos en los años 70 y 80 en EE.UU. y Australia. Por tratarse de material radiactivo cada vez son mayores las restricciones para su uso y éstas dependen de la legislación vigente en cada país. Su uso, en consecuencia, ha ido decreciendo de forma importante.

Fig. 1.4.

Sonda de neutrones.

8.3. MÉTODOS BASADOS EN LA MEDIDA DE LA CONSTANTE DIELÉCTRICA DEL SUELO Un dieléctrico es una sustancia (o material) no conductora de la electricidad, pero que cuando se sitúa entre dos superficies cargadas (de un condensador) no permite un flujo neto de carga eléctrica sino un desplazamiento de la carga (Hillel, 1998). La constante dieléctrica del suelo es una medida de la capacidad de transmitir ondas o pulsos electromagnéticos y está influenciada por el volumen de agua, ya que el agua, a las frecuencias de la radio (Topp, 1993), tiene un valor dieléctrico de 80, mucho mayor que la de los minerales de suelo (entre 4 y 5), la materia orgánica (4) y el aire (1). Se consideran básicamente dos categorías de sensores (Azam-Ali y Mwale, 2003; Charlesworth, 2000): los sensores TDR (Time domain reflectometry) y los sensores FDR (Frequency domain reflectometry), también denominados de capacitancia. 8.3.1. Reflectometría en el dominio del tiempo (Time domain reflectometry) La técnica del TDR (Time Domain Reflectometry) se utiliza para medir el contenido volumétrico de agua en los suelos (θ). El método se basa en la relación entre la constante dieléctrica aparente del suelo (Ka) que mide el TDR y el contenido volumétrico de agua en el suelo (θv). El TDR mide el tiempo que tarda un pulso electromagnético en viajar a través de unos electrodos de metal colocados en el suelo. Como el tiempo de viaje es función de la constante dieléctrica, es posible obtener relaciones lineales entre el citado tiempo y el 54

contenido de agua en el suelo. Los electrodos de metal se pueden instalar de forma vertical u horizontal, pero siempre deben tener un buen contacto con el suelo (Campbell y Mulla, 1990). El volumen de suelo explorado por una sonda TDR se aproxima a un cilindro alrededor de las guías metálicas con un diámetro 1,5 veces la separación entre-guías. Topp et al., (1980) desarrollaron una expresión empírica, que se conoce como ecuación de Topp, que relaciona la constante dieléctrica aparente del suelo (Ka) que mide el TDR y el contenido volumétrico de agua en el suelo (θv): θv = –5,3 · 10–2 + 2,92 · 10–2 Ka – 5,5 · 10–4 Ka2 + 4,3 · 10–6 Ka3

[62]

30

Permisividad (Ka)

25 20 15 10 5 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Contenido de agua (cm3 cm–3)

Fig. 1.5. Relación de Topp entre el contenido de agua en el suelo y los valores de permisividad del TDR.

En determinados tipos de suelos se recomienda establecer curvas de calibración. La influencia de algunas propiedades físicas de los suelos (textura, densidad aparente, contenido en hierro) en las propiedades dieléctricas son todavía objeto de estudio (Heathman et al., 2003).

Fig. 1.6.

Sensores TDR (Cortesía Campbell Sci.).

55

La ecuación de Topp (62) se ha mostrado válida en algunos suelos y se ha considerado, por parte de algunos investigadores, como una ecuación de uso universal para relacionar la constante dieléctrica y el contenido de agua en el suelo. Sin embargo, Azam-ali y Mwale (2003), citando diversas fuentes, ponen en duda el carácter universal y manifiestan la necesidad de calibración especialmente en suelos de texturas finas y en suelos orgánicos. Otra situación donde la ecuación de Topp necesita modificaciones es en suelos volcánicos (Regalado et al., 2003). 8.3.2. Reflectometría en el dominio de la frecuencia (Frequency domain reflectometry): Sensores de capacitancia La técnica basada en la capacitancia, determina la permisividad dieléctrica de un medio, al medir el tiempo de carga de un condensador que utiliza el medio como un dieléctrico. En el suelo, que actúa como dieléctrico, la permisividad eléctrica está directamente relacionada con el contenido de agua. Se hace pasar a través de los electrodos (generalmente dos) una señal eléctrica de alta frecuencia.

Fig. 1.7.

Theta Probe (modelo ML2x) (Cortesía de Delta-T Devices, Cambridge, UK).

Los productos tipo FDR (figs. 1.7 y 1.8) son actualmente la principal área de expansión en lo que se refiere a equipos de medida de agua del suelo (Charlesworth, 2000). Cuando se aplica un voltaje, se puede medir una frecuencia que varía con el dieléctrico del suelo. La relación entre el tiempo (t) que se necesita para cargar un condensador desde un voltaje inicial Vi hasta un voltaje V, cuando se aplica un voltaje Vf viene dado por: V – Vf

t

= e RC

[63]

Vi – Vf donde R es la resistencia y C es la capacidad del condensador. La capacidad del condensador (C) es una función de la permisividad dieléctrica (κ) del medio entre las placas del condensador y puede calcularse a partir de: C=

κA

[64]

S donde A es el área de las placas y S es la separación entre las placas. A y S son valores fijos y el tiempo de carga en el condensador es una función lineal con la permisividad dieléctrica del medio. 56

Se han diseñado equipos como la sonda de perfil PR1 (Delta-T Devices, UK) que permite medir el contenido de agua en el suelo a 10, 20, 30, 40, 60 y 100 cm de profundidad. Sin embargo su grado de precisión para determinar contenidos de agua de forma rutinaria no es muy alto (Azam-Ali y Mwale, 2003).

a)

b)

c)

Fig. 1.8. a) Sonda de perfil PR1 (Cortesía de Delta-T Devices, Cambridge, UK); b) HMS 9000 (Cortesía de SDEC France); c) Sensor de capacitancia para medida del contenido volumétrico de agua en el suelo, ECH2O Dielectric aquameter (Cortesía de Decagon, Pullman, WA, USA).

8.4.

DISIPACIÓN DE CALOR

Esta técnica determina el contenido volumétrico de agua del suelo a partir de medidas de la capacidad térmica volumétrica del suelo. El sensor consiste en un par de agujas de unos 30 mm de largo separadas 6 mm entre ellas. Una de las agujas contiene una resistencia que produce un pulso de calor al calentar una resistencia lineal, mientras que la otra contiene termopares que miden el cambio de temperatura en función del tiempo. Utilizando las ecuaciones de disipación de calor en el suelo descritas por Bristow (1998) y Bristow et al. (1993) se estima el calor específico volumétrico del suelo. Este tipo de sensores son interesantes cuando se quiere medir el contenido de agua en pequeños volúmenes del suelo (cerca de una semilla por ejemplo). 8.5.

RADAR PENETRANTE (GPR)

El método del radar penetrante es una técnica geofísica que utiliza pulsos cortos de ondas electromagnéticas de alta frecuencia (50-1.500 MHz). Se ha utilizado en investigaciones arqueológicas, estudios estratigráficos, minería, entre otras disciplinas, y recientemente se ha visto el interés como aplicación para estimar el contenido volumétrico de agua en el suelo. Grote et al. (2003) han obtenido buenos resultados en un estudio detallado en que se comparaban medidas de GPR (modelo PulseEkko1000 de Sensors & Software33, Inc, Canada) con medidas gravimétricas y de TDR, del contenido de agua en el suelo. La RMSE34 fue de 0,011 para datos obtenidos con la frecuen33 34

www.sensoft.ca (Sensors & Software, Inc, Canada). Root mean square error.

57

cia de 900 MHz y RMSE de 0,017 para 450 MHz. Se considera una técnica no invasiva, rápida y aplicable a grandes áreas.

9. MÉTODOS DE MEDIDA DEL POTENCIAL DEL AGUA EN CAMPO Y EN LABORATORIO La diferencia entre medir contenido de agua en el suelo y potencial del agua en el suelo es importante, ya que el contenido volumétrico de agua en el suelo depende de la densidad aparente. En el caso del potencial del agua en el suelo, la densidad aparente no afecta a su medida. Existen técnicas como la basada en el equilibrio de vapor de una muestra de suelo con una solución salina de potencial osmótico conocido, o el interruptor electro-óptico (Scanlon et al., 2002) que no se describen en este apartado. La descripción de métodos es muy breve y se recomienda utilizar obras más especializadas para una mayor y mejor descripción de los principios de funcionamiento, de la calibración y de los errores de medida, incluso recurrir a los catálogos de productos a los que se puede acceder por internet (ver apartado 14). El agua que retiene el suelo se puede clasificar en tres grupos, según la fuerza de retención, tal como se indica en la tabla 1.14. Cada técnica y/o sensor opera en un determinado intervalo de potencial. En las técnicas de medición de potenciales menores de –0,03 MPa no será tan importante disponer de medidas no alteradas de suelo, ya que la estructura (porosidad y distribución del tamaño de poros) no será la responsable de la retención de agua. En cambio, para la zona más húmeda (entre 0 y –0,03 MPa) se necesitarán muestras no alteradas o medidas in-situ. Tabla 1.14. Relación entre el potencial del agua y el tipo de retención en el suelo Tipos de retención de agua

Intervalo de potencial

Agua retenida por capilaridad en los 0 – (–0,03 MPa) poros Agua adsorbida en la superficie de las (–0,03 MPa) – (–10 MPa) partículas Agua fuertemente retenida asociada a (–10 MPa) – (–1.000 MPa) la estructura de las arcillas

9.1.

Observaciones

La relación θ-ψ depende de la estructura La relación θ-ψ depende de la textura

PLATOS DE PRESIÓN

El método fue desarrollado por L.A. Richards en la década de 1940. El método de los platos de presión ha sido el más utilizado por los laboratorios de suelos de todo el mundo en los últimos cincuenta años para determinar las características de retención de agua de los suelos (Gee et al., 2002). Las placas de presión se utilizan para obtener la curva de desorción de agua para potenciales mátricos entre –10 y –1.500 kPa (figura 1.9). Una presión externa y conocida se aplica a una muestra de suelo húmeda sobre un plato de presión. Esto provoca que el agua del suelo sea extraída a través del plato. Cuando el agua del suelo está en equilibrio con la presión aplicada, el flujo de agua cesa y la presión aplicada se corresponde con el potencial mátrico. Una vez analizados los contenidos de agua en equilibrio para las distintas presiones aplicadas, se puede determinar la curva característica de humedad del suelo. 58

El equipo extractor con los correspondientes platos de presión se utiliza con muestras tamizadas a 2 mm y con muestras no alteradas (Topp et al., 1993). Algunas de las referencias de interés sobre procedimiento del método son las de Richards (1965) y Klute (1986). La dificultad de equilibrar las presiones a –1.500 kPa (–1,5 MPa) está demostrada, entre otros, en el trabajo de Gee et al. (2002). Hay extractores comerciales que operan en el intervalo 0 a –100 kPa, de 0 a –500 kPa, y de 0 a –1.500 kPa. Existen equipos que operan a presiones muy altas de hasta –10.000 kPa.

Fig. 1.9.

9.2.

Placas de presión (placas Richards).

TENSIÓMETRO

El tensiómetro consiste en un tubo impermeable al agua que en el extremo inferior dispone de una cápsula cerámica permeable y en la parte superior suele disponer de un pequeño receptáculo por donde se añade el agua y de un indicador de vacío o vacuómetro donde se realizan las lecturas de presión. El tensiómetro permite que la solución del suelo se equilibre con el agua que contiene en su interior a través de la cápsula de cerámica permeable en contacto con el suelo. La disminución del contenido de agua en el suelo provoca una cierta tensión que extrae el agua del tensiómetro. El indicador de vacío indica el potencial en la condición de equilibrio. Al tensiómetro no le afecta el potencial osmótico de la solución del suelo y mide únicamente el potencial mátrico. Sin embargo su limitación es el intervalo de potenciales en el que es operativo y que va desde condiciones de saturación (0 J kg–1) hasta los –70 J kg–1 (kPa)35 aproximadamente y según modelo comercial. Se requiere conocer la curva característica de humedad para estimar el contenido de agua en el suelo. Requieren de un mantenimiento moderado ya que hay que ir rellenando los tensiómetros y evitar las burbujas de aire. La instalación de tensiómetros 35

El intervalo llega hasta –75 o –85 kPa según casas comerciales.

59

tiene una complejidad moderada. Hay que buscar la representatividad y un buen contacto entre la cápsula cerámica permeable y el suelo. El tensiómetro es uno de los instrumentos más utilizados para medir potenciales altos de agua en el suelo y son numerosas las empresas que los fabrican. La principal aplicación es para la programación de riegos de los cultivos con sistemas de riego de alta frecuencia. También se utilizan en invernaderos y en campos de golf. No es muy útil en viña, ya que según Charlesworth (2000) se recomienda llegar a –200 kPa para producir un buen vino de calidad. Actualmente hay gran variedad de tensiómetros con aplicaciones cada vez más diversas. Por ejemplo para controlar la profundidad de la capa freática (midiendo presiones de hasta 100 kPa) (Delta-T Devices, Ltd.). Existen tensiómetros adaptados para realizar medidas automatizadas, para utilizar en substratos sin suelo, y para realizar medidas a profundidades superiores a los 2 m, entre otras aplicaciones.

Fig. 1.10.

9.3.

Detalle de tensiómetro (cortesía de Irrometer Company, Inc., Riverside, California).

RESISTENCIA ELÉCTRICA

El sensor consiste en dos electrodos inmersos en un bloque de material poroso que se entierra en el suelo. Se basa en el equilibrio que se establece entre la resistencia eléctrica de un material poroso y el potencial del agua en el suelo (Hillel, 1998). 9.3.1.

Sensores de bloques de yeso

Uno de los materiales porosos más utilizados ha sido el yeso. El profesor G. Bouyoucos de la Universidad del Estado de Michigan desarrolló el método de los sensores basados en la resistencia eléctrica (Bouyoucos y Mick, 1940). El bloque de yeso se pone en contacto con el suelo y se equilibran los potenciales de agua. La resistencia eléctrica aumenta cuando el bloque de yeso tiene un potencial menor (menor contenido de agua en el suelo, es decir conforme el bloque se va secando). Con el tiempo el yeso se va disolviendo afectando a su porosidad interna y el contacto con el suelo. Tiene una precisión limitada. En suelos salinos, indica potenciales de agua inferiores (contenidos de agua superiores) a los realmente existentes. El intervalo de medidas en los bloques de yeso se encuentra entre –30 kPa y –1.000 kPa (Scanlon et al., 2002). Un aspecto que influye en la resistencia de los bloques de yeso es la temperatura del suelo. Por ello se recomienda registrar temperaturas del suelo junto a los bloques de yeso instalados y realizar las correspondientes correcciones. Los bloques de yeso se comercializan con una curva estándar que relaciona la resistencia en ohms que se mide con un puente de Wheatstone y el potencial del agua en el suelo, sin embargo se requiere realizar una calibración tal como sugiere Dela (2001). 60

Fig. 1.11.

9.3.2.

Bloques de yeso (cortesía de Delmhorst Instrument Co.).

Sensores de matriz granular

Los bloques de resistencia eléctrica de nueva generación se han desarrollado bajo el nombre comercial de Watermark® y se utilizan en programación de riegos (Eldredge et al., 1993). Estos sensores miden la resistencia eléctrica a una corriente que fluye entre dos electrodos inmersos en un material como la arena fina rodeada por un material poroso sintético. Los bloques deben mantener un buen contacto con el suelo. A mayor contenido de agua en el suelo la resistencia es menor. No requieren mantenimiento periódico durante el período de riegos y permiten la automatización del riego, al poder utilizar un programador de riegos para poner en funcionamiento un equipo de riego para un nivel de potencial del agua en el suelo alcanzado (Eldredge et al., 1993). Los sensores también se degradan con el tiempo.

Fig. 1.12.

Sensor de matriz granular (cortesía de Irrometer Company, Inc, Riverside, California).

9.4. SENSORES DE DISIPACIÓN DE CALOR (CONDUCTIVIDAD TÉRMICA) La tasa de disipación de calor en el suelo permite medir el potencial del agua del suelo. El método consiste en un bloque de cerámica poroso que incluye un calefactor y un termómetro. El bloque se inserta en el suelo a cualquier profundidad y debe dejarse un tiempo para alcanzar el equilibrio. La disipación rápida de calor indica que el potencial del agua en el suelo es bajo y que hay un elevado contenido de agua en el suelo. Este tipo de sensor tiene mayor precisión que los bloques de yeso, y pierden precisión al disminuir el potencial del agua en el suelo. 61

El intervalo de medida se encuentra entre –10 kPa y –1.000 kPa. Por debajo de –1.000 kPa se pierde precisión ya que el sensor es menos sensible a los cambios de presión (Scanlon et al., 2002).

Fig. 1.13.

Sensor de disipación de calor (Modelo 229L, CSI, Inc, Logan UT, USA).

9.5. INSTRUMENTOS QUE MIDEN EL POTENCIAL DEL AGUA EN EL SUELO BASÁNDOSE EN LA ECUACIÓN DE KELVIN El potencial de la muestra de suelo está relacionado con la humedad relativa por la ecuación de Kelvin. La humedad relativa de la superficie evaporante (fase vapor) se relaciona con el potencial hídrico en la superficie de la muestra (fase líquida) en equilibrio de la siguiente forma, hr = exp

冢

Mwψ RT

冣

[65]

conocida como ecuación de Kelvin. Esta relación deriva de la primera ley de la termodinámica y de la ley de los gases perfectos. Para cualquier humedad atmosférica, se puede calcular el potencial del agua en el suelo (o en otras superficies) en equilibrio con esta humedad. Este es el principio de medida del psicrómetro de termopar y del potenciómetro de punto de rocío. La relación entre el potencial hídrico (ψ) y la humedad relativa (hr) queda de la siguiente forma: ψ=

RT Mw

ln hr

[66]

R = es la constante de los gases (8,3143 Jmol–1 K–1). T = es la temperatura Kelvin (° C + 273,16). Mw = es la masa molecular del agua (0,018015 kg mol–1). hr = es la humedad relativa (en tanto por uno). La humedad relativa se calcula a partir de medidas de temperatura. Para potenciales en el intervalo de agua disponible para las plantas, las pequeñas variaciones de humedad relativa se determinan con pequeñas variaciones de temperatura tal como se puede observar en la tabla 1.15. 62

Tabla 1.15. Relación entre humedad relativa y potencial mátrico Potencial mátrico (kPa)

Humedad relativa

Temperatura de rocío36 para T = 20° C

–10 –33 –100 –500 –1.000 –1.500 –2.000 –20.000 –60.000

0,99992609 0,99975613 0,99926117 0,99631131 0,99263624 0,98897471 0,9853267 0,86258617 0,64181147

4,111 4,108 4,101 4,059 4,007 3,955 3,902 2,025 –2,045

9.5.1.

Psicrómetro de termopar

El psicrómetro de termopar mide la humedad relativa del aire en equilibrio con una muestra de suelo. Es un método bastante preciso para medir el potencial mátrico y osmótico del agua en el suelo. Existen equipos de laboratorio y para medida en campo. Una revisión detallada del método puede encontrarse en Andraski y Scanlon (2002).

Fig. 1.14. Psicrómetro de termopar (Modelo C-52; Cortesía de Wescor, Inc.).

9.5.2.

Potenciómetro de punto de rocío

El potenciómetro de punto de rocío utiliza la técnica de medir el punto de rocío en un espejo enfriado previamente. El equipoWP4® (WP4-T) desarrollado por Decagon (Decagon Devices inc., Pullman, WA, USA) (figura 1.15) mide el potencial de las muestras de suelo con bastante precisión (± 0,1 MPa). La técnica de medida consiste en enfriar un espejo (por efecto Peltier) que hay en el interior del bloque de medida hasta que una célula fotoeléctrica detecta la formación de rocío. En ese momento, un termistor mide la temperatura del espejo (que es la temperatura de rocío) y un sensor de infrarrojos mide la temperatura de la muestra de suelo. El tiempo de medida es inferior a los 5 minutos.

36

ea 240,97 ln ᎏᎏ 0,611 Se ha calculado con la expresión: Td = ᎏᎏᎏ ; ea = hr · es (T = 20) ea 17,502 – ln ᎏᎏ 0,611

63

El potenciómetro de punto de rocío WP4 permite generar una curva característica de humedad. Además permite medir el potencial hídrico de las hojas.

Fig. 1.15.

9.6.

Potenciómetro de punto de rocío WP4-T (Decagon Devices inc., Pulman WA, USA).

TÉCNICA DEL PAPEL DE FILTRO

Se basa en obtener el equilibrio de un papel de filtro (el más utilizado es el papel de filtro Whatman n. 42, Fischer Scientific, Pittsburgh, PA, USA) con el potencial mátrico del agua en el suelo. El método se basa en que la muestra de suelo intercambiará agua con el papel de filtro en contacto hasta que el potencial mátrico de ambos se equilibre. El tiempo de equilibrio es de unos seis-siete días, y una vez pasado este tiempo se retira y se pesa. Es un método sencillo y económico para determinar el potencial mátrico del agua en el suelo, siempre que los cambios sean muy lentos. Permite obtener lecturas entre –0,05 y –0,1 MPa. El procedimiento de medida, las fuentes de error y el procedimiento de calibración están descritos con detalle en Scanlon et al. (2002). 9.7. MÉTODO QUE COMBINA INSTRUMENTOS TDR/FD CON SENSORES DE MEDIDA DEL POTENCIAL MÁTRICO Seguramente son los equipos más recientes para medir el potencial del agua en el suelo. El potencial del agua en el suelo se mide combinando un instrumento que mida el contenido de agua de la matriz del material en contacto con el suelo basado en el TDR (Time domain reflectometry) o el FD (Frecuency domain) cuya función de retención de agua se ha determinado previamente (Scanlon et al., 2002). Un ejemplo es el equitensiómetro (Delta-T Devices37, 2003). El potencial mátrico del material poroso se equilibra con el potencial mátrico del agua en el suelo. El cambio en el contenido de agua del material poroso se detecta con la sonda FD. El intervalo de medida del equitensiómetro se encuentra entre –10 kPa y –1.000 kPa, con mayor precisión en el intervalo entre –100 kPa y –1.000 kPa (Scanlon et al., 2002). Se suministran con una calibración de fábrica. 37

64

Delta-T Devices Ltd, Cambridge, England www.delta-t.co.uk

Tabla 1.16. Métodos de medida del contenido y del potencial del agua en el suelo Instrumento

Intervalo de medida

CONTENIDO DE AGUA EN EL SUELO Método 0 a 100% gravimétrico saturación

Sonda de neutrones 0 a 100% saturación

TDR

0 a 100% saturación

Sensores de capacitancia

0 a 100% saturación

POTENCIAL DEL AGUA EN EL SUELO 0 a –85 kPa Tensiómetro

Ventajas

Precisión elevada Fácil de realizar Interesante en muestreos poco frecuentes en suelos uniformes Equipo de bajo coste Excepto en el horizonte superficial, tiene una elevada precisión Fácil de utilizar Permite medidas no destructivas en el mismo punto Ideal para experimentos a largo plazo Poco sensible a la temperatura y a la salinidad Permite medidas no destructivas en el mismo punto Rapidez en la medida y facilidad de uso Más baratos que el TDR y más sencillos de fabricar. Mejor resolución que el TDR.

Necesita mucha mano de obra No permite medidas continuas Método destructivo No es adecuado en suelos pedregosos

Bastante precisos si se instalan correctamente Fáciles de instalar Bajo coste No están afectados por la salinidad No necesitan calibración para cada tipo de suelo Permite determinar la curva característica de humedad con bastante precisión hasta –500 kPa. Permite determinar varias muestras de suelo a la vez

No es adecuado para medir potenciales por debajo de –85 kPa, lo que limita el equipo a suelos de regadío con riegos más o menos frecuentes Elevado mantenimiento Medidas de laboratorio Por debajo de –500 kPa la precisión disminuye bastante. Se trabaja principalmente con muestras alteradas Intervalo de medidas limitado a potenciales altos Coste un poco elevado Requiere calibración individual No apto en suelos salinos Necesita calibración en el lugar de medida para una mayor precisión

Platos de presión

0 a –500 kPa

Conductividad térmica

–10 kPa a –1.000 Fácil instalación Se puede utilizar en programación de riegos kPa No le afecta la salinidad

Resistencia eléctrica

Bloques de yeso –10 a –1.000 kPa Sensores de matriz granular –10 a –200 kPa A partir de –100 kPa

Psicrómetro de termopar/ Potenciómetro punto de rocío Papel de filtro

–50 a –100 kPa

Limitaciones

Se puede utilizar en programación de riegos Bajo coste Fácil instalación y automatización Fácil de utilizar Curva característica de humedad Mide potencial mátrico y osmótico Medida rápida Permite medidas en campo (si la temperatura se mantiene constante) y en laboratorio Muy bajo coste Sencillo y preciso

Riesgo radiactivo Difícil de automatizar Coste elevado Según la legislación vigente en cada país Coste elevado Según la disposición de los electrodos en el suelo Suelos pedregosos Más sensible a la salinidad y a la temperatura que el TDR

Baja precisión en suelos con un contenido alto de agua en el suelo Equipo muy sofisticado Coste elevado Se necesita tiempo para alcanzar el equilibrio, por ello su interés se limita a condiciones con pocos cambios. No apto para programación de riegos No permite la automatización

(Partiendo de Campbell y Mulla, 1990 y Azam-Ali y Mwale, 2003).

65

10.

MÉTODOS DE MEDIDA DE LA INFILTRACIÓN

El instrumento para medir el volumen o el flujo de agua que entra en el suelo se denomina infiltrómetro (SSSA, 2001). Existen distintos tipos de infiltrómetros para medir el agua infiltrada en función del tiempo. Básicamente, cada dispositivo intenta reproducir una situación real definida por la geometría de la superficie inundada (riego por superficie o por surcos), condiciones de superficie (inundación, precipitación o riego localizado), condiciones del suelo, temperatura y calidad del agua, etc. 10.1.

INFILTRÓMETRO DE DOBLE ANILLO

El infiltrómetro de doble anillo también se conoce como método del infiltrómetro de Müntz. Es un instrumento que se ha utilizado tradicionalmente en las transformaciones de secano a regadío con riegos de superficie. Los datos de infiltración obtenidos con un infiltrómetro de doble anillo no es correcto utilizarlos para predecir la infiltración en un sistema de riego por surcos o si el agua llega a la superficie del suelo en forma de lluvia o riego por aspersión (Bouwer, 1986). En las transformaciones actuales con riegos a presión (aspersión y localizado) no tiene demasiada utilidad. Consiste en dos cilindros (o anillos) metálicos concéntricos que se clavan unos centímetros en la superficie del suelo y se inundan con agua. A medida que el agua se va infiltrando en el suelo se van tomando medidas simultáneas de volumen infiltrado y tiempo, normalmente hasta que la velocidad de infiltración es constante. En estas condiciones se tiene una estimación de la conductividad hidráulica saturada. El método permite estimar los parámetros de las ecuaciones para la infiltración de Kostiakov y de Philip. La altura de agua dentro del cilindro puede mantenerse constante o no, como variantes del método. Esta técnica asume que el flujo de agua debajo del cilindro interior es únicamente vertical, o lo que es lo mismo, que el flujo lateral divergente por debajo del infiltrómetro es negligible. El flujo lateral se reduce al inundar el cilindro exterior y mojar la parte de suelo alrededor del volumen estudiado. Igualmente, al aumentar el diámetro del cilindro se aumenta la superficie inundada y también se reduce el flujo lateral. Según Bouwer (1986), los discos tendrían que tener un diámetro > 1 m. Los factores de variabilidad que hay que tener en cuenta son: • La vegetación superficial. • La compactación y existencia de horizontes con permeabilidades contrastadas (La velocidad de infiltración estará controlada por el horizonte menos permeable). • El contenido inicial de agua del suelo. Algunos sistemas donde se puede aplicar este método son (adaptado de Bouwer, 1986): • El riego por inundación de superficie. • Estimación de pérdidas en canales y balsas. • Evaluación de la efectividad de algunos tratamientos (compactación de tierras, etc.) para reducir la infiltración y el lixiviado. 66

Fig. 1.16.

10.2.

Infiltrómetro de doble anillo (cortesía de Rickly Hidrological Company).

INFILTRÓMETRO DE TENSIÓN

El método permite determinaciones en campo, en la zona no saturada, de medidas de la infiltración (i) y de la conductividad hidráulica saturada de campo (Kfs). Por este motivo esta descripción sucinta del método podría incluirse también en el apartado de medida de la conductividad hidráulica. El contacto con el suelo es a través de un plato o membrana porosa a la cual se le aplica una presión de agua negativa y constante (Reynolds, 1993c). Para determinaciones aproximadas de la infiltración y de la conductividad hidráulica se utilizan infiltrómetros de disco de pequeño tamaño (se denominan infiltrómetros de minidisco). Zhang (1997) demostró que valores obtenidos de sortividad y de conductividad hidráulica, con infiltrómetros de disco de 0,035 m, 0,10 m, 0,152 m y 0,196 m y con diferentes tensiones de los infiltrómetros (de 0 a –0,25 m), se ajustan de forma excelente con los modelos teóricos, aunque propuso el uso del método para suelos homogéneos. La teoría38 se basa en medir como varía la infiltración acumulada (I) con el tiempo (t) y se ajusta con la ecuación: I = (C1t + C2兹t苶)

Fig. 1.17. 38

[68]

Infiltrómetros minidisco de tensión (cortesía de Decagon Devices, Inc.)

Catálogo de «mini-disk infiltrometers. Decagon Devices, Inc.»).

67

La conductividad hidráulica se calcula a partir de K=

A=

A=

C1

[69]

A

11,65 (n0,1 –1) exp [2,92 (n – 1,9) αh] (αro)0,91 11,65 (n0,1 –1) exp [7,5 (n – 1,9) αh] (αro)0,91

n ≥ 1,9

[70]

n ≥ 1,9

[71]

donde n y α son los parámetros de van Genuchten, ro es el radio del disco y h es la succión en la superficie del disco. Los datos de infiltración obtenidos con el infiltrómetro de minidisco pueden aplicarse a otros modelos distintos al de Zhang como han demostrado (Ruiz Sinoga et al., 2003). Otros tipos de infiltrómetros que permiten determinar la velocidad de infiltración son: • Infiltrómetros de aspersión39: simulan el efecto creado por la lluvia o el riego por aspersión (Peterson y Bubenzer, 1986). • Infiltrómetros para riego superficial en surcos (Kincaid, 1986). • El infiltrómetro de altura variable de Philip-Dunne (también descrito como permeámetro) se ha utilizado para estimar la conductividad hidráulica saturada (Ks) y la sortividad, dos de los parámetros relevantes en el estudio de la zona no saturada del suelo (Regalado et al., 2003).

11.

MÉTODOS DE MEDIDA DEL DRENAJE

La medida directa o indirecta, en campo o laboratorio consiste en la cuantificación de la densidad de flujo de agua (kg agua m–2 s–1) a través de un medio poroso como es el suelo. Es la medida de un flujo y no de una variable estado, como sería el contenido de agua. A partir de la densidad de flujo de agua se puede calcular el flujo de agua acumulado en el tiempo, a una profundidad determinada. Este caso sería el drenaje acumulado en el tiempo a una profundidad determinada (kg agua m–2). En experimentos de laboratorio se puede determinar el flujo de agua midiendo la cantidad de efluente que percola a través de una columna de suelo en función del tiempo. En campo, las técnicas para medir el flujo de agua tienen serias limitaciones (Wagenet, 1986). Los métodos indirectos se basan en cálculos matemáticos a partir de medidas de contenido de agua en el perfil del suelo, ya sea a través de soluciones numéricas de ecuaciones diferenciales derivadas de la Ley de Darcy, o en base al balance de agua en el perfil del suelo (Wagenet, 1986). En ambos casos, la incapacidad de comparar los resultados analíticos con datos experimentales y la incertidumbre en la 39

68

Se recomienda buscar «Cornell Sprinkle Infiltrometer» en Internet.

estimación de ciertos parámetros (por ejemplo, la conductividad hidráulica) o de ciertos componentes del balance de agua (por ejemplo, la evapotranspiración), hacen que estos métodos se deban usar con precaución. En cuanto a los métodos directos en campo, el principal problema es la complicación y el coste de algunos de los sistemas (lisímetros gravimétricos), la destrucción de la estructura y los flujos preferenciales de agua al instalar los sistemas y la gran variabilidad espacial de los procesos que afectan el movimiento de agua en el suelo. Debido a esto, hay que ser muy cauto a la hora de extrapolar medidas puntuales. Hay dos tipos de lisímetro de succión (tensión): los de tensión cero y los de tensión fija. Los lisímetros de succión se utilizan para obtener muestras concretas del agua a una determinada profundidad. En este caso, no se pueden calcular ni densidades de flujo ni volúmenes acumulados, únicamente se obtendría una muestra para el análisis posterior de la concentración de solutos (sales, pesticidas, etc.). Multiplicando esta concentración por un flujo estimado de agua, se puede tener una estimación del flujo de solutos transportado. Los lisímetros de succión colectan el agua retenida por el suelo en condiciones de nosaturación. Al ejercer un vacío (tensión), el agua contenida en los poros del suelo entra dentro del lisímetro atravesando una membrana porosa y finalmente almacenándose en un depósito exterior. Condiciones de uso: mejor en suelos húmedos (con ψ > –500 kPa) o debajo de la capa freática (en saturación). Uno de los problemas de los lisímetros se produce en la zona de contacto entre el suelo y el propio lisímetro. Para mantener un equilibrio entre la tensión o succión del lisímetro y el potencial mátrico del suelo se han diseñado lisímetros de tensión en equilibrio (ETL: Equilibrium Tension Lysimeter Systems) (Brye et al., 1999). La succión se mantiene en el lisímetro con los valores que proporciona otro sistema de medida del potencial hídrico del agua en el suelo instalado en las inmediaciones del lisímetro. Para determinar de forma continua el agua de drenaje por debajo de la zona radicular, y por encima de la capa freática, se ha diseñado el lisímetro de capilaridad pasiva Gee (Decagon Devices, Inc.). Se trata de un dispositivo automatizado, de relativamente fácil instalación y dispone de un dispositivo para recogida de muestras de agua de drenaje para su posterior análisis.

12. MÉTODOS DE MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA La medida de la conductividad hidráulica del suelo es necesaria, entre otras aplicaciones, para el diseño de proyectos de drenaje. Desde este punto de vista las medidas obtenidas en laboratorio, con muestras de suelos alteradas o inalteradas, no son fiables y tienen un valor relativo que únicamente sirve para establecer comparaciones entre suelos e identificar suelos anisotrópicos40 (FAO, 1985). 40

Un suelo anisotrópico es aquel suelo que no tiene las mismas propiedades físicas cuando cambia la dirección de la medida. En general se utiliza en referencia a los cambios de permeabilidad con la dirección de medida (SSSA, 2001).

69

Normalmente se basan en la medida del volumen de agua infiltrado en función del tiempo, con el posterior ajuste de una ecuación más o menos empírica, para obtener la K que se ajuste mejor. 12.1.

CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA SATURADA

Si el flujo y la conductividad son constantes, la ecuación de Darcy puede expresarse de la siguiente forma: Jw = –Ks

∆ψ ∆z

[72]

Si en una columna de longitud conocida se mantiene una caída de presión constante, y se mide el flujo, se puede obtener una estimación de la conductividad hidráulica saturada (Ks). Hay muchas publicaciones con estudios comparativos del comportamiento de distintos métodos de medida de la conductividad hidráulica en campo. Mohanty et al. (1994) compara cuatro métodos de campo (el permeámetro de Guelph, el permeámetro de velocidad, el permeámetro de disco y el permeámetro de doble cilindro sobre un agujero) y un método de laboratorio (el permeámetro de presión constante). En los experimentos de Mohanty et al. (1994), se observa una alta variabilidad entre métodos y entre medidas. Los valores más bajos se obtuvieron con el permeámetro de Guelph. 12.1.1.

Métodos de campo

Los métodos de campo de medida de la conductividad hidráulica saturada pueden realizarse en el suelo en condiciones no saturadas (por ausencia de capa freática o por encima del nivel freático) o en condiciones de saturación por debajo del nivel freático. En condiciones no saturadas, las medidas pueden realizarse desde la superficie del suelo con un infiltrómetro, o realizando un agujero en el suelo con la ayuda de una barrena, a distintas profundidades, caracterizando distintos horizontes. En condiciones de saturación Cuando la capa freática está presente puede introducirse un piezómetro41 y extraer agua del mismo con la ayuda de una bomba. La velocidad con que se vuelve a llenar se mide en función del tiempo. Si no se coloca ningún piezómetro (método de la barrena) la entrada de agua al agujero es por su parte inferior y por las paredes laterales del mismo. En condiciones de no saturación Se utiliza en suelos con ausencia de capa freática o realizando medidas muy por encima de ella. La altura del agua puede ser constante (como en el permeámetro de Guelph) o no (como en el método Porchet). Los sistemas con carga constante disponen de un dispositivo tipo vaso de Mariotte que permite alimentar con agua la zona de infiltración y que permite mantener la altura de agua y a partir de las cantidades de agua añadidas se calcula el caudal de infiltración. 41

70

Un simple tubo de PVC puede servir, aunque existen piezómetros más sofisticados.

Piezómetro Superficie del suelo

Nivel freático

Entrada de agua

Fig. 1.18.

Esquema de piezómetro.

Método del Permeámetro Guelph 42 La conductividad hidráulica saturada (Ks) del suelo se puede medir en campo con un equipo portátil, manejable fácilmente por una sola persona. El permeámetro Guelph y sus distintas variantes43 fueron desarrollados por el Dr. David Elrick44 de la Universidad de Guelph. Se utiliza para medidas superficiales (entre 15 y 75 cm según el fabricante), aunque pueden realizarse medidas hasta los 3 metros con el uso de accesorios. Los principios de funcionamiento y el procedimiento de medida en campo se describen con precisión en Reynolds (1993b). Entre las ventajas del método destacan la brevedad de la duración del ensayo (una media hora) y la poca cantidad de agua que se necesita. Un ejemplo de hoja de cálculo para el permeámetro de Guelph que permite estimar la conductividad hidráulica (Kfs) puede consultarse en la página de Internet (www.ces.clemson.edu/geology/murdoch/lm/documents).

Fig. 1.19. 42 43 44

Permeámetro de Guelph (cortesía de Soilmoisture Equipment Corp.).

Comercializado por Soilmoisture Equipment Corporation, CA, EE.UU. «Well Permeameter», «Pressure Infiltrometer» «Tension Infiltrometer». Department of Land Resource Science, University of Guelph, Guelph, Ontario, N1G 2W1, CANADA.

71

Método del infiltrómetro de presión El método también se conoce como método del infiltrómetro de presión Guelph45 (Reynolds, 1993b). Se inserta un único anillo a una pequeña profundidad (entre 3 y 5 cm) en el suelo. El sistema de media es el mismo que con el permeámetro de Guelph. La diferencia está en que la medida se realiza en la superficie del suelo. El intervalo de medidas de Kfs va de 0,05 cm s–1 hasta 0,0000001 cm s–1. El tiempo hasta que se alcanza flujo estacionario depende del tipo de suelo y del diámetro del anillo (entre 10 y 20 cm).

Fig. 1.20. Infiltrómetro de presión. (Cortesía de Soil Measurement Systems, Tucson, Arizona).

Método de Porchet En ausencia de la capa freática o por encima de ella se puede utilizar este sencillo método de campo. El método de la barrena inverso o método de Porchet (Porchet y Laferrere, 1935) se realiza en condiciones no saturadas con una infiltración de agua con carga variable. Se realiza un agujero cilíndrico de radio R (cm) en el suelo hasta una profundidad determinada y se añade agua. Se mide la variación del nivel de agua en función del tiempo (s). El agujero se realiza hasta el horizonte que se quiere caracterizar. El área de la parte inferior del agujero es πR2 y la porción sumergida en el agua de las paredes del agujero es 2πRz. La infiltración a través del fondo y de las paredes es: Q = – Ks (πR2 + 2πRz) Q = πR2

dψ dz

dz

[73]

[74]

dt

Para gradiente unitario (dψ/dz = 1), queda: dz dt

=

2K R

冢z + 2 冣 R

[75]

despejando K e integrando se obtiene la ecuación que permite obtener la K (en cms–1) con medidas de campo en dos momentos distintos t2 y t1. 45

72

Guelph Tension Infiltrometer Model 2825/2825K1.

冢

冣

冢

冣

R R R ln z1 + ᎏᎏ – ln z2 + ᎏᎏ z1 + ᎏᎏ R 2 2 2 K = R ᎏᎏᎏᎏ = ᎏᎏ ln ᎏᎏ [76] 2 (t2 – t1) R 2 (t2 – t1) z2 + ᎏᎏ 2 El método ofrece un valor aproximado de conductividad hidráulica de campo (Kfs) y puede dar errores con un factor de 2 a 10 (Elrick y Reynolds, 2002). Es importante realizar las medidas en el suelo cuando está prácticamente saturado.

Z1

Z2

2R

Fig. 1.21.

12.1.2.

Esquema del método Porchet.

Métodos de laboratorio

Permeámetros de carga o presión constante El método se basa en tomar una muestra de suelo, saturarla y calcular el flujo de agua a su través a un ritmo constante bajo un gradiente de presión constante. Un esquema del aparato y del procedimiento de medida y de cálculo se describe en Reynolds (1993a). El cilindro que contiene el suelo tiene unas dimensiones de 7,62 cm de diámetro interior y 7,62 cm de altura. Permeámetros de carga o presión variable Las dimensiones del cilindro con la muestra de suelo y la preparación de la muestra son las mismas que en el permeámetro de carga constante. La diferencia está en el dispositivo que aplica la presión o carga de agua sobre la muestra. En este caso el agua fluye a través de la muestra de suelo bajo una caída de presión de agua, tal como describe Reynolds (1993a). Un esquema del aparato, del procedimiento de medida y de los cálculos se presenta en el capítulo del libro citado. 73

12.2.

CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA NO SATURADA

Se han desarrollado métodos de laboratorio para medir la conductividad hidráulica no saturada, pero todavía son muy costosos en tiempo y recursos. La medida de la conductividad hidráulica en el campo también es muy dificultosa y requiere mucho tiempo. Para determinar la conductividad hidráulica no saturada a partir de medidas de la infiltración en condiciones de no saturación se han utilizado infiltrómetros de tensión (apartado 10.2) (Ankeny et al., 1991) que no se describen en este apartado. Por este motivo se han desarrollado métodos para estimar la conductividad hidráulica no saturada a partir de ecuaciones empíricas (por ejemplo conociendo la textura y el contenido en materia orgánica). También se han obtenido expresiones analíticas de la conductividad hidráulica no saturada que se basan en datos de la curva de desorción y de la distribución del tamaño de poros (de Jong, 1993).

13. ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES HIDRÁULICAS A PARTIR DE OTRAS PROPIEDADES DEL SUELO: FUNCIONES DE EDAFO-TRANSFERENCIA La información que proporciona un mapa de suelos, en general, no permite conocer con detalle todas las propiedades de los suelos y su variabilidad espacial. Los modelos para inferir, a partir de variables de fácil obtención, variables cuya determinación es muy costosa, se denominan funciones de transferencia y tienen una base estadística. Las funciones de edafo-transferencia (FETs) son ecuaciones empíricas, obtenidas con técnicas de regresión, que relacionan propiedades físicas básicas del suelo (variables independientes) con propiedades hidráulicas (variables dependientes) (Bouma, 1989 citado por Martínez-Fernández y Ceballos, 2001). Según Martínez-Fernández y Ceballos (2001), las propiedades básicas del suelo utilizadas como parámetros de entrada en las FETs se pueden clasificar en dos grupos: las que tienen una significación estructural (densidad aparente, contenido de materia orgánica) y las que caracterizan la distribución del tamaño de partículas (fracciones de arcilla y arena). Las primeras influencian la parte más húmeda de la curva mientras que las segundas condicionan la retención de agua en la parte más seca. Las funciones de edafotransferencia se han generado a partir de variables de fácil obtención como la distribución del tamaño de las partículas (la textura), y el contenido de materia orgánica. También se ha utilizado la densidad aparente, sin embargo, no siempre está disponible, ya que su determinación en campo es laboriosa. Las funciones de edafo-transferencia han proporcionado funciones de retención de agua y funciones de la conductividad hidráulica saturada y no saturada (Tietje y Tapkenhinrichs, 1993). Tietje y Tapkenhinrichs (1993) evaluaron 13 funciones de edafo-transferencia comparando valores estimados y medidos de retención de agua. La aplicabilidad de los métodos analizados fue bastante baja. Lo que demuestra que hay que tener mucho cuidado en generalizar el uso de estas funciones. Acuña (2003) obtuvo ajustes bajos en las funciones de edafotransferencia de conductividad hidráulica saturada y de sortividad en los suelos de dos unidades cartográficas de la zona regable por el canal Segarra-Garrigues (NE España). Los aspectos que 74

tuvieron una fuerte influencia fueron el contenido inicial de agua en el suelo, la presencia de sello en la superficie del suelo, y la rugosidad. Martínez Fernández y Ceballos (2001) obtuvieron funciones de edafotransferencia satisfactorias utilizando como variables predictoras, las fracciones texturales, la densidad aparente y la materia orgánica. A partir de las funciones de edafotransferencia utilizadas se estimaron valores de la curva característica de humedad. Por ejemplo el contenido de agua en el punto de marchitamiento se estimó como: θ–1500kPa = 0,113 – 0,00121Ar + 0,00327Ac R2 = 0,88 EM = 0,01 RECM = 1,99 [77] A partir de los porcentajes de arena, arcilla y limo (Clasificación USDA), se puede estimar el punto de marchitez permanente, la capacidad de campo, el contenido de agua a saturación, la conductividad hidráulica saturada y la capacidad de retención de agua disponible. Un aspecto importante es si la textura del suelo se ha determinado con o sin eliminación de carbonatos. A modo de ejemplo, Saxton et al. (1986) utilizan correlaciones (tabla 1.17) para calcular a, b, el potencial de entrada de aire, el contenido de agua a saturación y la conductividad hidráulica saturada, a partir del porcentaje de arena (Ar) y del porcentaje de arcilla (Ac). La densidad aparente se obtiene a partir de la densidad de partículas (2.650 kg m–3) y del contenido de agua en saturación. Tabla 1.17. Ecuaciones para estimar características suelo-agua a partir de la textura ρb = 2,65 (1 – θs)

[78]

θs = 0,332 – 0,0007251Ar + 0,1276 log10 Ac en m3m–3

[79]

ψe = 100 (–0,108 + 0,341θs) en kPa (80) ψe = a θsb

[80] 2

2

a = exp [–4,396 – 0,0715Ac – 0,0004888Ar – 0,00004285 Ar Ac] · 100

[81]

b = –3,14 – 0,00222Ac2 – 0,00003484 Ar2 Ac

[82]

冦 冤

Ks = 2,778 · 10–6 exp 12,012 – 0,0755Ar + (–3,895 + 0,03671Ar –0,1103Ac + 8,7546 · 10–4 Ac2)

冢 θ1 冣冥冧 [83] s

Saxton et al., 1986.

Utilizando técnicas estadísticas de regresión y una amplia base de datos de suelos se han obtenido para cada potencial mátrico los correspondientes contenidos de agua como una función de los porcentajes de arcilla, arena, limo y materia orgánica. El efecto de la densidad aparente es negligible. El modelo es del tipo: θ = a + bAr + cL + dAc + eMO

[84]

donde θ es el contenido de agua correspondiente a cada potencial mátrico (entre –10 kPa y –1.500 kPa), a, b, c, d, y e son coeficientes de regresión. Ar es el porcentaje de arena, L es el porcentaje de limo y Ac es el porcentaje de arcilla. MO es el porcentaje de materia orgánica. Los valores de los coeficientes de regresión pueden encontrarse en Saxton et al. (1986). 75

La validez del modelo es para un conjunto muy amplio de texturas comprendidas en los siguientes intervalos 5% ≤ arena ≤ 30% con 8% ≤ arcilla ≤ 58% y 30% ≤ arena ≤ 95% con 5% ≤ arcilla ≤ 60% (Saxton et al., 1986). Campbell y Campbell (1982) obtuvieron una relación entre la conductividad hidráulica saturada (cm día–1) y la suma de las fracciones de arcilla y limo a partir de datos de Bloemen (1980): Ks = 180 exp [–4,26 (Ac + L)]

[85] –3

Si la conductividad hidráulica saturada se expresa en g s m , se utiliza la expresión: Ks = 2 exp [–4,26 (Ac + L)]

[86]

Tabla 1.18. Conductividades hidráulicas saturadas estimadas a partir de las ecuaciones descritas. Textura USDA

Arenosa Arenosa franca Franca arenosa Franca limosa Franca Franco arcillo arenosa Franco arcillo limosa Franco arcillosa Arcillo limosa Arcillosa

Fracción de limo

Fracción de arcilla

Ks (g s m–3)

Ks (cm d–1)

0,05 0,10 0,25 0,65 0,40 0,13 0,55 0,35 0,47 0,20

0,05 0,07 0,10 0,15 0,18 0,27 0,34 0,34 0,47 0,60

1,31 0,97 0,45 0,07 0,17 0,36 0,05 0,11 0,04 0,07

117,6 87,2 40,5 6,0 15,2 32,8 4,1 9,5 3,3 6,0

Adaptado de Campbell, 1985.

La conductividad hidráulica saturada se ha relacionado también con la porosidad efectiva (fe), a partir del modelo de Kozeny-Carman (Rawls et al., 1998). Ks = Cfe3–λ donde λ es el índice de distribución del tamaño de los poros de Brooks-Corey, obtenido ajustando la figura log-log del contenido de agua con la presión a –33 kPa y a –1.500 kPa. La C obtenida fue de 1930 para Ks en mm h–1.

14.

RECURSOS EN LA WEB E INFORMÁTICOS

www.bsyse.wsu.edu/faculty/saxton.html Página web para calcular propiedades hidráulicas de los suelos, basándose en la referencia de Saxton et al. (1986). www.icia.es/gh/soft/pd.html Programa PDunne. Calcula la Kfs de campo con los datos obtenidos a partir del permeámetro de Philip-Dunne. Se trata de un software de libre disposición cuyos autores son Rafael Muñoz-Carpena y Javier Alvarez Benedí. www.aeryd.es Asociación española de riegos y drenajes (AERYD). 76

www.sowacs.com SOWACS es la Web más importante sobre técnicas e instrumentos de medida del contenido de agua en el suelo. Hay un buscador, listas de discusión, artículos, etc. www.findasensor.com Buscador de instrumentación científica y proveedores, clasificado por temas. www.meteo-technology.com Buscador de instrumentación meteorológica clasificado por temas (incluye la medida del agua en el suelo). www.gsfc.nasa.gov/globe/index.htm Web que contiene material educativo y de divulgación sobre la ciencia del suelo. www.isci.it/tools Sitio web con software de libre acceso relacionado con parámetros hidráulicos del suelo, ET, modelos de simulación, etc. SOILPAR. Software destinado a estimar parámetros físicos e hidrológicos del suelo a partir de datos más básicos, como la textura, etc. www.bsye.wsu.edu/stockle/stocklehomepage Web del curso de postgrado BSYSE562 Systems in Integrated Crop Management del profesor C.O. Stockle de la WSU. Incluye modelos y descripción de transporte de agua en el suelo y de estimación de parámetros hidráulicos. www.wtamu.edu/crobinson/DrDirt.htm Web educativa sobre la ciencia del suelo. www.zonanosaturada.com Web de la red española de investigación en la zona no saturada. www.microirrigationforum.com Forum sobre aspectos técnicos y de manejo de sistemas de microirrigación. Incluye un apartado sobre sensores de contenido de agua en el suelo. www.bae.ncsu.edu/programs/extension/evans Listado de publicaciones del departamento de extensión agraria de la Universidad de North Carolina (EE.UU.). Incluye artículos sobre uso y calibración de sensores de contenido de agua en el suelo. www.atinet.org/cati/cit Center for Irrigation Technology. Centro que tiene como objetivo proveer asistencia a los usuarios de equipos de riego. www.europirrig.com European Irrigation Association. Web que agrupa a los fabricantes europeos de sistemas y equipos de riego. www.esagr.org Web de la Sociedad Europea de Agronomía. www.itrc.org Web del Irrigation Training and Research Center en California (USA). www.itap.es Web del Instituto Técnico Agronómico Provincial de Albacete. Servicio de Asesoramiento de Riegos, Servicio de Asesoramiento a la Fertilización de Suelos y Evaluación de Equipos de Riego. 77

www.irrigation.org Web de la Irrigation Association. www.agric.nsw.gov.au/reader/soilwater Web de la NSW Agriculture en Australia. Contiene varios artículos sobre seguimiento de agua en el suelo y programación de riegos. http://Soils.ag.uidaho.edu/soilorders Web de la Universidad de Idaho con los órdenes de suelos. www.epareachit.org Buscador de tecnología e instrumentación relacionada con la caracterización y protección del medio ambiente (Environmental Protection Agency de los EE.UU.). www.ussl.ars.usda.org Web del United States Salinity Lab. www.wca-infonet.org Web del servicio Infonet-Water Conservation and Use in Agriculture de la FAO. www.nal.usda.gov/wqic Web del Water Quality Information Center del USDA. www.soilwater.com.au Web de la empresa Soilwater Solutions en Australia. Contiene información sobre instrumentación, software, enlaces, etc. http://edafologia.ugr.es/ Web del Departamento de Edafología y Química Agrícola. Universidad de Granada. Servicios de asesoramiento de riego: www.itap.es/ITAP-SARA/Consumos/ConsCampaña.asp (Albacete). http://crea.uclm.es/~siar/index.php (Castilla-La Mancha). www.riegosdenavarra.com (Navarra). http://web.eead.csic.es/oficinaregante/ (Aragón). http://www.jcyl.es/jcyl/cag/dgdr/riac/inforiego_ie.html (Castilla y León). http://www.ivia.es/estacion/ (Valencia). http://www.gencat.net/darp/camp.htm (Cataluña). http://www.juntadeandalucia.es/agriculturaypesca/agraria (Andalucía). http://par.cebas.csic.es/par.htm (Murcia). http://www.juntaex.es/consejerias/aym/riegos/principal.htm (Extremadura).

15.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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ANEJO I. Características medias para algunas texturas de suelos (FAO, 1979) Textura del suelo

Arenosa Franco-arenosa Franca Franco-arcillosa Arcillo-limosa Arcillosa

Infiltración y conductividad hidráulica saturada (cm h–1)

Porosidad total (%)

5 (2,5-25) 2,5 (1,3-7,6) 1,3 (0,8-2) 0,8 (0,25-1,25) 0,25 (0,03-0,5) 0,05 (0,01-1)

38 (32-42) 43 (40-47) 47 (43-49) 49 (47-51) 51 (49-53) 53 (51-55)

Densidad aparente (Mg m–3)

1,65 (1,55-1,80) 1,5 (1,4-1,6) 1,4 (1,35-1,5) 1,35 (1,3-1,4) 1,3 (1,3-1,4) 1,25 (1,2-1,3)

Capacidad de campo (%)

9 (6-12) 14 (10-18) 22 (18-26) 27 (23-31) 31 (27-35) 35 (31-39)

Punto de marchitez permanente (%)

Agua disponible Peso (%)

Volumen (%)

cm m–1

4 (2-6) 6 (4-8) 10 (8-12) 13 (11-15) 15 (13-17) 17 (15-19)

5 (4-6) 8 (6-10) 12 (10-14) 14 (12-16) 16 (14-18) 18 (16-20)

8 (6-10) 12 (9-15) 17 (14-20) 19 (16-22) 21 (18-23) 23 (20-25)

8 (6-10) 12 (9-15) 17 (14-20) 19 (17-22) 21 (18-23) 23 (20-25)

ANEJO II. Compañías que fabrican y comercializan sensores de media y control del agua en el suelo Seguramente no están todas las que deberían estar y por este motivo los autores piden disculpas a aquellas empresas que no han sido mencionadas. 82

Adcon Telemetry Inc Florida, USA www.adcon.com AquaPro-Sensors www.aquapro-sensors.com Automata Inc Nevada City, CA, USA www.automata-inc.com Campbell Scientific, Inc. Logan, UT, USA www.campbellsci.com DataFlow Systems Pty. Ltd. New Zealand www.soilmoisture.com.au Decagon Devices, Inc. 950 NE Nelson Court Pullman, WA 99163, USA www.decagon.com Delta-T Devices Ltd Cambridge, England www.delta-t.co.uk Delmhorst Instrument Co. ELE Soil Test Lake Bluff, IL, USA www.delmhorst.com Dynamax 10808 Fallstone # 350 Houston, TX 77099, USA www.dynamax.com Earth Systems Solutions P.O. Box 568 Lompoc, CA 93438 USA www.earthsystemssolutions.com Easy Test Poland www.easytest.lublin.pl Eijkelkamp Agriresearch Equipment P.O. Box 4, 6987ZG Giesbeek, The Netherlands www.eijkelkamp.com Environmental Sensors Inc. (ESI) CA, USA www.esica.com H&TS Electronics Australia Healesville, Australia www.soilspec.com IMKO Micromodultechnik GMBH Im Stöck D-76275 Ettlingen, Germany www.imko.de Irrometer Company, Inc. P.O. box 2424

Riverside , CA 92516-2424 www.irrometer.com Lapton (Barakaldo, Bizkaia, España) www.lapton.com Rickly Hidrological Company www.rickly.com 1700 Joyce Avenue Columbus Ohio43219, USA SDEC France 37 310 Reignac sur Indre www.sdec-france.com Sentek Sensor Technologies Australia www.sentek.com.au Soilmoisture Equipment Corp. Santa Barbara, CA, USA www.soilmoisture.com Soil Measurement Systems 7090 North Oracle Road Suite 170 Tucson, 85704 AZ, USA www.soilmeasurement.com Soiltest, Inc. IL, USA www.soiltest.com Spectrum Technologies, Inc. Plainfield, Illinois, USA www.specmeters.com Streat Instruments 4A Expo Place PO Box 24071 Bromley Christchurch, New Zealand www.streatsahead.com Tektronix Inc. Beaverton, OR, USA www.tektronix.com Testequity 2450 Turquoise Circle Thousand Oaks, CA 91320 www.testequity.com Thermal logic Pullman, WA, USA www.thermallogic.com Troxler Electronic Lab. Inc. www.troxlerlabs.com Wescor, Inc. P.O. Box 361 Logan, UT, USA www.wescor.com

83

ANEJO III.

Sensores e instrumentos relacionados con la medida del contenido y el potencial del agua en el suelo46

Nombre comercial del equipo®

Diviner2000 EnvironScan Thetaprobe (modelo ML2) Sonda de perfil PR1 C-Probe Aquaterr Gopher HMS 9000 ECH2O Sentry 200 Troxler

Compañía

Equipos FDR (Capacitancia) Sentek sensor technologies, AUS Sentek sensor technologies, AUS Delta-T Devices Delta-T Devices Adcon Telemetry Inc. Spectrum Technologies Dataflow Systems. AUS SDEC France Decagon Devices, Inc.

TRASE TEKTRONIX47 TDR Cable tester (modelo 1502 Beaver, OR) Aquaflex Gro-Point CS616 CS620 TDR100 Hydrosense TRIME CAMI AQUA-TEL-TDR

Equipos TDR (Soilmoisture Equipment Corp., Santa Barbara, CA) Streat Instruments, NZ Environmental Sensors Inc Campbell Scientific, Inc Campbell Scientific, Inc Campbell Scientific, Inc Campbell Scientific, Inc. IMKO Easy test, Poland Automata Inc.

Sensor de disipación de calor Point WC sensor Thermal Logic Modelo 229L (Potencial del agua en el suelo) Campbell Scientific, Inc Modelo C-52 Wescor, Logan, UT Sensor Tru-Psi48

Psicómetro de termopar Decagon Devices, Inc.

Resistencia eléctrica Sensor Watermark (0 a –200 kPa) Bloque de yeso (–50 a –1500 kPa) GYP1 Troxler 4301/02 CPN- 503 DR

Sonda de neutrones Troxler Electronics Campbell Pacific Nuclear International (CPN)

Potenciómetro de punto de rocío WP4-T y WP4 Decagon Devices, Inc. (Potencial hídrico y curva característica de humedad) 46

47

48

84

La dinámica en el desarrollo de nuevos productos comerciales puede provocar la desaparición de algunos equipos en un tiempo relativamente corto. Otros ya no se comercializan pero se indican porque existen muchos equipos actualmente en uso. Suministradores de electrodos para TDR: Soilmoisture Equipment Corp. y Campbell Scientific Inc. El sensor Tru Psi ya no se comercializa.

ANEJO IV. Símbolos Concepto

Capacidad de campo Capacidad de retención de agua disponible Conductividad hidráulica Conductividad hidráulica saturada Conductividad hidráulica saturada de campo Constante dieléctrica aparente Contenido gravimétrico de agua en el suelo Contenido volumétrico de agua en el suelo Densidad aparente del suelo Densidad de las partículas sólidas del suelo Densidad del agua Desviación estándar geométrica Diámetro de la partícula media geométrica Evapotranspiración Grado de saturación Infiltración acumulada Porosidad de aireación Porosidad efectiva Porosidad total del suelo Potencial de entrada de aire Potencial de presión Potencial gravitacional Potencial matricial Potencial osmótico Punto de marchitez permanente Relación de huecos Sortividad Velocidad de infiltración Viscosidad dinámica

Terminología inglesa

Símbolo

Field capacity Available water retention capacity Hydraulic conductivity (or unsaturated hydraulic conductivity) Saturated hydraulic conductivity Field Saturated hydraulic conductivity Apparent dielectric constant Mass basis water content Volumetric water content Dry bulk density Mineral soil particle density Water density Geometric standard deviation Geometric mean particle diameter Evapotranspiration Degree of saturation Cumulative Infiltration Air (filled) porosity Total Porosity Air entry potential Hydrostatic potential Gravitational potential Matric potential Osmotic potential Permanent wilting point Void ratio Sorptivity Infiltration Viscosity

CC CRAD K Ks Kfs Ka θm θv ρb ρs ρw σg dg ET W I fa fe f ψe ψp ψg ψm ψo PMP e S i η

ANEJO V. Relación entre potencial del agua asociado con un tamaño de poro49 Concepto

Potencial (kPa)

pF

Diámetro de los poros (µm)

Agua capilar Agua capilar Capacidad de campo

–1 –10 –33 –100 –1.000 –1.500 –10.000

1,01 2,01 2,53 3,01 4,01 4,18 5,01

290,08 29,01 8,79 2,90 0,29 0,19 0,03

–100.000 –1.000.000

6,01 7,01

Punto de marchitez permanente Muestra de suelo secada al aire (agua asociada a la estructura de las arcillas) Muestra de suelo secada a 105° C 49

Effects of sample disturbance on soil water potential measurements. Application Note. Decagon Devices, Inc. www.decagon.com

85

ANEJO VI.

Ejercicios

1. Utiliza una hoja de cálculo electrónica para calcular el diámetro medio geométrico de las partículas (dg) y la desviación estándar geométrica (σg) a partir de las fracciones de arcilla, limo y arena. Comprueba los resultados con el ejemplo de cálculo 1. 2.

Dibuja la curva característica de humedad de una muestra de suelo de textura franco arcillo limosa (asigna valores de contenido de agua a diferentes valores de potencial mátrico utilizando las funciones de edafotransferencia).

3.

Calcula la humedad relativa de la atmósfera en equilibrio con una muestra de suelo que tiene un potencial mátrico de –800 kPa.

4.

Estima el potencial osmótico en un suelo con una conductividad eléctrica del extracto de pasta saturada de 5,2 dS m–1 a 25° C.

5.

Dibuja una gráfica con los datos de la tabla 1.6 y observa como varía la conductividad hidráulica con el contenido de agua.

6. Un suelo tiene tres horizontes (Ap, Bw, C). El primero de 27 cm es de textura franco arenosa, el segundo de 39 cm es de textura franco limosa y el tercero hasta los 100 cm es de textura arenosa gruesa. Determina la CRAD del suelo en mm m–1, utilizando los valores medios y los intervalos mínimo y máximo de la tabla 1.13. Realiza los mismos cálculos suponiendo que en los dos primeros horizontes el volumen de piedras es del 35%.

86

CAPÍTULO

II

LAS RELACIONES AGUA-PLANTA

Olga Botella Miralles Isabel Campos Garaulet

1.

Contenido y funciones del agua en la planta.

2.

Estructura y propiedades del agua.

3.

Estructura de las plantas superiores. 3.1. La raíz. 3.2. El vástago: tallo y hojas.

4.

Estado hídrico de la planta. 4.1. Concepto y unidades de potencial hídrico. 4.2. Componentes y unidades de potencial hídrico. 4.3. Fenómenos de difusión. 4.4. El agua en la célula. 4.5. Relaciones hídricas en células y tejidos. 4.6. Medida del potencial hídrico.

5.

Absorción y transporte del agua por la planta 5.1. Movimiento radial del agua en la raíz. 5.2. Acceso del agua a través de la raíz y tallo. 5.3. Conducción a través de la hoja. 5.4. Movimiento del agua en relación con la transpiración. 5.5. Factores que afectan a la absorción del agua.

6.

Transpiración. 6.1. Concepto y tipos de transpiración. 6.2. Importancia de la transpiración. 6.3. Proceso físico de la transpiración. 6.4. Estomas y transpiración. 6.5. Factores que influyen en la transpiración. 6.6. Efectos de la transpiración. 6.7. Medida de la transpiración.

7.

Balance hídrico: transpiración y absorción de agua. 7.1. Sequía y défict hídrico. 7.2. Efectos del déficit hídrico sobre los principales procesos fisiológicos de las plantas. 7.3. Adaptaciones de las plantas al défict hídrico: evitación y tolerancia. 7.4. Estrés por exceso de agua en el suelo. 7.5. Medida de estrés hídrico de los cultivos.

8.

Referencias bibliográficas.

1.

CONTENIDO Y FUNCIONES DEL AGUA EN LA PLANTA

El agua, sobre todo en estado líquido, es un compuesto esencial en la biosfera, ya que es el componente mayoritario de la materia viva, y en su seno tienen lugar la mayoría de las reacciones biológicas. Su carácter de disolvente casi universal y sus propiedades físico-químicas definen en gran medida los sistemas físicos y biológicos de la tierra. El contenido de agua en los tejidos vegetales es particularmente elevado: un 80% del peso fresco de muchas plantas herbáceas y hasta un 90% de algunos órganos en crecimiento, como hojas, frutos y los ápices caulinar y radicular, es agua. En plantas y tejidos leñosos podemos encontrar contenidos entre 40-50% de agua. Sólo algunas estructuras, como las semillas, y estados de poca actividad fisiológica se presentan con reducidos contenidos hídricos, que no superan el 20% de su peso total (tabla 2.1). En general, podemos decir que la actividad biológica está ligada a la presencia de agua y que los valores óptimos de actividad se corresponden con contenidos hídricos relativos elevados, de manera que salvo las mencionadas excepciones de semillas y algunas especies vegetales, la deshidratación de los tejidos por debajo de un valor crítico puede producir daños irreversibles y conducir a la muerte de la planta. El agua en las plantas se encuentra en los citoplasmas celulares (hasta el 90%), los vasos, las traqueidas y las fibras, constituyendo una fase líquida continua, que se prolonga hacia el suelo, a través de las raíces y hacia la atmósfera, a través de la superficie de evaporación de las hojas, formando el denominado continuo suelo-planta-atmósfera. La cantidad de agua de los tejidos vegetales muestra variaciones relacionadas con las condiciones ambientales, sobre todo con el contenido de humedad en el suelo. Por ello, para expresar correctamente el contenido hídrico de una estructura: organismo, órgano o tejido, es fundamental indicar en qué condiciones se ha realizado la medición. La disminución del agua en el suelo donde crecen las plantas puede provocar la detención del crecimiento e importantes alteraciones metabólicas y estructurales. Algunas criptógamas vasculares y pocas angiospermas, así como las semillas, los granos de polen y los embriones muestran un comportamiento poiquilohídrico, tolerando fuertes reducciones de los niveles de agua en el suelo, reduciendo su actividad metabólica y volviéndola a recuperar tras un proceso de imbibición. Otros organismos vegetales, de comportamiento homeohídrico, toleran peor la desecación, ya que sufren altera89

Tabla 2.1. Contenido en agua de algunos tejidos vegetales Porcentaje del peso total del tejido Órgano

Parte de la planta

Contenido en agua (% peso total)

Raíces

Semillas Cebada, región apical Pinus taeda, región apical Pinus taeda, raíces micorrícicas Zanahoria, parte comestible Girasol (media del sistema radicular)

93,0 90,2 74,8 88,2 71,0

Tallos

Esparraguera, ápice del tallo Girasol, siete semanas de edad Pinus banksiana Pinus echinata (floema) Pinus echinata (leño) Pinus taeda (ramillas)

88,3 87,5 48-61 66,0 50-60 55-57

Hojas

Lechuga, hojas interiores Girasol, media todas las hojas Repollo, maduro Maíz, adultas

94,8 81,0 86,0 77,0

Frutos

Tomate Sandía Fresa Manzana

94,1 92,1 89,1 84,0

Semillas

Maíz dulce, tierno Maíz seco Cebada (decortezada) Cacahuete (crudo)

84,8 11,0 10,2 5,1

Datos de varios autores compilados por Slatyer, 1967, en Guardiola y García, 1990.

ciones profundas que conducen a la muerte de sus células. Estos últimos sólo pueden vivir en ambientes muy húmedos, ya que carecen de cutícula y estomas, estructuras que permiten la regulación de pérdidas de agua. El agua es un compuesto clave en la fisiología de las plantas: es la forma en la que se absorbe el átomo de H en la fotosíntesis, por lo que puede considerarse un nutriente; es un disolvente de gran cantidad de sustancias y el medio en el que se realizan las reacciones bioquímicas; es esencial para el transporte de nutrientes y metabolitos; permite mantener la turgencia de los órganos vegetales; los procesos de deshidratación, salvo en casos excepcionales, ya mencionados, puede provocar daños irreversibles en células y tejidos.

2.

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DEL AGUA

El agua es un compuesto líquido a temperatura ambiente, cuya molécula está formada por dos átomos de hidrógeno unidos mediante enlace covalente a un átomo de oxígeno. La unión de los segmentos lineales entre los centros de los átomos de hidrógeno con el átomo de oxígeno forma un ángulo de aproximadamente 105° y de esta configuración derivan las peculiares propiedades de esta molécula (figura 2.1a). 90

Molécula de Agua

a)

– Átomo de Oxígeno

b)

H

+

O H

+

H O H

H H

O H

H O

Átomo de Hidrógeno

Átomo de Hidrógeno 104,5 °

H

c)

O

H O H

H

H O

H

Puente de hidrógeno Fig. 2.1. Molécula de agua. a) Estructura; b) Polaridad; c) Puentes de hidrógeno (http://www.puc.cl/quimica/agua/estructura.htm).

Entre las propiedades del agua podemos citar: 1.

El agua presenta elevados calor específico, calor latente de fusión y calor de vaporización. Todas estas propiedades le proporcionan una gran inercia térmica y un importante efecto regulador, en el caso de las plantas potenciado por el elevado contenido en agua de los tejidos vegetales. Además, cuando el agua se evapora desde una superficie viva, tiene un efecto refrigerante.

2. A temperaturas fisiológicas el agua es un líquido responsable del crecimiento de las plantas, ya que sus células se expanden a medida que absorben agua y a su vez los nutrientes les llegan disueltos en ella. La absorción de agua por las células permite a las plantas mantener su forma, debido a la presión en los protoplastos que actúa contra las paredes celulares. 3. La molécula de agua es polar (figura 2.1b), presentando carga positiva en la zona de los átomos de hidrógeno y carga negativa del lado del átomo de oxígeno. Esta distribución asimétrica de las cargas eléctricas de la molécula da lugar a la formación de enlaces relativamente débiles denominados puentes de hidrógeno (enlaces de hidrógeno) (figura 2.1c). 4. Debido a su naturaleza polar, el agua es atraída hacia otras sustancias, a las que humedece, con las que establece puentes de hidrógeno debido a las llamadas fuerzas de adhesión. Además, en el agua se manifiestan las fuerzas de cohesión, debidas a la formación de puentes de hidrógeno entre sus propias moléculas, que le confieren una resistencia al estiramiento que puede ser tan elevada, como para explicar la formación de columnas de agua continuas que ascienden por el xilema hasta las partes superiores de los árboles más altos. La cohesión explica también la tensión superficial del agua que se manifiesta en su tendencia a formar gotas esféricas, que determina, entre otros efectos relacionados con la fisiología de las plantas, su capacidad para ascender por los capilares. Debido a la cohesión de las moléculas del agua, la transpiración ejerce un efecto refrigerante sobre las hojas, ya que se requiere gran cantidad de energía para su evaporación. 5. El agua posee una elevada constante dieléctrica. Esta propiedad le permite disolver gran cantidad de sustancias, sobre todo electrolitos y moléculas polares, como los azúcares. La capacidad del agua como disolvente tiene enorme 91

importancia fisiológica en los seres vivos, relacionada con los fenómenos de ósmosis y en las plantas, además, con el movimiento de materiales disueltos.

3.

6.

La viscosidad del agua es menor de la esperable en relación a la existencia de los puentes de hidrógeno y decrece a medida que aumenta la temperatura, aunque esto es poco relevante desde el punto de vista fisiológico puesto que aún a baja temperatura, la viscosidad es reducida.

7.

A pesar de todas las propiedades mencionadas anteriormente, el agua desde el punto de vista químico se puede considerar inerte, representando más el medio en cuyo seno se realizan diversas reacciones químicas, que un reactivo o producto, en sí misma.

ESTRUCTURA DE LAS PLANTAS SUPERIORES

En el cormo o estructura característica de las plantas superiores terrestres se encuentran diferenciados dos órganos fundamentales (figura 2.2b): a) Raíz: parte generalmente subterránea del esporofito implicada especialmente en las funciones de fijación de la planta al sustrato, absorción de agua y sales minerales, conducción de sustancias, síntesis de fitohormonas y algunos compuestos vegetales secundarios y, en algunos casos, almacenamiento de sustancias de reserva. b) Vástago: formado por el eje caulinar o tallo sobre el que se insertan lateralmente las hojas o estructuras fotosintetizadoras. Las funciones principales del tallo son la conducción y el soporte. A través del tallo se transportan nutrientes y otras sustancias, en ambos sentidos. Además, actúa como soporte de las hojas, a las que sitúa en posición favorable hacia la luz. En espermatofitas, esta diferenciación aparece ya en el embrión joven. En el crecimiento del embrión, la radícula originará la raíz primaria y de la plúmula se formará el vástago (figura 2.2a).

cotiledones plúmula VÁSTAGO

hipocótilo radícula meristema apical radical caliptra o cofia Fig. 2.2. a) Embrión de espermatofitas. b) Esquema del cormo (http://www.biologia.edu.ar/botanica).

92

RAÍZ

3.1. 3.1.1.

LA RAÍZ Estructura externa

Una raíz típica es un órgano cilíndrico que carece de hojas y que puede presentar ramificaciones o raíces laterales. Externamente y en sentido longitudinal (figura 2.3) desde el ápice de la raíz hasta el cuello de la planta se pueden distinguir las siguientes zonas: • Cofia, caliptra o pilorriza: es una especie de capuchón que protege al apex donde se encuentra el punto vegetativo con el tejido germinal. • Apex o ápice: contiene el tejido meristemático o germinal responsable del crecimiento primario en longitud de la raíz. • Zona de crecimiento, donde se produce la elongación y diferenciación celular. • Zona pilífera: con una longitud de unos pocos centímetros, donde se encuentran los pelos radiculares, encargados de la función de absorción. • Zona adulta o suberosa: más o menos engrosada y sin poder absorbente donde se almacenan los productos de la fotosíntesis en la región donde la raíz se une con el tallo.

Fig. 2.3. Estructura externa de la raíz (http://www.biologia.edu.ar/botanica).

La raíz que se desarrolla a partir del embrión se llama raíz primaria. En dicotiledóneas y gimnospermas, a partir de ella se forma un sistema radicular alorrizo constituido por una raíz principal axonomorfa, con geotropismo positivo a partir de la cual se desarrollan raíces laterales de distinto orden (figura 2.4a). En monocotiledóneas la raíz primaria muere y es reemplazada por un conjunto de raíces adventicias, morfológicamente similares, que crecen en la base del tallo y que constituyen un sistema radicular homorrizo (figura 2.4b). 93

b)

a)

Fig. 2.4. Sistemas de raíces. a) Sistema alorrizo; b) Sistema homorrizo (http://www.biologia.edu.ar/botanica, modificado de Strasburger, 1991).

3.1.2.

Estructura interna

En la estructura primaria de la raíz, en sección transversal, se distinguen claramente tres sistemas de tejidos (figura 2.5): — Rizodermis: es un tejido epidérmico constituido por una sola capa de células, con la función específica de absorción de agua y sales minerales, facilitada por la presencia de pelos radicales, así como por poseer sus células finas paredes y por carecer de cutícula y estomas. — Corteza o córtex: es la zona más extensa del cuerpo primario de las raíces, y está formada por células parenquimáticas que generalmente almacenan almidón y carecen de cloroplastos. Las células de la corteza presentan sus protoplastos conectados por plasmodesmos, lo que facilita el movimiento de sustancias y entre ellas existen numerosos espacios intercelulares, para la aireación de la raíz. La capa más interna de la corteza es la endodermis, tejido protector interno, compacto y sin espacios aeríferos, cuyas células presentan sus paredes radiales engrosadas por suberina y, a veces, lignina, que las hace impermeables al agua y a los gases. Estos refuerzos de las paredes celulares de la endodermis, llamados bandas de Caspary, representan una importante barrera fisiológica relacionada con el paso selectivo de sustancias hacia el cilindro vascular.

Fig. 2.5. Sección transversal de raíz; Rh: rizodermis, Hy: hipodermis, Ri: corteza radical parenquimática; En: endodermis; Pc: periciclo; Xi: xilema; Fl: floema (Strasburger, 1991).

94

—

Cilindro vascular: ocupado por los tejidos conductores (xilema y floema), rodeados externamente por una o más capas de un tejido meristemático llamado periciclo, relacionado con la formación de raíces laterales (figura 2.6) y con la formación de cambium vascular y del primer cambium suberógeno, en el crecimiento secundario de la raíz. Los tejidos vasculares se disponen en forma radial, es decir, en forma de estrella: el xilema parte generalmente del centro del cilindro vascular y se extiende formando radios o cordones, en número variable según las especies, hacia el periciclo y el floema primario se sitúa entre estos cordones de xilema. Las raíces laterales se diferencian a partir del periciclo

epidermis parénquima cortical endodermis periciclo floema primario procámbium xilema primario meristemo raíz lateral de la raíz lateral

Fig. 2.6. Formación de raíces laterales (http://www.us.es/abiobot/recursos).

La disposición radial (figura 2.7 y figura 2.8) confiere a la raíz resistencia a la tracción, lo que supone una importante adaptación relacionada con la función de fijación de la planta al suelo. En las raíces de algunas plantas, como el maíz, el centro del cilindro vascular está ocupado por tejido parenquimático medular (figura 2.8). Cilindro vascular en forma de X

Rizodermis Cilindro cortical

Fig. 2.7. Sección transversal de raíz de dicotiledónea. Zona de crecimiento primario (adaptado de Raven et al., 1992).

95

Médula

Raíz lateral

Miembro del vaso Fig. 2.8. Raíz de maíz. Presencia de médula en el cilindro central (adaptado de Raven et al., 1992).

En las raíces de algunas plantas, fundamentalmente gimnospermas y dicotiledóneas leñosas, en las zonas donde ya no se produce elongación, tiene lugar el llamado crecimiento secundario en grosor (figura 2.9) debido a la actividad de dos meristemos secundarios laterales: el cambium vascular y el cambium suberógeno. El cambium vascular se forma a partir de células meristemáticas procambiales situadas entre el xilema y floema primarios, a las cuales posteriormente se añaden células del periciclo dando como resultado una estructura anular continua, cuyas células se dividen repetidamente generando floema secundario (liber) hacia el exterior y xilema secundario (leño) hacia el interior de la sección transversal. A medida que se van añadiendo capas de xilema secundario, el cambium vascular se va desplazando hacia afuera incrementando su perímetro y el floema primario queda aplastado y descompuesto a medida que se añaden nuevas capas de floema secundario. La corteza secundaria de la raíz o peridermis sustituye a la corteza radicular primaria, y está formada por varias capas de células suberinizadas, que son renovadas por la actividad del cambium suberógeno procedente de la transformación del periciclo. En la peridermis no participan la rizodermis, la exodermis ni la endodermis, cuyas células mueren y se desprenden antes de iniciarse el crecimiento secundario en grosor (figura 2.9). El leño y el liber de la raíz son histológicamente similares a los del vástago, por lo que no es posible distinguir, por su estructura, un corte transversal de ambos órganos en la zona de crecimiento secundario. 3.2. 3.2.1.

EL VÁSTAGO: EJE CAULINAR (TALLO) Y HOJAS Estructura externa del tallo

El eje caulinar es la parte de la planta cuya función principal es la del transporte de nutrientes entre la raíz y las hojas. En las plantas herbáceas se denomina tallo y en las 96

Estructura primaria de la raíz

Inicio del crecimiento secundario de la raíz

Epidermis Córtex Endodermis Periciclo Floema primario Procambium Xilema primario Floema secundario Xilema secundario

súber felógeno peridermis felodermis

floema secundario cambium xilema secundario (5 años de crecimiento secundario en grosor) radios medulares parénquima (procedente del periciclo)

Estructura secundaria de la raíz

Fig. 2.9. Estructura primaria y secundaria de una raíz de una dicotiledónea leñosa (http://www.us.es/abiobot/recursos).

plantas leñosas está lignificado y recibe el nombre de tronco. El fragmento de tallo comprendido entre la inserción con la raíz y los cotiledones se llama hipocótilo y la zona entre éstos y las primeras hojas verdaderas es el epicótilo (figura 2.10). Hoja sensorial (cotiledón)

Epicótilo

Hoja sensorial (cotiledón) Hipocótilo Raíz Fig. 2.10. Modelo de una planta dicotiledónea poco después de la geminación (Lüttgge, 1993).

97

Externamente, en el tallo se pueden distinguir: • El ápice caulinar o yema terminal, donde se encuentra el tejido meristemático apical, de cuya actividad resulta el crecimiento en longitud de este órgano. • Los nudos, puntos engrosados del eje caulinar donde se inicia el desarrollo de una hoja en el vástago. En la base de cada hoja se encuentra una yema axilar, de cuya actividad se originan las ramificaciones laterales. • Los entrenudos, o sección comprendida entre dos nudos consecutivos. 3.2.2.

Estructura interna del tallo

En la estructura primaria de las plantas angiospermas se presentan dos tipos básicos de organización: En las plantas dicotiledóneas y gimnospermas, en una sección transversal del tallo desde la periferia hacia el interior se encuentran los siguientes tejidos (figura 2.11): • Epidermis: tejido protector primario, formado por una sola capa de células recubierta en su cara externa por una capa de cutina (sustancia lipídica), que forma el recubrimiento externo denominado cutícula que proporciona a este órgano impermeabilidad al agua y los gases. Esta epidermis posee estomas para el intercambio gaseoso con la atmósfera y, a veces, tricomas o pelos. • Corteza o córtex: situada inmediatamente por debajo de la epidermis y formada fundamentalmente por tejido parenquimático, con función de reserva o fotosintetizadora (clorénquima). En la zona más periférica de la corteza primaria suele presentarse tejido de sostén de tipo colenquimático. • Cilindro vascular: en la zona central del tallo se encuentran los haces conductores colaterales abiertos, con el xilema primario en la cara más interna y el floema primario en la cara más externa, situándose entre ambos el cambium vascular. Estos haces vasculares se disponen en círculo alrededor de la médula, formada por tejido parenquimático de función reservante. Entre los haces conductores existen radios medulares parenquimáticos. En las plantas monocotiledóneas, los haces conductores colaterales cerrados se distribuyen por toda la sección transversal del tallo, situándose los mayores en el centro y los más pequeños en la periferia (figura 2.12). En zonas alejadas del ápice del tallo, en las plantas dicotiledóneas y gimnospermas se produce el crecimiento secundario en grosor, encontrándose en la estructura interna una serie de diferencias con la sección transversal por la zona de crecimiento primario (tallo joven) (figura 2.13a). Estas diferencias afectan tanto al cilindro vascular, como al cilindro cortical. En el interior, se desarrolla un cilindro continuo de cambium vascular de cuya actividad se forma hacia el centro del tallo el xilema secundario y hacia la periferia el floema secundario. Normalmente, tanto en el tallo como en la raíz, se produce más xilema secundario o leño, que floema secundario o liber. El crecimiento de los tejidos vasculares secundarios origina un aumento de volumen del tallo que da lugar a un desgarramiento de la epidermis, formándose un tejido protector de origen secundario, llamado peridermis. 98

Cavidad medular Parénquima Radios medulares parenquimáticos Xilema Cambium

Haz conductor colateral abierto

Floema Colénquima Esclerénquima Epidermis uniestratificada con cutícula

Fig. 2.11. Esquema transversal de tallo de dicotiledónea herbácea (modificado de Strasburger, 1991).

Haz conductor colateral cerrado Parénquima Esclerénquima hipodérmico

Fig. 2.12. Sección transversal de tallo de monocotiledónea (maíz) a nivel de un entrenudo (modificado de Strasburger, 1991).

La peridermis se forma por la actividad de un meristemo secundario llamado felógeno, que produce súber hacia fuera y felodermis hacia el centro. El súber está formado por células muertas en su madurez que en el proceso de diferenciación se recubren en sus paredes internas de una sustancia grasa (suberina) que hace a este tejido impermeable al agua y los gases. La felodermis está formada por células vivas en su madurez, de tipo parenquimático. El término corteza secundaria se refiere a todos los tejidos externos al cambium vascular, incluida la peridermis. 99

a)

b)

cutícula

epidermis

CR

M H

P

súber felodermis

tm

Fig. 2.13. a) Sección transversal de tallo en crecimiento secundario. M: médula; H: haces vasculares; CR: cortex; P: peridermis; tm: tricoma (Álvarez Nogal, 2002); b) Lenticela de tallo. Corte transversal (Raven et al., 1992).

Como se ha dicho anteriormente, el súber cuyas células se disponen de forma muy compacta, representa una barrera impermeable al agua y los gases, por lo que el intercambio con el exterior en tallos y raíces, en la zona de crecimiento secundario, tiene lugar a través de las lenticelas, agrupaciones de células unidas laxamente que dejan grandes espacios intercelulares (figura 2.13b). 3.2.3.

Las hojas

Son los apéndices laterales que se insertan en los nudos del tallo. Existe una gran diversidad tanto en la morfología como en la estructura interna de las hojas. Se encargan en las planta de las funciones de respiración, transpiración y fotosíntesis. Morfología foliar: En relación a estas funciones, la hoja adulta o nomofilo, es un órgano aplanado, en el que se pueden distinguir externamente las siguientes partes (figura 2.14): • El limbo, o lámina, parte ensanchada y generalmente delgada que puede ser una superficie continua (hoja simple), o estar dividido en foliolos (hoja compuesta). Está atravesado por los haces conductores que se denominan nervios foliares. • El peciolo, con aspecto de tallo, es una especie de pedicelo o pie, mediante el que se insertan las hojas en los nudos. Las hojas sentadas o sésiles carecen de peciolo. • La base foliar es la parte de la hoja que la une al tallo, se presenta generalmente como un ensanchamiento del peciolo. En ocasiones, en la base foliar aparecen las estípulas. 100

Las hojas de las plantas monocotiledóneas presentan generalmente nerviación paralela con haces principales conectados entre sí por haces transversales menos marcados. La base foliar está muy dilatada y forma una vaina que rodea al tallo. En las plantas dicotiledóneas, las hojas pueden ser simples o compuestas. La nerviación es reticulada, presentando un nervio o cordón central más desarrollado, a partir del cual se ramifican los nervios secundarios, conectados entre sí, formando un retículo. a)

b)

foliolos

limbo

peciolo

base foliar Fig. 2.14. Morfología de hojas de dicotiledónea. a) Simple; b) Compuesta (elaboración propia).

Las hojas de las angiospermas presentan una gran variabilidad en su estructura, en relación al lugar donde viven. Los factores externos, sobre todo la disponibilidad de agua, condicionan gran parte de las adaptaciones de las hojas que se reflejan en su forma y en su anatomía. Con independencia de esa variabilidad, en la estructura interna de las hojas de las plantas superiores se encuentran una serie de diferenciaciones relacionadas con sus dos funciones principales, realización de la fotosíntesis y control de la pérdida de agua por la transpiración. Anatomía foliar: la disposición de los tres tejidos principales (epidermis, mesofilo y haz conductor) en el limbo foliar da lugar a hojas bifaciales, equifaciales y unifaciales. En la figura 2.15 se muestra, la sección transversal de una hoja bifacial, típica de plantas dicotiledóneas, distinguiéndose los siguientes tejidos: La epidermis, o tejido superficial está formada por una o varias capas de células dispuestas de forma compacta y recubiertas en su cara externa por una cutícula que reduce las pérdidas de agua por transpiración, contribuyendo al papel de este tejido como protector frente a la desecación. Las células típicas de la epidermis no poseen cloroplastos. Para favorecer el intercambio de gases entre la planta y el medio ambiente, entre las células epidérmicas se encuentran los llamados estomas o aparatos estomáticos, cuya estructura y disposición para los diferentes tipos de hojas se explicará más adelante en el apartado dedicado a la transpiración. En la epidermis de algu101

nas plantas aparecen pelos y emergencias. Los pelos o tricomas se originan a partir de una sola célula epidérmica, pueden ser uni o pluricelulares y pueden estar muertos, con función esencialmente protectora frente a la irradiación o vivos, con función fundamentalmente glandular segregando distintos tipos de sustancias: aceites, sustancias urticantes, etc. En la formación de las emergencias, siempre pluricelulares, participa el tejido subepidérmico además de la epidermis. El mesofilo, o tejido asimilador, es el tejido fundamental de la hoja. Cutícula

Haz vascular

Parénquima esponjoso

Epidermis múltiple

Tricoma

Haz vascular

Parénquima en empalizada

Célula oclusiva

Fig. 2.15. Sección transversal de una hoja de Nerium oleander, mostrando su estructura interna (modificado de Raven et al., 1992).

En el mesofilo de las hojas bifaciales, como la que se muestra en la figura 2.15, hay que distinguir el parénquima en empalizada y el parénquima esponjoso o lagunar. El primero, situado por debajo de la epidermis del haz, está especializado en la fotosíntesis; sus células alargadas y ricas en cloroplastos, están dispuestas con su eje principal perpendicular a la epidermis y aunque presentan un aspecto compacto, en realidad existen importantes espacios intercelulares entre células vecinas. El parénquima esponjoso, en contacto con la cara inferior de la hoja, es el tejido directamente relacionado con la transpiración; sus células heterogéneas se disponen de forma laxa con grandes espacios intercelulares, sobre todo en la zona de los estomas donde forman la llamada cavidad subestomática. En las plantas xerofíticas, el parénquima en empalizada se encuentra en las dos caras de la hoja y en algunas plantas monocotiledóneas, no se aprecia diferencia en el mesofilo, por lo que no se puede distinguir entre ambos tipos de parénquima. Los haces vasculares, colaterales cerrados, recorren el mesofilo de la hoja formando los nervios, directamente relacionados con los sistemas conductores del tallo. Los ner102

vios contienen xilema, generalmente en la parte superior y floema, en la cara inferior. La forma en la que se disponen los nervios varía según los tipos de hojas. En las hojas típicas de dicotiledóneas, la nerviación es reticulada, distinguiéndose un nervio mayor que coincide con el eje principal de la hoja y del cual parten los nervios secundarios. En las hojas de monocotiledóneas, la nerviación es paralela; los nervios son similares entre sí y se disponen paralelos a lo largo de la hoja aunque existe conexión entre nervios vecinos, formándose una compleja red. Existen también hojas uninervias.

4. 4.1.

ESTADO HÍDRICO DE LA PLANTA CONCEPTO Y UNIDADES DE POTENCIAL HÍDRICO

El potencial hídrico (ψ) es la magnitud que representa la capacidad de las moléculas de agua para moverse en cualquier sistema y es una medida de la energía libre del agua en dicho sistema. Constituye la resultante de fuerzas de orígenes diversos (osmótica, capilar, de imbibición, turgente...) que liga el agua al suelo o a los diferentes tejidos del vegetal. La planta representa un paso intermedio entre el suelo y la atmósfera en el sistema hidrodinámico suelo-planta-atmósfera. La utilización de una terminología unificada para expresar los conceptos relacionados con las relaciones hídricas en plantas se debe a una propuesta realizada por Taylor y Slatyer en el Symposium on Plant Water Relations, celebrado en Madrid en 1959 y posteriormente publicadas por la UNESCO en los Trabajos de Investigación sobre Zonas Áridas (Taylor y Slatyer, 1961, en Azcon-Bieto y Talón, 1993). Por convenio, el potencial hídrico del agua pura a presión atmosférica y a nivel del mar, es igual a cero, por lo que una disolución acuosa a la presión atmosférica tendrá un valor del potencial hídrico negativo. En el caso de las plantas, las células y tejidos presentan valores negativos de potencial hídrico. Teniendo en cuenta las restricciones a la difusión de solutos, respecto a la de solvente, cuando entre dos sistemas, como puede ser la célula vegetal y el medio externo, se encuentra una membrana semipermeable se producirá un movimiento del agua en dirección a la zona de menor potencial hídrico, tendiendo al establecimiento del equilibrio cuando la diferencia de potencial hídrico (ψ) sea cero y los valores de este parámetro a ambos lados de la membrana, iguales. En cualquier sistema y en las plantas en particular, el potencial hídrico (ψ) es la suma algebraica de varios componentes: ψ = ψ p + ψs + ψ m + ψg Donde (ψ)p, (ψ)s, (ψ)m, (ψ)g, son las componentes debidas a las fuerzas de presión, osmótica, mátrica y gravitacional, respectivamente. El componente gravitacional es consecuencia de diferencias en energía potencial debidas a diferencia de altura con el nivel de referencia, siendo un componente generalmente ignorado en los sistemas vegetales, excepto cuando se considera el movimiento del agua en grandes árboles. En Fisiología Vegetal, las unidades de potencial hídrico se expresan tradicionalmente en unidades de presión, cuya medida en el Sistema Internacional (SI) es Newton m–2, 103

llamado pascal (Pa). En la tabla 2.2 se muestran las equivalencias entre diferentes unidades de presión. La unidad estándar utilizada para el potencial hídrico (y) es el Megapascal (MPa), siendo: 1 atmósfera = 101325 N m–2 = 0,1013 MPa = 1013 Pa. Tabla 2.2. Unidades de presión y sus factores de conversión Pascal –2

1 Pascal (N m ) = 1 bar (daN cm–3) = 1 N mm–2 = 1 kp m–2 = 1 kp cm–2 (1 at) = 1 atmósfera (760 Torr) = 1 Torr =

4.2.

1 100.000 105 9,81 98.100 101.325 133

bar –5

N mm–2 –6

10 10 1 0,1 10 1 9,81 × 10–5 9,81 × 10–6 0,981 0,0981 1,103 0,1013 0,00133 1,33 × 10–4

kp m–2

kp cm–2 (at)

atm

0,102 10.200 1,02 × 105 1 10.000 10.330 13,6

0,102 × 10 1,02 10,2 10–4 1 1,033 0,00132

0,987 × 10 0,987 9,87 0,968 × 10–4 0,968 1 0,00132

–4

Torr –5

0,0075 750 7.500 0,0736 736 760 1

COMPONENTES DEL POTENCIAL HÍDRICO EN PLANTAS

El potencial hídrico en plantas consta de tres componentes: potencial de presión, de solutos y mátrico, respectivamente. La expresión algebraica del potencial hídrico es la siguiente: ψ = ψ p + ψs + ψm El potencial de presión (ψp) representa la presión que ejerce la pared celular sobre el protoplasto para contrarrestar la ejercida desde dentro de la célula, denominada presión de turgencia, como consecuencia del aumento del volumen vacuolar. El potencial de presión actúa como una presión hidrostática, que aumenta la energía del agua en el interior de la célula y toma valores positivos máximos en la célula llena de agua, siempre que la vacuola ejerza presión sobre la pared, disminuyendo a medida que la célula pierde agua y turgencia. Cuando la célula pierde agua, se produce la contracción progresiva de la vacuola, con pérdida de la turgencia celular y caída del potencial de presión (ψp) hasta alcanzar un valor igual a cero en la etapa llamada plasmólisis incipiente (figuras 2.16 y 2.19). Excepcionalmente, se dan casos de valores negativos del potencial de presión, en casos de succión o tensión. El potencial mátrico (ψm), está relacionado con las fuerzas que retienen moléculas de agua. El agua es retenida por capilaridad por las microfibrillas de celulosa de las paredes celulares. En el citoplasma, las moléculas de agua son adsorbidas por macromoléculas y sustancias coloidales. El potencial mátrico es un componente negativo, que disminuye el potencial hídrico, y que se supone nulo en las células jóvenes de paredes finas para las cuales el cálculo del potencial hídrico se reduce a ψ = ψp + ψs. En los demás casos, el valor de ψm no es despreciable y su efecto es más pronunciado a medida que disminuye el potencial hídrico. 104

INICIAL Tonoplasto Citoplasma

INICIAL Plasmalema

Potencial de presión

Pared celular

H2O Fluido vacuolar

Fluido vacuolar

ψs = – 0,5 MPa

ψs = – 0,5 MPa

ψp = 0 MPa

ψp = + 0,5 MPa

Interior de la célula

Interior de la célula

ψ = ψs + ψ p o

ψ = ψs + ψ p o

– 0,5 = – 0,5 + 0

0 = – 0,5 + 0

Fig. 2.16. Movimiento del agua entre los distintos compartimentos de una célula vegetal adulta colocada en agua (ψ = 0) (potencial osmótico del jugo vacuolar, ψs = – 0,5 MPa) (Azcón-Bieto y Talón, 2000).

El potencial osmótico (ψs) es una medida de la concentración de solutos osmóticamente activos en la vacuola. En la célula vegetal toma valores negativos, ya que los solutos disueltos disminuyen el potencial químico del agua y varía con el volumen celular, aproximándose a cero en las células totalmente hidratadas. Las distintas situaciones celulares dan lugar a cambios en la contribución relativa de los tres componentes del potencial hídrico. En general, el potencial hídrico disminuye por la adición de solutos, por el incremento de las fuerzas matriciales, por la existencia de tensiones negativas (xilema) y por el descenso de la temperatura del sistema. La presencia de presión de pared sobre el contenido celular y el incremento de temperatura producen un aumento del potencial hídrico. 4.3.

FENÓMENOS DE DIFUSIÓN

Los fenómenos de difusión son de gran importancia en las relaciones agua-planta. La difusión permite a las moléculas de un cuerpo repartirse uniformemente entre las de otro debido a la energía cinética de dichas moléculas, y es capaz de provocar gradientes de presión responsables de un flujo masivo de agua. 105

En la planta, las paredes y membranas celulares son permeables al agua líquida, que actúa como vehículo para el desplazamiento de solutos. Los puentes de hidrógeno son responsables del transporte del agua en la planta, mientras que los fenómenos de difusión están relacionados con la toma de agua por el sistema radicular y con la salida del agua de la planta hacia la atmósfera. Podemos distinguir dos tipos de difusión: ósmosis e imbibición. La ósmosis es el fenómeno de difusión de agua a través de una membrana semipermeable, es decir, que permite el paso a su través, de agua pero no de solutos, desde la zona donde el contenido de agua en la disolución sea mayor, hasta otra donde dicho contenido sea menor. El fenómeno osmótico se pone de manifiesto y se puede cuantificar mediante un osmómetro, en el que se ponen en contacto dos disoluciones con distinta concentración de solutos (figura 2.17). El agua pura atraviesa la membrana semipermeable hacia el recipiente interno, que está conectado por un tubo de vidrio a un manómetro. El aumento de la altura de la columna de agua en el tubo produce un aumento de la presión hidrostática hasta igualarse con la presión osmótica, impidiendo la entrada de más cantidad de agua. En este equilibrio, el nivel del interior del recipiente se mantiene constante (figura 2.17a). La célula vegetal se puede comparar con un osmómetro, donde el contenido interno sea el contenido hidrosoluble de las vacuolas, el espacio externo sería el medio exterior a la pared celular de donde procede el agua embebida de forma continua y la barrera semipermeable serían la membrana celular (plasmalema) y de las vacuolas (tonoplasto) (figura 2.17b). El término presión osmótica se puede definir como la presión necesaria para contrarrestar el paso de agua pura hacia el interior de una solución acuosa a través de una membrana semipermeable, siendo directamente proporcional al número de moléculas disueltas en una cantidad de disolvente. Se emplea preferentemente el término potencial osmótico, igual a la presión osmótica en valor numérico, pero con signo contrario, siendo este último negativo. En células y tejidos vegetales muy desecados, los mecanismos de absorción de agua inicialmente no están regulados por fenómenos osmóticos, sino por la presencia en el citoplasma de las células de compuestos orgánicos de naturaleza coloidal, con (b)

(a)

Pared celular Plasmalema Solución (H2O) + solutos

Hg

Membrana semipermeable

Vacuola

Tonoplasto Mesoplasma H2O

Fig. 2.17. Osmómetro (a) y modelo de analogía para las características osmóticas de una célula vegetal de tipo parenquimático (b) (modificado de Barceló et al., 1992).

106

una gran capacidad para formar puentes de hidrógeno. La presencia de estas sustancias desencadena el fenómeno de imbibición, mediante el cual atraen moléculas de agua, produciéndose un hinchamiento considerable del material. En este caso, el potencial mátrico indica la capacidad de absorción de agua por imbibición. 4.4.

EL AGUA EN LA CÉLULA

Los fenómenos hídricos de las plantas están determinados por los que ocurren en las células que las integran puesto que es en su interior donde se encuentra fundamentalmente toda el agua del vegetal. La pared celular o membrana de secreción es una estructura relativamente rígida que rodea la célula vegetal. En las células jóvenes sólo existe la pared primaria, compuesta por hemicelulosa y sustancias pécticas. A medida que la célula va madurando, sobre la cara interna de esta pared primaria se van depositando capas de celulosa que constituyen la pared secundaria. La celulosa de la pared celular es altamente permeable al agua y a las sustancias disueltas. Algunas células especializadas sufren modificaciones en su pared por depósito de determinadas sustancias como lignina, suberina, cutina, sales minerales, compuestos tánicos, colorantes, gomas, etc. que alteran la permeabilidad de dichas paredes. En las células vivas, más del 50% del volumen de la pared primaria está ocupado por agua. Esta agua está retenida mediante fuerzas mátricas que fijan sus moléculas a las fibrillas de la pared por medio de puentes de hidrógeno, y por fuerzas de capilaridad en los espacios entre fibrillas. Las mencionadas modificaciones de la pared por depósitos de lignina, suberina, etc., producen una reducción del espacio disponible en la pared para el almacenamiento y movimiento del agua. La pared celular rodea al protoplasma, delimitado exteriormente por la membrana plasmática o plasmalema, que es una fina película en cuya composición química participan lípidos, proteínas y cadenas polisacáridas unidas a los polipéptidos. El núcleo es el orgánulo celular de mayor tamaño y está presente en todas las células vivas, excepto en las células floemáticas, cuya actividad metabólica está regulada por las llamadas células anejas. El núcleo desempeña un papel esencial como depositario de la información genética de la célula y es responsable de las funciones vitales de la misma. Rodeando al núcleo se encuentra una membrana lipoproteica de naturaleza y estructura similares al plasmalema. El citoplasma contiene diversos orgánulos y estructuras membranosas inmersas en una matriz denominada plasma fundamental. El agua forma parte importante del contenido citoplasmático (85-90%). Entre los orgánulos citoplasmáticos se encuentran los plastidios, mitocondrias, ribosomas, cuerpos de Golgi o dictiosomas, retículo endoplasmático, peroxisomas, microtúbulos, etc. que realizan las distintas funciones celulares. Hay que destacar, en la célula vegetal, la existencia de distintas cavidades rodeadas de membrana, llamadas vacuolas, que contienen en su interior materiales de reserva y productos del metabolismo. En las células vegetales maduras, suele existir una gran vacuola central que ocupa todo el volumen celular llegando incluso a desplazar al núcleo. La membrana vacuolar o tonoplasto posee permeabilidad selectiva, siendo precisamente los solutos del jugo vacuolar responsables, en gran parte, de los fenómenos 107

de captación de agua por la célula. Hay que considerar, que en las células vegetales, la fracción principal de agua está en las vacuolas, aunque también existe cierta cantidad asociada al resto del protoplasma. Los demás orgánulos celulares (plastidios, mitocondrias, etc.) también están rodeados de membranas con permeabilidad selectiva y constituyen unidades osmóticas distintas dentro del protoplasma, siendo las cantidades de agua en su interior, relativamente pequeñas. Una característica fundamental de la célula viva es que la composición de su jugo celular es muy diferente a la del medio que la rodea. Las diferencias de composición entre los medios intra y extracelulares están relacionadas con la existencia de la membrana plasmática o plasmalema que posee permeabilidad selectiva, es decir, que permite el paso de determinadas sustancias e impide el de otras. La pared celular es permeable al agua y los iones, pero la membrana plasmática, con su permeabilidad selectiva, se opone a una entrada indiscriminada de sustancias, con lo que la célula queda protegida frente a cualquier fluctuación o cambio en la composición del medio que la rodea. El plasmalema es más permeable al agua que a los solutos. La entrada o salida de agua de la célula viene determinada principalmente por el gradiente de concentraciones existente entre el medio externo y el interior de la misma. 4.5.

RELACIONES HÍDRICAS EN CÉLULAS Y TEJIDOS

En una célula vegetal colocada en un medio hipotónico, debido a la diferencia de presión osmótica interna y externa, se produce un flujo de agua hacia el interior celular que da lugar a un incremento de volumen vacuolar que hace que el plasmalema se adose interiormente a la pared celular (turgencia celular) ejerciendo sobre ella la llamada presión de turgencia (ψp), contrarrestada desde la pared por una presión de igual magnitud y sentido opuesto, llamada presión de pared (figura 2.18a).

a) Medio hipotónico (turgencia).

b) Medio hipertónico (plasmólisis).

c) Medio isotónico (plasmólisis incipiente).

Fig. 2.18. Estados osmóticos de la célula vegetal (modificado de Barceló et al., 1992).

La presión de turgencia (ψp) en general se opone a la entrada de agua hacia el interior de la célula y por lo tanto tiene signo contrario al potencial osmótico. El balance entre ambas fuerzas determina la entrada o no del agua a la célula, y su suma, conservando cada una su signo es el potencial hídrico, que representa la capacidad de una célula en un momento dado para tomar agua de un medio acuoso, según la expresión: ψ = ψs + ψp. 108

Cuando la célula se encuentra en medio hipertónico se produce la salida de agua desde la vacuola hacia el exterior. El descenso del volumen vacuolar provoca el retraimiento del citoplasma, despegándose en parte de la pared celular, dando lugar al fenómeno de la plasmólisis (figura 2.18 b). En un medio isotónico se establece un equilibrio estacionario sin cambio aparente del volumen celular (figura 2.18 c)

Presión (unidades arbitrarias)

Las relaciones hídricas de las células y tejidos vegetales se representan mediante el diagrama de Höfler (figura 2.19), donde se muestran las relaciones entre el volumen celular, el potencial hídrico (ψ) y sus dos componentes, potencial de presión (ψp) y potencial osmótico (ψs), a medida que la célula pierde agua.

(+) ψp

0 ψ

ψs (–)

0,9

1,0 1,1 Volumen relativo del protoplasto

Plasmólisis incipiente Fig. 2.19. Diagrama de Höfler donde se muestran las relaciones entre potencial de presión (ψp), potencial de solutos (ψs) y potencial hídrico (ψ), a medida que se modifica el volumen del protoplasto, en células sumergidas en agua pura. (Adaptado de Hopkins, 1995, en Azcón-Bieto y Talón, 2000).

En una célula flácida, la presión de turgencia es nula y el potencial hídrico es igual al potencial osmótico (de igual valor absoluto que la presión osmótica). Al entrar agua en la célula, el potencial osmótico disminuye en valor absoluto y la presión de turgencia aumenta. Cuando el potencial osmótico se hace igual en valor absoluto a la presión de turgencia, el potencial hídrico vale cero. En este punto la célula no puede tomar más agua y se alcanza la plena turgencia. 109

Célula flácida: (ψp) = 0; (ψ) = (ψs). Célula en plena turgencia: (ψ) = 0; (ψp) = (ψs). Generalmente, en las plantas se observa marchitez en las hojas, cuando se alcanza el punto de turgencia cero, llamado como se ha dicho anteriormente, de plasmólisis incipiente. 4.6.

MEDIDA DEL POTENCIAL HÍDRICO

Existen diferentes métodos de medida del potencial hídrico que pueden ser clasificados en: 1.

Métodos de compensación en fase líquida.

2. Métodos de compensación en fase gaseosa. 3. Métodos psicrométricos. 4. Métodos de cámara de presión. 4.6.1.

Métodos de compensación en fase líquida

Este tipo de métodos se basan en que la transferencia de agua entre una solución y el material sumergido en ella puede ser medida por cambios de concentración en la solución, cambios de volumen del material y cambios de volumen en la solución test. El tipo de soluciones empleadas no ha de modificar la estructura del material, siendo la membrana semipermeable a ellas y no ha de ser metabolizada por los tejidos vegetales, ni modificada por microorganismos en condiciones no estériles. Las soluciones más empleadas son de sacarosa, manitol o polietilenglicol. Si se trata de medir el potencial hídrico de una célula aislada se valoran sus cambios de volumen al microscopio en soluciones test de diferentes potenciales osmóticos, bordeándose la preparación con una sustancia impermeable que impida la transferencia de agua al medio ambiente. En tejidos se determinan los cambios de volumen por variación en la longitud de segmentos de tamaño adecuado, que se miden al microscopio provisto de micrómetro objetivo y ocular en una gota de parafina. La solución que no varíe el volumen de la muestra tendrá un potencial osmótico igual al potencial hídrico de la muestra problema. También pueden hacerse las determinaciones por gravimetría, midiéndose la captura o pérdida de agua de la muestra por diferencias de pesada antes y después de alcanzado el equilibrio en las diversas soluciones. En los métodos refractométricos la muestra se recubre simplemente con la solución test, y los intercambios de agua se determinan por variación en la concentración de la solución que se cuantifica por cambios en el índice de refracción. En los métodos micropotométricos se manejan un juego de micropotómetros, conteniendo cada uno de ellos una solución distinta donde se introduce la muestra. Si el micropotómetro absorbe agua, la burbuja se desplaza hacia el lado de la muestra, mientras que si pierde agua el desplazamiento de la burbuja será en sentido contrario. La solución en la que la burbuja no se desplaza nos dará el potencial hídrico de la muestra. 110

4.6.2.

Métodos de compensación en fase gaseosa

Este tipo de métodos difiere de los anteriores en que el material no se sumerge en la solución, sino que se equilibra a través de la atmósfera en una cámara cerrada. Los métodos gravimétricos deducen las transferencias de vapor ocurridas por determinación de los cambios de peso fresco del material a valorar. En este tipo de métodos se disponen las muestras de tejido en el interior de cámaras herméticamente cerradas, en donde la humedad relativa del aire alrededor de la muestra se ajusta por medio de una solución valorada de potencial osmótico conocido, encerrada junto al mismo, dejándose que alcance el equilibrio durante varias horas a temperatura constante en un baño termostatizado. En la actualidad, los aparatos más utilizados en la medida del potencial hídrico en tejidos vegetales y sus componentes son el psicrómetro de termopares, y la cámara de presión (figura 2.20). 4.6.3.

El psicrómetro de termopares (figura 2.20a)

Este instrumento determina la presión de vapor relativa del aire en equilibrio con la del tejido, basándose en el principio de que la presión de vapor relativa de una solución o muestra de tejidos vegetales está relacionada con su potencial hídrico. La muestra de tejido problema se introduce en una cámara herméticamente cerrada, (figura 2.20a) donde se deja que alcance el equilibrio, generando una presión de vapor relativa o humedad relativa en la cámara igual al potencial hídrico del tejido vegetal. La determinación de los potenciales ψp y ψs puede hacerse utilizando el psicrómetro de termopares anulando uno de los componentes de la ecuación ψ = ψp + ψs y determinando el otro. Normalmente se recurre a la congelación y descongelación del material vegetal con lo que se destruyen las membranas impidiéndose la turgencia y pudiéndose despreciar normalmente los efectos mátricos. En estas condiciones ψ = ψs, y el ψp se calcula por diferencia entre el ψ del tejido vivo y el ψ del congelado/descongelado. El psicrómetro de termopares tiene la ventaja de poderse utilizar para la determinación del potencial hídrico, así como sus componentes, en cualquier parte del sistema suelo-planta, y necesitando sólo una pequeña parte de tejido. 4.6.4.

La cámara de presión o cámara de Scholander (figura 2.20b)

Es un método rápido y el más utilizado en campo. Se dispone el trozo de la planta dentro de una cámara, asomando hacia el exterior la zona de corte. Se basa en aplicar presión que se va aumentando paulatinamente sobre el material cortado (hoja, fragmento de rama, etc.), hasta que aparece la primera gota de líquido en la zona de corte. La presión se puede lograr mediante la inyección de aire o nitrógeno desde una bombona (húmedos para evitar la transpiración del material). Se considera que la presión positiva aplicada, marcada por el manómetro, anula la presión negativa o tensión con que el agua estaba retenida en el interior del tallo o pecíolo antes de ser cortados. 111

Fig. 2.20. Diferentes métodos de medida del potencial hídrico de la planta. a) Psicrometría; b) Cámara de presión (Azcón-Bieto y Talón, 1993).

5.

ABSORCIÓN Y TRANSPORTE DEL AGUA EN LA PLANTA

En la absorción y transporte del agua por la planta hay que distinguir tres etapas bien diferenciadas: • Movimiento radial en la raíz. • Ascenso del agua a través de raíz y tallo. • Conducción a través de la hoja. Si no hay barreras que se opongan, este desplazamiento se realizará sin gasto de energía. 112

5.1.

MOVIMIENTO RADIAL DEL AGUA EN LA RAÍZ

La absorción de agua se produce siguiendo gradientes decrecientes de potencial hídrico del suelo a la raíz, es decir, mientras que las células de la raíz tengan un potencial hídrico mayor en valor absoluto que el del suelo, entrará agua hacia la raíz. El aumento de la concentración de solutos en la célula o la disminución de su presión de turgencia aumentará la diferencia de potencial hídrico con la solución exterior y favorecerá la absorción del agua, mediante un mecanismo de transporte pasivo en su mayor parte. Los procesos de captación de agua por la raíz y de pérdida de vapor de agua por la parte aérea de la planta, transpiración, se encuentran relacionados a través de las columnas continuas de agua del xilema. Podemos decir que existe un continuo «suelo-raíztejido vascular-hoja», tal y como se muestra en la figura 2.21. El flujo de agua será directamente proporcional a la diferencia de potencial hídrico pero también dependerá de las resistencias que encuentre en su recorrido, de forma que ante varios caminos posibles, se dirigirá mayoritariamente a través de las zonas de menor resistencia. El camino que siguen el agua y los solutos en la planta puede ser apoplástico, simplástico, o una combinación de ambos.

Fig. 2.21. Transporte de agua de suelo a atmósfera (http://www.euita.upv.es/varios/biologia).

113

Teóricamente el agua puede seguir dos caminos para atravesar la corteza, uno extracelular, el apoplasto (conjunto de paredes celulares y espacios intercelulares muy abundantes en la corteza radicular), y otro intracelular, el simplasto (conjunto de protoplastos interconectados mediante plasmodesmos) atravesando la membrana protoplasmática y entrando en el citoplasma y la vacuola, realizándose, en este último caso, el paso de célula a célula a través de los plasmodesmos. Se considera que el apoplasto presenta una menor resistencia al paso de agua que el simplasto por lo que la mayor parte del agua que atraviesa la corteza radicular lo hace utilizando la vía extracelular hasta llegar a la endodermis. Debido a la presencia de las bandas de Caspary, la vía apoplástica en la endodermis opone gran resistencia, siendo el flujo de agua a través de estas paredes prácticamente nulo y el agua atraviesa las membranas citoplasmáticas y los protoplastos de las células endodérmicas, tal y como se muestra en la figura 2.22, que presentan menor resistencia que las paredes. Es decir, en aquellos puntos donde la endodermis esté perfectamente formada e intacta, el agua y los solutos habrán de atravesarla a través de los protoplasmas de sus células, aunque en muchos casos la endodermis está rota por la salida de las raíces laterales formadas a partir del periciclo (interno a la endodermis) y estas roturas pueden abrir un camino al paso de sustancias. Así pues, el transporte del agua hasta el cilindro central se verá influido por la resistencia del simplasto y de las membranas que deba atravesar y puesto que para la correcta funcionalidad de las membranas se necesita ATP, cualquier factor que afecte negativamente a la respiración afectará al transporte del agua. Por otro lado aún cuando el movimiento del agua a través de las paredes celulares sea un movimiento pasivo, al encontrarse las paredes atravesadas por plasmodesmos, este transporte pasivo se verá afectado por los diversos factores que influyan en el estado del protoplasma (aireación, inhibiciones de la respiración, temperatura, etc.).

Epidermis Agua

Protoplastos (SIMPLASTO) Corteza

Agua

Paredes celulares (APOPLASTO) Plasmodesmos Endodermis Periciclo Vasos del xilema

Pelo absorbente Espacios intercelulares (APOPLASTO)

Banda de Caspary

Fig. 2.22. Transporte de agua de en raíz (ruta simplástica y apoplástica) (http://www.euita.upv.es/varios/biologia).

114

Una vez superada la endodermis, el agua vuelve a encontrar menor resistencia en la vía apoplástica. 5.2.

ASCENSO DEL AGUA A TRAVÉS DE LA RAÍZ Y TALLO

Al tener las plantas terrestres separadas en el espacio el órgano de captación sustancias inorgánicas y el realizador de fotosíntesis capaz de transformarlas en orgánicas en presencia de luz y CO2, aparece la necesidad del transporte de sustancias entre raíz y hojas por los tejidos vasculares, ya que el simple movimiento por difusión de célula a célula es demasiado lento. El tejido conductor de agua y sales minerales es el xilema, y dentro de él, las traqueidas y elementos traqueales, ya que las fibras y células parenquimáticas que las acompañan prácticamente carecen de función transportadora. En la madurez, traqueidas y elementos traqueales son células muertas, sin protoplasma, es decir huecas, y con las paredes secundarias con refuerzos de lignina, por lo que el transporte del agua a través de ellas encuentra mínima resistencia. 5.3.

CONDUCCIÓN A TRAVÉS DE LA HOJA

Los vasos conductores del tallo penetran en la hoja formando venas que tienen uno o más haces vasculares. Cualquiera que sea la disposición de los haces vasculares que abastecen la hoja, hay una amplia red de venas de forma que el tejido conductor está muy cerca de todas las células foliares. Cuando el agua sale de los conductos vasculares, se mueve de célula a célula fundamentalmente a través de las paredes celulares, se evapora a través de las superficies de las células del mesófilo, sale a los espacios intercelulares y se difunde este vapor hacia la atmósfera a través de los poros estomáticos (ostíolos). 5.4.

MOVIMIENTO DEL AGUA EN RELACIÓN CON LA TRANSPIRACIÓN

Como veremos más adelante, la transpiración se realiza en su mayor parte por los estomas de las hojas y consiste en la emisión del vapor de agua por la planta hacia la atmósfera que la rodea. En muchas especies vegetales, las distancias que separan el lugar de absorción del agua del de transpiración son considerables, alcanzándose incluso en algunas sequoias, los 130 m de altura. Existen diversas teorías para explicar el ascenso del agua en la planta. 5.4.1.

Plantas con transpiración normal. Absorción pasiva. Teoría de la cohesión-adhesión-tensión

Si una planta transpira con velocidad de normal a intensa, el agua en el xilema está bajo tensión, es decir, sometida a una presión negativa que tendería a colapsar los conductos de xilema, si no fuera porque las paredes secundarias, gruesas y lignificadas, de las tráqueas y traqueidas son capaces de resistir esta tensión. 115

El origen de la tensión que se genera en el xilema se explica porque desde las terminaciones xilemáticas de las hojas, el agua fluye hacia el exterior, a través del parénquima de la hoja hacia los espacios intercelulares del mesófilo, para evaporarse en el proceso de transpiración. Al producirse la evaporación del agua por las superficies de la hoja, se reduce el potencial hídrico de las células del mesófilo en contacto con los espacios aeríferos de la hoja, lo que provoca una salida de agua de las células mesofílicas situadas más internamente que disminuyen su potencial hídrico, lo que produce la salida de agua de los conductos xilemáticos de los nervios foliares hacia las células. A su vez se reduce el potencial hídrico del xilema y esta disminución se transmite a lo largo de la columna continua de agua del xilema hasta la raíz. El xilema de la raíz disminuye su potencial hídrico y se provoca la entrada de agua desde la superficie absorbente de la raíz hacia los conductos xilemáticos, y la columna de agua circula hacia arriba por flujo de masa, como se muestra en la figura 2.21. La continuidad de la columna de agua es posible debido a que las moléculas de agua se unen entre sí por fuerzas de cohesión y a otras moléculas por fuerzas de adhesión, de ahí el nombre de esta teoría. Así pues debido a la transpiración el agua contenida en los vasos del xilema quedará sometida a una presión negativa, o estado de tensión, cuya magnitud depende de la intensidad de transpiración. Así pues, mientras haya transpiración, el potencial hídrico de la raíz (ψ) se mantendrá más bajo que el del suelo, y la absorción de agua se producirá de forma espontánea, siendo imprescindible que la columna de agua se mantenga continua para que la tensión del xilema se transmita hasta la raíz, y permaneciendo la columna de agua unida gracias a las potentes fuerzas de cohesión que atraen entre sí a las moléculas de agua, siendo por otra parte las fuerzas de adhesión de las moléculas de agua a las paredes de las traqueidas y los vasos, tan importantes como la cohesión y la tensión, para el ascenso del agua. En condiciones ideales, una columna de agua puede soportar sin romperse tensiones de –100 a –200 MPa, y aunque en los conductos del xilema no se dan tales condiciones, se ha comprobado que tubos similares en composición y diámetro a los vasos y traqueidas han resistido tensiones de –35 MPa sin que se rompa la columna de agua. Cuanto mayor es el diámetro del tubo, la columna de agua es menos estable y si la tensión es excesiva se produce la cavitación, apareciendo burbujas de aire. Debido a que el ascenso del agua en la planta, fundamentalmente, se explica por la cooperación de la tensión que se genera en el xilema, y las fuerzas de cohesión y adhesión de las moléculas de agua, el modelo se conoce como mecanismo de la cohesiónadhesión-tensión. Se considera que en condiciones de máxima transpiración una tensión de –0,015 y –0,002 MPa /m de altura sería suficiente para contrarrestar el efecto hidrostático de la gravedad y la resistencia al flujo en el interior de los vasos de xilema. Luego en los árboles más altos (en torno a 120 m de altura) sería suficiente una tensión de –2,4 MPa para ascender el agua del suelo a las ramas más altas de la copa, habiendo encontrado valores de potencial hídrico entre –2,0 y –3,0 MPa en árboles de tamaño medio sometidos a transpiración elevada, mientras que en plantas herbáceas se encuentran valores de –0,5 a –1,0 MPa, asimismo en algunas especies del desierto se han encontrado 116

valores de potencial hídrico foliar de –10 MPa e incluso menores (Azcón-Bieto et al., 1993). La demostración primera de la existencia de esta tensión en el xilema estuvo en las variaciones en el diámetro de troncos de árboles sometidos o no a transpiración intensa medidos con la ayuda de un dendrógrafo, como se muestra en la figura 2.23, ya que al aumentar la tensión xilemática los tejidos superficiales pierden agua, disminuyendo el diámetro del tallo. Cuando por la noche los estomas se cierran y la transpiración disminuye, el tallo va recobrando su diámetro original.

6 PM

6 AM

6 PM

6 AM

6 PM

6 6 6 6 6 6 AM PM AM PM AM PM Del 27 de mayo al 3 de junio

6 AM

6 PM

6 AM

6 PM

6 PM

6 AM

6 PM

6 AM

6 PM

6 AM

6 6 6 6 PM AM PM AM Del 1 al 9 de julio

6 PM

6 AM

6 PM

6 AM

6 PM

6 PM

6 AM

6 PM

6 AM

6 PM

6 AM

6 6 6 6 PM AM PM AM Del 9 al 16 de julio

6 PM

6 AM

6 PM

6 AM

6 PM

Fig. 2.23. Variación del diámetro relativo de una haya americana (Fagus grandifolia Ehrh), medida por medio de un dendrógrafo, en tres periodos de una semana (Devlin, 1982).

La utilización de cámara de presión demostró que las hojas de árboles tienen potenciales hídricos inferiores a las de arbustos y hierbas, y que dentro de un mismo árbol las hojas situadas más altas tienen potencial hídrico inferior a las más basales. En general se acepta que el potencial hídrico de las células de las hojas y el del xilema son semejantes y por tanto cuando aparece la savia por el pecíolo el manómetro nos dará el potencial hídrico de las células de las hojas. Para que la hipótesis de la cohesión pueda mantenerse es necesario que: • La diferencia de potencial hídrico originada por la transpiración sea suficiente para mover el agua a las velocidades que se observan. • Exista continuidad de la columna de agua entre las superficies transpirantes y el sistema radicular de la planta. 117

En cuanto al primer punto la utilización de la cámara de Scholander ha demostrado que en general se dispone de un gradiente adecuado de potencial hídrico. En cuanto a la continuidad de la columna de agua cabe preguntarse si dicha columna no se romperá debido a la tensión xilemática. A pesar de las fuerzas de cohesión de las moléculas de agua, las columnas de agua se pueden romper (cavitar), ya que los gases disueltos en el agua, bajo tensiones extremas tienden a escapar formando burbujas (figura 2.24) que se extienden rápidamente y pueden interrumpir la columna líquida y bloquear la conducción (embolia), aunque el agua del vaso bloqueado puede moverse entonces lateralmente hacia otro vaso contiguo a través de las punteaduras y continuar así su camino En gran cantidad de especies herbáceas la interconexión entre las células del tejido vascular es tan extensa que aunque se obstruya parte del mismo, prácticamente no tiene efecto sobre el transporte del agua en conjunto. En árboles viejos, una parte considerable del xilema puede estar obstruido por embolias o depósitos de sustancias que rompen la continuidad de la columna, pero en general hay exceso de xilema respecto al agua que se necesita transportar. Hasta la década de los setenta se pensaba que la cavitación era un fénómeno relativamente poco frecuente, que no afectaba en forma importante al flujo de agua en los conductos xilemáticos. Sin embargo, la aplicación del método de detección acústica en plantas enteras hizo cambiar esta idea. Este método se basa en que la liberación brusca de la presión durante la cavitación hace que las paredes celulares vibren, produciéndose un chas-

Placa perforada

Poro areolado

Aire

Agua líquida

118

Fig. 2.24. Cavitación y embolia (modificada de Raven, P.H., Evert, R.F. y Eichhorn, S.E., 1999. «Biology of Plants». 6th ed., W.H. Freeman and Company). (http://www.euita.upv.es/varios/biologia).

quido que puede detectarse con un equipo apropiado de micrófono y amplificador, aunque en la actualidad aún siguen existiendo dificultades para la utilización de esta técnica como indicador de embolia xilemática ya que parecen existir datos de que muchos fenómenos acústicos se producen en elementos no conductores. Por ello se sigue utilizando como medida básica del embolismo la disminución de la conductividad hidráulica. Los factores que provocan la cavitación son fundamentalmente: • Déficit hídrico asociado a altas tasas de transpiración y altas tensiones xilemáticas en ramas pequeñas y hojas. Parece que las burbujas de aire se filtran a través de las membranas de las punteaduras que separan un conducto bloqueado del contiguo, actuando estas burbujas como núcleos de una ulterior cavitación. • La congelación del xilema en invierno y su descongelación posterior puede dar lugar a la formación de burbujas de aire. • La acción de patógenos, como en el caso del hongo que produce la grafiosis (Ceratocystis ulmi), cuyo principal efecto es la embolia en el xilema, considerándose también que puede producirse el mismo efecto por otros patógenos que producen un marchitamiento rápido del vegetal. Los gases de la burbuja pueden redisolverse si aumenta la presión en el xilema, bien por disminución de la tensión, bien por presión radical (durante la noche). 5.4.2.

Plantas de transpiración lenta. Absorción Activa. Teoría de la presión de raíz

Cuando la planta se encuentra en condiciones de transpiración mínima, la teoría de la cohesión no sirve para explicar el movimiento ascendente del agua en el vegetal, que en este caso se produce debido a la llamada «presión de raíz». Las sales del suelo son absorbidas con gasto de energía, de forma que en el interior de la raíz se alcanza una concentración de sales superior a la del suelo, con lo que aparece un gradiente decreciente de potencial hídrico que provoca la entrada de agua en la raíz, produciéndose una presión hidrostática que llamamos «presión de raíz». El agua es absorbida a consecuencia del proceso de absorción y acumulación activa de sales por el sistema radicular y por ello se dice que se trata de absorción activa de agua, aunque el agua en sí misma entra y se mueve de forma pasiva (sin gasto de energía), atravesando la epidermis y corteza de la raíz y entrando en el xilema, siempre a favor de potenciales hídricos decrecientes (concentración creciente de solutos). Según Crafts y Broyer (1938), este gradiente de sales se consigue debido a que las células de la corteza tienen alta actividad metabólica ya que se encuentran en condiciones de buena aireación y las sales pueden acumularse en forma activa en esta zona de la raíz. Sin embargo en el cilindro central tienen poco oxígeno, y por tanto no disponen de energía suficiente para acumular y mantener concentraciones altas de sales en contra de los gradientes de concentración. Según esta teoría, la absorción y transporte activo de iones se verifica en la zona de la corteza, entran en el citoplasma de las células corticales, se mueven vía simplasto, atraviesan la endodermis y llegan al cilindro central de la raíz. Una vez allí, los iones salen del citoplasma y se mueven por el espa119

cio externo, en dirección hacia el xilema, no pudiendo volver hacia la corteza debido a la barrera endodérmica. Pero el mecanismo pasivo de liberación iónica dentro del cilindro central no es aceptado unánimemente, considerándose la posibilidad de un bombeo activo de iones de las células parenquimáticas del cilindro central. El agua sigue el camino de las sales moviéndose desde la solución del suelo con baja presión osmótica, hasta la savia del xilema, con mayor presión osmótica. La existencia de la presión de raíz se pone de manifiesto por los fenómenos de exudación de savia del xilema, que se producen en muchas plantas herbáceas al decapitarlas cerca del suelo, o en los tocones de árboles recién cortados. Los valores de esta presión se pueden determinar adaptando un manómetro a la superficie cortada del tocón, recibiendo el nombre de presión radical ya que las fuerzas que producen la exudación de savia se originan de la raíz. En condiciones de muy baja transpiración, cuando la planta se encuentra con un sistema radicular aireado, y en condiciones de buena alimentación hídrica y calor, se produce frecuentemente el fenómeno de gutación, que consiste en la aparición de gotitas de líquido en los bordes y ápices de las hojas, siendo la fuerza impulsora la presión radical. Se ha observado no obstante que: • El volumen de agua transpirada por plantas intactas es muy superior al volumen de exudado de tocones de plantas similares. • En muchas especies (coníferas), o bien no se han observado presiones de raíz, o los valores han sido tan pequeños que no pueden explicar el ascenso del agua hasta las copas de estos árboles. • Plantas intactas son capaces de absorber agua de suelos más desecados o de soluciones más concentradas que el sistema radicular de plantas desmochadas análogas. En la actualidad se considera que en general la presión de raíz tiene poca importancia en la absorción y movimiento del agua en la planta. El agua es absorbida pasivamente por la raíz, se mueve radialmente en ella y asciende por el xilema, sobre todo debido a la transpiración de la parte aérea de la planta. Ahora bien, si la transpiración es escasa, la presión de raíz es responsable en gran medida del transporte del agua. Es decir, ambos mecanismos pueden darse en la misma planta, según las condiciones favorezcan o no la transpiración. 5.5.

FACTORES QUE AFECTAN A LA ABSORCIÓN DEL AGUA

En la absorción del agua por la planta influyen las características del vegetal y del medio que lo rodea, considerando que dicha absorción depende de: • Tasa de transpiración. • Longitud del sistema radical. • Tasa de absorción de agua por unidad de longitud radical. • Diferencia de potencial hídrico entre las vacuolas celulares de la raíz y la solución del suelo. 120

5.5.1.

Factores que radican en la planta

Superficie radicular Está claro que cuanto mayor sea el desarrollo del sistema radicular de una planta, mayor será el volumen de suelo capaz de explorar, teniendo así mayores probabilidades de sobrevivir, aunque no aumente la cantidad de agua en el suelo por lluvias o riego. Parece ser que la mayoría de las plantas tienen un desarrollo de su sistema radicular superior al que necesitan para proporcionarles agua suficiente para compensar su transpiración, aunque solo la mitad o incluso la cuarta parte de su sistema radicular se encuentre en un suelo por encima de su porcentaje de marchitamiento permanente.

Permeabilidad de la raíz Sabemos que al ir alejándonos del ápice se va entrando en la zona de crecimiento secundario (zona suberosa), en donde la epidermis ha desaparecido y la corteza se ha suberificado. Medidas del coeficiente de entrada de agua en raíces en distintas especies, dieron los valores más elevados para pelos radiculares y raíces sin suberificar, obteniendo los coeficientes más bajos para raíces suberificadas (tabla 2.3). Tabla 2.3. Coeficiente de entrada de agua en raíces Investigador

Hayward, Blair y Skaling (1942) Rosene (1941) Rosene (1943) Hayward, Blair y Skaling (1942) Kramer (1946) Nutman (1934)

Materia y estado

Maíz, raíces jóvenes en agua

Coeficiente observado

Coeficiente mm3/(cm3) (h)

0,2 mm3/(mm2)(h)

20,0

Cebolla, raíces jóvenes en agua Máx. de 84 × 10–4 mm3/ (mm2)(min) Rábano, pelos de raíz Máx. de 31 × 10–4mm3/ (mm2)(min) Naranja amarga, raíces 0,3 mm3/(mm2)(yh) suberificadas en agua Pino de hoja corta, raíces 3,37 mm3/(cm2)(h) suberificadas en agua Cafeto, todo el sistema de 2,5 ml /(m2)(h) raíces en tierra

50,4 18,6 5,0 3,37 0,25

Kramer, Paul J. Relaciones hídricas de suelos y plantas. Una síntesis moderna. Edutex, 1974.

Sin embargo, en aquellas especies cuyas raíces están en su mayor parte suberificadas (perennes y leñosa), hay una cierta permeabilidad incluso en esas zonas de la raíz. Addons (1946) indicó que el agua atraviesa la zona suberificada de la raíz a través de las lenticelas, roturas producidas por la salida de las raíces laterales, así como por cualquier herida.

Absorción por la parte aérea La mayoría de las plantas tienen una cierta capacidad de absorción de agua, en pequeña cantidad, en forma líquida o de vapor, a través de sus órganos aéreos (hojas fundamentalmente). La importancia de esta absorción depende del potencial hídrico de la hoja y del grado de permeabilidad de la cutina que recubre la epidermis. 121

5.5.2.

Factores externos a la planta

Aunque también las características de la atmósfera tienen influencia sobre la absorción de agua (a través de la transpiración), son sobre todo las del suelo las que pueden actuar como limitantes en la absorción del agua por la raíz.

Concentración de la solución del suelo La raíz absorbe agua debido a la existencia de un gradiente de potencial hídrico decreciente desde la solución del suelo al protoplasma de las células de la raíz. Si la presión osmótica de la solución del suelo es superior a la de las células de la raíz el agua saldrá de la planta en lugar de ser absorbida. Las plantas halófitas, típicas de suelos salinos, tienen el protoplasma celular con presión osmótica más elevada que el de las no halófitas, lo que les permite absorber agua de una solución del suelo con concentración de sales elevada.

Temperatura del suelo La temperatura del suelo influye directamente sobre los mecanismos de absorción, e indirectamente a través de su efecto sobre la velocidad de crecimiento del sistema radicular, de forma que en conjunto, al descender la temperatura disminuye la absorción (tabla 2.4). Tabla 2.4. Influencia de la temperatura del suelo en la absorción de agua en diferentes especies (se midieron los coeficientes de transpiración suponiendo que la absorción era aproximadamente igual a la transpiración en periodos de 24 horas) Experimento

1

2 3

4

5 6 7

Especie

Número de plantas por experimento

Coles (Brassica oleracea acephala DC) Algodón (Gossypium hirsutum L.) Coles Algodón Coles Sandía (Citrullus vulgares Schard.) Pino del incienso (Pinus taeda L.) Pino de hoja corta (P. elloti Engelm.) Pino blanco (P. strobus L.) Pino rojo (P. resinosa Ait.) Olmo (Ulmus americana L.) Alheña (Ligustrum japonicum Thunb.) Girasol (Helianthus annus L.)

Temperatura Transpiración de plantas final enfriadas como porcentaje del suelo de controles a 25 °C

6

12,0

63,0

6 6 6 6 6

12,0 4,3 4,3 1,0 1,0

7,4 53,0 4,3 33,0 1,4

4 4

0,5 0,5

13,7 13,9

4 4 14 12

0,5 0,5 0,5 2,5

37,7 25,0 25,0 47,0

12

1,0

27,0

* Modificado de Kramer (1942). = Las plantas fueron divididas en dos grupos, uno de los cuales fue enfriado unos 5° por noche mientras que el otro permanecía a 25°. (De Kramer, Paul J. Relaciones hídricas de suelos y plantas. Una síntesis moderna. Edutex, 1974).

122

En suelos muy fríos o helados, puede ocurrir la muerte de la planta como efecto de la desecación producida por la transpiración, que no se ve compensada por la absorción de agua, muy lenta en estas condiciones. Al descender la temperatura se produce: • Reducción del crecimiento del sistema radicular lo que, en casos extremos de suelos muy secos, puede provocar el que la raíz no alcance la zona de suelo con suficiente humedad. • Aumento de la viscosidad del agua, dificultándose el desplazamiento de la misma. • Reducción de la permeabilidad de las membranas celulares al aumentar la viscosidad del protoplasma. • Disminución de la actividad metabólica de las células, lo que reduce la absorción activa de sales y como consecuencia la absorción de agua. Siendo los que mayor influencia tienen en la absorción, la viscosidad del agua y la permeabilidad de las membranas.

Aireación del suelo La figura 2.25 muestra como en condiciones de aireación deficiente disminuye la absorción de agua. En estas condiciones, hay menor cantidad de oxígeno disponible, con lo que disminuye la actividad metabólica de la raíz, baja la capacidad de absorción activa de solutos y por tanto desciende el ritmo de absorción de agua.

Sanapudio

Escurrido

150 140 130 120 110 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

Anegado

Transpiración % esperado

Roble rojo (Cedro rojo)

12 16 20 24 28 11 15 19 13 17 21 25 29 12 16 10 14 18 22 26 30 Julio Agosto Septiembre Fig. 2.25. Transpiración en diferentes especies en suelo encharcado. El sanapudio murió pero las otras especies sobrevivieron comenzando su recuperación una vez escurrido el suelo (Parker, 1950 en Devlin, 1982).

123

Si el encharcamiento se mantiene durante un tiempo suficientemente largo, afectará al desarrollo de la raíz disminuyendo la absorción. La tolerancia a estas condiciones depende de la especie, estado de la planta, temperatura, tipo de suelo y duración del encharcamiento. Así pues, en suelos saturados de agua, con drenaje insuficiente, y si las condiciones atmosféricas favorecen la transpiración, pueden aparecer en las plantas síntomas de marchitez, debido a que la transpiración es intensa, mientras que el ritmo de absorción de agua es demasiado lento. Aunque en condiciones de campo, la concentración de CO2 en la atmósfera del suelo no suele aumentar, sin embargo se ha observado que un aumento de CO2 presenta mayor influencia inhibitoria sobre la absorción de agua que la disminución de la concentración de O2, lo que se atribuye al aumento de la viscosidad protoplasmática y disminución de la permeabilidad.

Cantidad de agua disponible en el suelo El agua es retenida por las micelas del suelo mediante la formación de puentes de hidrógeno, de forma tal que, a medida que disminuye el contenido de agua en el suelo, se dificulta la absorción de la misma por la planta. En principio el agua disponible para la planta es la comprendida entre los límites de suelo a capacidad de campo y suelo en punto de marchitamiento. La raíz de la planta absorberá agua siempre que el potencial hídrico de la raíz sea inferior al de la solución del suelo.

6. 6.1.

TRANSPIRACIÓN CONCEPTO Y TIPOS DE TRANSPIRACIÓN

En las plantas, cerca del 90% del agua que entra por las raíces se pierde al aire en forma de vapor mediante el proceso de transpiración, como consecuencia de la apertura de los estomas para captar el dióxido de carbono necesario para efectuar la fotosíntesis. Podemos definir la transpiración como el proceso de pérdida de agua por las plantas hacia la atmósfera en forma de vapor de agua. El agua es absorbida por la raíz y transportada por los conductos de xilema hasta el mesófilo de la hoja donde, a través de sus abundantes espacios intercelulares, se facilita la evaporación del agua por las superficies celulares. La epidermis de la hoja tiene gran cantidad de poros formando los estomas, que comunican los espacios intercelulares del mesófilo con la atmósfera externa que rodea la hoja. La emisión de vapor de agua a través del estoma recibe el nombre de transpiración estomática, existiendo además la transpiración cuticular y la lenticular, produciéndose la cuticular a través de la cutícula (que recubre la epidermis de tallos herbáceos y hojas, excepto el ostíolo del estoma) y la lenticular a través de las lenticelas (pequeñas aberturas de las zonas suberificadas de tallos y ramas). 124

La transpiración estomática es la responsable de la mayor parte del agua transpirada. Solamente cuando los estomas están cerrados, tienen importancia los otros dos tipos de transpiración, ya que las lenticelas son mucho menos abundantes que los estomas, y la cutícula, a pesar de su gran superficie, tiene naturaleza fuertemente hidrofóbica. La transpiración cuticular tiene mayor importancia durante la noche, cuando los estomas están cerrados (con la excepción de las plantas CAM). El grosor de la cutícula varía con las diferentes especies siendo en general mayor en plantas xerofíticas, y tanto más bajo el coeficiente de transpiración cuticular, cuanto mayor es el grosor de la misma. En la permeabilidad de la cutina influyen, el grosor, la edad y el estado de hidratación. En plantas de sombra, de cutícula delgada, la transpiración cuticular llega hasta un 30%, mientras que en plantas suculentas del desierto, esta pérdida es casi inapreciable. Al ir envejeciendo la cutícula, aparecen grietas en ella aumentando la transpiración y parece ser que la cutina se hace menos hidrófoba. En condiciones de sequía, las epidermis pierden contenido en agua, se disponen más densamente y aumentan la resistencia cuticular, y por esta razón la permeabilidad de la cutícula es mayor durante la noche al aumentar su grado de hidratación. De todos modos, los cambios físicos, químicos y en grosor de la cutícula son más lentos e irreversibles que los cambios en el grado de apertura estomática por lo que han sido estos últimos, los más estudiados desde el punto de vista de control de la transpiración. En la tabla 2.5, aparecen datos de transpiración cuticular de algunas especies vegetales. Tabla 2.5. Transpiración cuticular en condiciones estándar de evaporación (mg h–1 y g de peso fresco) (Kramer, 1974). Especie

Impatiens Caltha palustris Fagus sylvatica Quercus robur Sedum maximum Pinus sylvestris Opuntia comanchica

Transpiración (mg/h y g de peso fresco)

130,0 47,0 25,0 24,0 5,0 1,53 0,12

En árboles que pierden sus hojas al llegar el frío, la transpiración lenticular puede provocar una cierta desecación en la planta en la época desfavorable, ya que son las únicas estructuras transpirantes que le quedan, y las temperaturas bajas ralentizan la absorción radical. La transpiración tiene efectos positivos y negativos. Los positivos le proporcionan la energía capaz de transportar agua, minerales y nutrientes a las hojas en la parte superior de la planta. Los negativos son la mayor fuente de pérdida de agua, pérdida que puede amenazar la supervivencia de la planta, especialmente en climas muy secos y calientes. 125

Casi toda el agua se transpira por los estomas de las hojas y del tallo, por lo tanto una planta al abrir y cerrar sus estomas debe lograr un equilibrio entre la absorción de dióxido de carbono para la fotosíntesis y la pérdida de agua de la transpiración. El flujo de agua es unidireccional desde la raíz hasta el brote porque sólo éste puede transpirar. 6.2.

IMPORTANCIA DE LA TRANSPIRACIÓN

Como ya hemos indicado el agua es el componente que en mayor porcentaje se encuentra en los tejidos vegetales. Sin embargo la mayor parte del agua absorbida por las raíces es emitida a la atmósfera mediante la transpiración, mientras que solo una pequeña parte es utilizada en el proceso fotosintético y otro pequeño porcentaje queda en la planta para los procesos de crecimiento. Del agua absorbida, alrededor del 95% se pierde por transpiración y el 5% o incluso menos es utilizado dentro de la planta. En el proceso de transpiración de un vegetal influyen además de las características del medio que lo rodea, las propias de la especie. La relación cantidad de agua transpirada por gramo de materia seca producida nos da una medida de las relaciones de eficacia transpiración/fotosíntesis de la planta estudiada (coeficiente de transpiración). En plantas adaptadas a ambientes secos (con transpiración reducida) y de gran eficacia fotosintética, esta relación es menor de 100, mientras que en la mayoría de las plantas cultivadas, esta relación oscila entre 300 y 600. En la tabla 2.6 se muestran valores de coeficientes de transpiración para algunas especies cultivadas. La cantidad de agua transpirada varía con la especie, por ejemplo, una planta de maíz puede transpirar de 2 a 3 kg de agua en un día, mientras que un cactus grande del desierto, puede perder en ese mismo período de tiempo sólo 25 g de agua. Tabla 2.6. Materia seca producida, agua consumida y coeficiente de transpiración Materia seca (kg m–2) (1) Cultivo

Veza-Avena Cebada Alfalfa Festuca Maíz grano Sorgo Maíz forrajero

Raíces y rastrojo

Aparato vegetativo

Granos

Total (1)

Agua consumida (mm) (2)

Coeficiente de transpiración (3) = (2)/(1)

0,41 0,18 – – 0,36 0,30 0,32

1,59 0,99 2,02 2,27 1,31 0,94 2,92

– 0,94 – – 1,70 1,26 –

2,00 2,11 2,02 2,27 3,37 2,50 3,24

601,44 676,36 1.494,88 1.581,15 1.108,21 861,00 873,70

300,72 319,13 740,04 594,54 328,85 344,40 269,66

(a) (b) (c) (c) (d) (e) (f)

Fuente: Martín de Santa Olalla et al. (1982) (a): Datos promedio de los años 1979 y 1980. (b): Datos promedio de los años 1979 y 1980. Todos los componentes de la espiga, excepto el grano se incluyen en el aparato vegetativo. (c): Datos promedio de los años 1978, 1979 y 1980, incluyéndose el año de implantación. No se contabiliza materia seca de raíces. (d): Datos promedio de los años 1978, 1979 y 1980. Todos los componentes de la mazorca excepto el grano, se incluyen en el aparato vegetativo. (e): Datos promedio de los años 1978, 1979, 1980 y 1981. Todos los componentes de la panícula, excepto el grano, se incluyen en el aparato vegetativo. (f): Datos promedio de los años 1978, 1979, 1980 y 1981.

126

En la tabla 2.7, se muestra para diferentes especies la cantidad de agua transpirada durante el período de crecimiento, observándose grandes diferencias entre especies. Tabla 2.7. Pérdidas de agua en diferentes especies, durante el periodo de crecimiento (Devlin, 1982) Especie

Transpiración en la época de crecimiento en litros

Vigna sinensis Patata Trigo de invierno Tomatera Maíz

6.3.

49 114 204 129 204

PROCESO FÍSICO DE LA TRANSPIRACIÓN

Para que la transpiración pueda realizarse es necesario que el potencial hídrico de la atmósfera sea menor que el de las estructuras de la planta a partir de las cuales se verifica la transpiración (casi exclusivamente las hojas). El valor del potencial hídrico del agua en estado de vapor, ψv, viene dado por la fórmula [1]. R·T HR ψV= ln [1] VH2O 100 siendo: R, constante de los gases (1.987 cal/mol, °K). T, temperatura absoluta. VH2O, volumen molar parcial del agua (como varía el volumen del sistema cuando cambia el n° de moles de agua). HR, humedad relativa. ln, logaritmo natural.

R·T Si en la atmósfera externa, la T fuese de 20° C, sería de 1.350 bares, y la fórVH2O mula [1], quedaría como: ψV=1.350 · ln

HR 100

[2]

HR ≤0 100 Puesto que a la T de 20° C, el potencial hídrico del agua en forma de vapor viene dado por la expresión [2], y debido al alto valor del coeficiente (1.350), para valores de HR incluso muy próximos a 100 tendríamos valores de ψv negativos y con muy altos valores absolutos. El máximo valor que puede tomar la HR es de 100, por lo que ln

En la figura 2.26, se representa gráficamente la variación de ψv al variar la humedad relativa, utilizando para ψv una escala semilogarítmica. Como puede observarse, pequeñas disminuciones de la humedad relativa producen un descenso muy rápido del potencial hídrico. 127

Potencial hídrico atmosférico ψv (bares)

–10.000

–1.000

–100

–10

0

25

50

75

100

Humedad relativa HR Fig. 2.26. Variación del potencial hídrico atmosférico con la humedad relativa (Barceló et al., 1983).

Puesto que en la atmósfera es raro que la HR sobrepase el 95% (ψv = –68 bares) y los valores normales del potencial hídrico en hojas oscilan entre –2 y –15 bares, es fácil de entender que el agua de las plantas se difunda hacia la atmósfera, si la planta no se opone a la difusión cerrando sus estomas. 6.4.

ESTOMAS Y TRANSPIRACIÓN

Como ya se ha indicado anteriormente, la transpiración de las plantas se verifica fundamentalmente a través de las hojas. Dependiendo de la especie, la epidermis de la hoja varía en cuanto a la forma de sus células, número de capas que la componen, disposición y número de estomas, distribución y tipos de pelos o tricomas o carencia de células especializadas. Ya que la mayoría de las hojas tienen estructura aplanada, distinguimos entre la epidermis que recubre la cara superior de la hoja (haz), y la de la cara inferior (envés). En general en dicotiledóneas (sobre todo en especies leñosas), la densidad de estomas es mayor en el envés que en el haz, mientras que en monocotiledóneas, esta densidad suele ser en el haz igual o mayor que en el envés. Sin embargo, la cantidad de estomas presentes en la superficie adaxial (haz) en comparación con la abaxial (envés) es una característica distintiva de diferentes especies, llamando a las plantas con mayor número de estomas en el haz, epiestomáticas; a las que tienen mayor número en el envés, hipoestomáticas, y a aquellas con un número aproximadamente igual de estomas en haz y envés, ambiestomáticas (Gates, 1980). 128

El carácter epiestomático o hipoestomático es una característica fija, pero susceptible de cambiar en ciertas etapas de crecimiento de la planta o en respuesta a estímulos ambientales (Piña, 1994). También la frecuencia o densidad estomática presenta una variación ambiental (Piña, 1994) o a concentración de CO2 en la atmósfera de crecimiento de plantas C3 (Woodward, 1987), pudiendo ser diferente en plantas de la misma especie, entre hojas de un mismo individuo e incluso dentro de una hoja (Esau, 1977). Según Leegod (1993) en plantas C3 el rango va de 40 a 300 estomas por mm2 en el envés, aunque las respuestas morfológicas son dependientes de las condiciones ambientales y en general diferentes para cada especie y variedad. En la tabla 2.8 se muestran densidades de estomas en haz y envés para diferentes especies. Tabla 2.8. Densidad de estomas en hojas de algunas especies (n° mm–2) (Barceló Coll et al., 1983) (1): Weng y Chen, 1998. Especie

Envés

Haz

Especie

Envés

Haz

Alfalfa Arroz (1) Avena Begonia Coleo Geranio Girasol Guisante Judía

138 469 23 40 141 59 150 116 280

170 337 25 0 0 19 85 100 40

Manzano Naranjo Patata Peral Ricino Roble Tomate Trigo Maíz

294 450 160 225 175 820 130 14 68

0 0 51 0 64 0 12 33 52

Los estomas son formaciones del tejido epidérmico que recubre los órganos aéreos de las plantas, encontrándose fundamentalmente en la epidermis de la hoja. El estoma está compuesto por dos células de forma más o menos arriñonada, las células oclusivas (o células guarda), dispuestas de modo que dejan un orificio entre ellas llamado poro estomático u ostíolo. Estas células son las únicas del tejido epidérmico que tienen cloroplastos. Al conjunto de células oclusivas y ostíolo se le llama estoma (figura 2.27). El ostíolo comunica directamente con la cámara subestomática, situada debajo del estoma, en el interior de la hoja, y que está comunicada con los espacios aéreos del mesófilo, como se observa en la figura 2.15 de anatomía de la hoja. En muchas plantas, las células epidérmicas que rodean a las oclusivas están diferenciadas morfológicamente del resto de las células epidérmicas, llamándose células acompañantes (figura 2.28), subsidiarias o accesorias, y participando en el mecanismo de apertura y cierre del estoma. Al conjunto de estoma y células acompañantes se le llama aparato estomático. La forma de los estomas es una característica distintiva de los diferentes grupos de plantas, siendo por ejemplo muy conocida la diferencia entre mono y dicotiledóneas en la forma y distribución estomática (Thomasson, 1997). El tamaño del poro estomático u ostíolo, cuando se encuentra abierto al máximo, oscila entre 3-12 µ de ancho y 10-40 µ de largo. 129

Estoma cerrado

moléculas de agua contacto entre las células oclusivas

fibras de celulosa

Estoma abierto

Fig. 2.27.

Esquema del estoma (abierto y cerrado), con la disposición especial de las fibrillas en las células oclusivas (http://www.efn.uncor.edu/dep/biologia).

Fig. 2.28. Fotografías al microscopio electrónico de epidermis de dicotiledóneas (1); monocotiledóneas con células acompañantes (2); y detalle de estoma abierto (3) (http//www.fhsu.edu/biology//thomassom) (Thomassom, 1997).

El pequeño tamaño del ostíolo y la separación entre los mismos, favorecen la difusión de gases entre los espacios aéreos de la planta y la atmósfera externa. El factor que más influye en el proceso de transpiración de las plantas es la abertura de los estomas de forma que mediante del grado de apertura del poro estomático, controlan el intercambio de gases (vapor de agua, CO2 y O2) entre los espacios aéreos del mesófilo y la atmósfera que rodea la hoja. Los cambios de turgencia de las células oclusivas, provocan la apertura o cierre del ostíolo, de forma que el estoma se abre al aumentar el grado de turgencia y se cierra al disminuir. Las causas de este mecanismo de apertura y cierre son: a) Engrosamiento desigual de las paredes de las células oclusivas. Las zonas más delgadas, y por tanto más fácilmente deformables, se encuentran situadas 130

en regiones de la célula tales que al aumentar la turgencia y dilatarse abren el ostíolo. En unos casos el engrosamiento está en la zona ventral que rodea al ostíolo. En otros (gramíneas), el engrosamiento se encuentra tanto en la zona ventral como en la dorsal. b) Especial distribución de las microfibrillas de celulosa de las paredes, que forman anillos cerrados alrededor de las células oclusivas y dispuestos perpendicularmente al eje del estoma. El aumento de tamaño de las células oclusivas al aumentar el grado de urgencia solo podrá ocurrir en longitud, no en grosor (debido a la existencia de los anillos de celulosa). Además, las células epidérmicas que las rodean ceden más fácilmente a la presión ejercida por este aumento de turgencia por la zona de la pared dorsal que por los extremos de la células oclusivas y el aumento de longitud las obliga a curvarse haciéndose más convexas por la zona dorsal y abriéndose el ostíolo. En la actualidad se atribuye mayor importancia a la distribución de los anillos de celulosa que a los engrosamientos de las paredes de las células oclusivas. Para aumentar su turgencia, las células oclusivas cogen el agua que se encuentra en los espacios intercelulares próximos a ellas y que proviene de la absorbida por la raíz. Las variaciones en el grado de turgencia se deben a cambios en el potencial osmótico. En la regulación de la turgencia actúan conjuntamente una serie de factores: 1. Agua: escasez de agua conduce a pérdida de turgencia y cierre de los estomas. 2. Luz: generalmente en presencia de luz se produce abertura de estomas. 3. Temperatura: altas temperaturas por encima de 25-30° C, conducen al cierre estomático. 4. Contenido de CO2: las bajas presiones parciales de CO2 conducen a la apertura de estomas y las altas las cierran. 5. Regulación hormonal: en plantas marchitas se ha observado que puede aumentar el nivel de ácido abscísico hasta unas cuarenta veces provocándose el cierre de los estomas. Para explicar la influencia de los factores sobre la turgencia de las células oclusivas se han postulados diversas teorías, pero hasta el momento ninguna ha sido aceptada unánimemente. En el primer cuarto del siglo XX, diversos fisiólogos (Lloyd, Loftfield, Sayre), observaron que el contenido en almidón de las células oclusivas era alto en la oscuridad y bajo en condiciones de iluminación, mientras que en el resto de las células del mesofilo y de las células epidérmicas ocurría al contrario (Heath, 1959). En 1926, Sayre, en investigaciones con Rumex patientia, encontró que la apertura máxima de estomas se daba con pH entre 4,2-4,4 siendo el contenido en almidón mínimo. A valores superiores o inferiores se producía cierre de estomas y aumentaba el contenido en almidón. Puesto que además, en presencia de luz, los estomas tienden a abrirse, este autor estableció la hipótesis de que la fotosíntesis al eliminar CO2 aumenta el pH de las células y se produce la hidrólisis del almidón de las células oclusivas, diminuyendo por tanto el potencial osmótico. 131

Con posterioridad Hanes, en 1940, demostró la existencia en tejidos vegetales del enzima fosforilasa que cataliza la reacción: Almidón + n (fosfato inorgánico) fosforilasa pH 7 pH 5 n (glucosa-1-fosfato) En 1948, Yin y Tung descubrieron que el enzima fosforilasa se encontraba realmente presente en las células oclusivas del estoma. Puesto que el almidón es osmóticamente inactivo y la glucosa-1-fosfato es osmóticamente activa, esta reacción se ha considerado que explicaba el efecto del pH en los estomas. Según Steward (1964), es necesario que la glucosa-1-fosfato se convierta en glucosa y fosfato inorgánico para que exista un aumento apreciable de la presión osmótica, ya que el fosfato inorgánico de la reacción ejerce la misma actividad osmótica que la glucosa-1-fosfato. La figura 2.29, representa el esquema de reacciones propuesto por Steward (1964). Almidón pH 5,0

pH 7,0

Glucosa - 1 - PO4

Hexoquinasa y ATP

Fosfoglucomutasa

Glucosa - 6 - PO4 Fosfatasa

O2 para la respiración

Glucosa + Pi

Fig. 2.29. Reacciones metabólicas que intervienen en la apertura y cierre de estomas (las reacciones que conducen al cierre requieren O2 y energía, mientras que las que permiten la apertura, no necesitan dichos factores) (Devlin, 1982).

En la oscuridad, la fotosíntesis cesa, la respiración eleva el CO2 (y por tanto el H2CO3), el pH disminuye y el azúcar se convierte en almidón, aumentando el potencial osmótico y como consecuencia saldrá agua de las células oclusivas, cerrándose el estoma. Steward consideró que el cierre de los estomas consume energía en forma de ATP. En los últimos años ha quedado demostrada la importancia del ión K+ en la apertura y cierre del estoma. 132

Se ha comprobado que la concentración del ión potasio de las células oclusivas es mucho más alta en estomas abiertos que en cerrados. La figura 2.30 muestra la teoría que intenta explicar la acumulación de K+ en estomas abiertos en presencia de luz. K+ Cl–

K+ Cl–

H2O

Células oclusivas Estoma cerrado

Estoma abierto

H2O

Estoma cerrado

CITOPLASMA DE CÉLULA OCLUSIVA CO2– C=0

Almidón C O PO3H – CH2

CH2 2H +

K+

CO2– CHOH

De

ABA

gra da

ció

n

PEP (Fosfoenolpiruvato)

CO2– Oxalacetato

CH2 CO2– Malato Membrana plasmática

Fig. 2.30.

VACUOLA

Probables mecanismos de control en apertura y cierre de estomas (modificado de Barceló et al.,1983).

Según esta teoría, el almidón se degrada vía glicólisis hasta fosfoenol pirúvico (PEP), que reacciona con el CO2 transformándose en oxalacético y posteriormente en málico. Los H+ del málico salen de la célula y para compensar la carga negativa que aparece, entran en ella iones K+ y también cantidades pequeñas de K+ y de Cl–. Existen evidencias claras de la acumulación de K + y malato en la vacuola de las células oclusivas cuando el estoma está abierto. Según este esquema de reacciones, la apertura del estoma consume energía para la salida de H+ y entrada de K+ en las células oclusivas. 133

Para que se produzca el cierre de los estomas es necesario que disminuya la cantidad de malato. El cierre de estomas en la oscuridad o ante altas concentraciones de CO2 se explica porque al aumentar la concentración de CO2 el málico se forma a mayor velocidad que se vierte a la vacuola, el citoplasma disminuye su pH y esta acidificación inhibe la formación del málico (quizá a través de la inhibición de los enzimas que actúan en el proceso de degradación del almidón) y su transporte a la vacuola, no disminuyendo por lo tanto el potencial osmótico de las células oclusivas. El hecho de que las plantas con metabolismo ácido de crasuláceas (plantas CAM) mantengan sus estomas cerrados durante el día y los abran durante la noche podría explicarse por su sistema fotosintético especial. En este tipo de plantas la captación de CO2 se hace durante la noche, fijándolo sobre fosfoenol pirúvico (PEP) y formando el oxalacetato y posteriormente ácido málico y otros ácidos que pasan a la vacuola. Durante el día, estos ácidos salen de la vacuola y liberan el CO2 para ser utilizados en el ciclo de Calvin, según se muestra en la figura 2.31. Precisamente esta liberación del CO2 durante el día podría ser la causa del cierre de estomas en este tipo de plantas en presencia de la luz. OSCURIDAD

LUZ Almidón

Almidón

Almidón NAD+

NAD+

PEP

PEP

CO2

CO2

Oxalacelato

Oxalacelato NADH + H

Ciclo de Calvin

NADH + H+

NADH + H+

+

NADH + H+

NAD+

NADP+ Malato

Malato

Otros ácidos

Otros ácidos Malato, etc. VACUOLA Fig. 2.31.

134

Etapas del metabolismo ácido carboxílico y fotosíntesis de plantas CAM (Barceló Coll et al., 1983).

Por último, si una planta tiene una velocidad de transpiración superior a la de absorción de agua por las raíces, se irá produciendo gradualmente un déficit de agua que tiende a cerrar estomas, con independencia de la luz y concentración de CO2. Con frecuencia, el contenido en almidón de las células oclusivas aumenta, mientras que el de las células del mesófilo disminuye (al hidrolizarse), provocando así una salida de agua de las células oclusivas. Por otra parte, en hojas con síntomas de marchitez se incrementa el nivel de ácido abscísico. La influencia del aumento de ácido abscísico sobre el cierre estomático se explica mediante una interrupción del transporte de H+ hacia el exterior, con lo que no entraría potasio y se bloquea el proceso de formación del ácido málico. 6.5.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA TRANSPIRACIÓN

La velocidad de transpiración de las plantas está influenciada por la acción de factores del medio que la rodea y por las características propias de la especie. 6.5.1.

Factores externos

Luz El aumento de luz produce en general mayor apertura estomática, incrementándose la velocidad de transpiración. En la figura 2.32, se muestra la respuesta del grado de abertura estomática a las variaciones de la luz. La respuesta de los estomas a la luz tiene una explicación fisiológica clara. A través del ostíolo se difunde no sólo vapor de agua sino también el CO2 necesario para la fotosíntesis. En presencia de luz, el estoma ha de permanecer abierto para mantener el nivel de concentración de CO2 necesario para que la fotosíntesis siga realizándose. En la oscu-

Índice de infiltración

6 Nerium oleander 5

A B

4

Nerium oleander

3 2

Zea mays

1 horas 16

18

10

12

14

16

18

20

Fig. 2.32. Ritmos circadianos de abertura y cierre de estomas en maíz (Zea mays) y adelfa (Nerium oleander). El maíz y la adelfa (A) iluminados normalmente. Adelfa (B) colocada en oscuridad a partir de las 12 horas. (Mazliak, 1976).

135

ridad no se realiza fotosíntesis y el estoma se cierra para evitar en lo posible la transpiración. La excepción a esta regla general sería las plantas CAM, debido a su mecanismo especial de fijación fotosintética, como se ha indicado en el apartado 6.4.

CO2 Se ha visto anteriormente el papel fundamental que se atribuye al CO2 en la abertura y cierre de estomas. Parece ser que es la concentración de CO2 en los espacios intercelulares del mesófilo la que controla el movimiento estomático, de forma que al aumentar la concentración por encima de la que se encuentra en el aire se produce el cierre de estomas, incluso en presencia de luz, y disminuye la transpiración. La explicación de este cierre estomático se basa en el hecho de que aumenta el gradiente de concentración de CO2 entre el exterior y la cámara subestomática, se produce mayor flujo de CO2 hacia el interior de la cámara y se establece un desequilibrio entre la velocidad de entrada de CO2 y la fijación fotosintética del mismo. A consecuencia de ello se incrementa el nivel de CO2 en los espacios aéreos del mesófilo y de las propias células oclusivas y el estoma se cierra por el mecanismo descrito en el apartado 6.4.

Temperatura Manteniendo constantes los demás factores que influyen en la transpiración se observa que un incremento de la temperatura dentro del intervalo 0-30° C, supone aumento de la abertura estomática. Al subir la temperatura, se acelera la velocidad de transpiración (se duplica por cada incremento de 10° C). Si la temperatura alcanza valores muy altos, superiores a los 30° C, en general los estomas se cierran probablemente debido a un incremento de CO2 en los espacios intercelulares del mesófilo, ya que a estas temperaturas la fotosíntesis se ve inhibida y la respiración se realiza a velocidades muy altas (figura 2.33). Además de otros posibles efectos directos sobre la apertura estomática, la temperatura influye sobre la humedad relativa del aire, como se observa en la figura 2.34. La humedad relativa disminuye rápidamente al aumentar la temperatura, si no varía la humedad absoluta del aire. Al aumentar la diferencia entre humedades relativas de la cámara subestomática (en general próxima al 100%) y la de la atmósfera externa, a mayor velocidad se difunde el vapor de agua a través del estoma y por lo tanto aumenta la velocidad de transpiración.

Humedad del aire La humedad del aire se expresa normalmente en términos de humedad relativa, expresando ésta la relación existente entre la presión de vapor de la atmósfera y la que existiría en una atmósfera saturada de vapor de agua a la misma temperatura. Puesto que la transpiración es un proceso de difusión de vapor de agua desde la cámara subestomática al exterior de la planta, está regida por las leyes de la difusión, 136

Apertura estomática, en %

100

80

60

40

20

0

5

10

15

20

25

30

35

Temperatura en °C Fig. 2.33.

Influencia de la temperatura sobre la apertura de estomas en hojas de algodón bajo condiciones de luz constante (Wilson, 1948 en Devlin, 1982).

60

100 %

50 70 % 40

50 %

30

20 25 % 10 10 % 0 0

10

20

30

40

Temperatura en °C Fig. 2.34. Efecto de la temperatura sobre la presión de saturación de vapor de agua atmosférico (100% de humedad relativa). Se incluyen las presiones de vapor para humedades relativas no saturantes. En la línea de trazo discontinuo se puede ver el efecto de aumentos de temperatura sobre la humedad relativa, para una misma presión de vapor de agua (Barceló Coll, et al., 1983).

137

siendo tanto más rápida cuanto mayor sea la diferencia de concentraciones de vapor de agua entre la cámara subestomática y la atmósfera externa (figura 2.35). transpiración (unidades arbitrarias) 4

3

2

1

0 0 Fig. 2.35.

25

50

humedad relativa % 75 100

Variación de la transpiración en una planta de girasol, en función de la humedad relativa del aire (Mazliak, 1976).

Velocidad del viento Conforme la hoja va transpirando, la atmósfera en contacto directo con la superficie foliar aumenta su concentración de vapor de agua, disminuyendo por tanto el gradiente de concentración de vapor de agua entre la cámara subestomática y la atmósfera externa y reduciéndose la velocidad de transpiración.

Tasa de transpiración (100 = aire apacible)

Si hay viento, se arrastra el vapor de agua acumulado sobre la superficie de la hoja y la transpiración recupera su ritmo tal y como se muestra en la figura 2.36.

150

125

100

Fig. 2.36.

138

0

2

4 6 Velocidad del viento, m/sg

8

10

Efecto de la velocidad del viento sobre la pérdida de agua por transpiración de hoja de geranio (Bidwell, 1979).

Humedad del suelo El agua que transpiran las plantas ha sido extraída del suelo por las raíces. Cualquier factor que afecte a la disponibilidad del agua en el suelo y la absorción de la misma por la planta afectará a la transpiración. La figura 2.37 muestra los cambios diurnos de transpiración en Phaseolus vulgaris a medida que el suelo se va desecando durante un período de tres días, mostrando cómo la transpiración va disminuyendo a medida que el suelo va perdiendo humedad (días 1, 2 y 3).

Transpiración (g/h/cm2)

3,0

Día 1 2,0

Día 2 1,0

Día 3 MN

MD Tiempo a lo largo del día

MN

Fig. 2.37. Cambios en el ritmo diurno de transpiración en judía común, Phaseolus vulgaris, a medida que el suelo va perdiendo humedad a lo largo de tres días (Baron, 1967 en Devlin, 1986).

En la misma figura observamos que la transpiración máxima se produce al mediodía y la mínima en la noche, debido a que durante el día las temperaturas son más altas y por la influencia de la luz los estomas están abiertos. 6.5.2.

Factores internos

Relación superficie absorbente/superficie transpirante Al aumentar la relación superficie absorbente/superficie transpirante se incrementa la velocidad de transpiración por unidad de superficie foliar, como se observa en la figura 2.38.

Desarrollo de la superficie transpirante A mayor superficie foliar mayor es el volumen total de agua transpirada. Aunque en general la velocidad de transpiración por unidad de superficie foliar suele ser mayor al reducirse el área foliar. 139

Transpiración por cm2 de hoja

0,4

Datos teóricos

0,3

Datos reales

0,2

0,1

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

Área radical dividida por área foliar — — — — curva teórica que cabría esperar en estas condiciones; curva real obtenida en esas condiciones Fig. 2.38.

Transpiración diaria (g de agua cm–2 de área foliar) de Pinus taeda, según la relación área de raíz/área foliar (Parker, 1949, en Devlin, 1982).

En general plantas con poco desarrollo suelen transpirar a mayor velocidad que plantas grandes, aunque la planta de mayor desarrollo tiene mayor pérdida total de agua. Confirman esto las experiencias realizadas con la poda de árboles frutales, de forma que en árboles podados, aunque la pérdida de agua es menor, sin embargo la velocidad de transpiración por unidad de superficie foliar supera a la de árboles sin podar.

Estructura de las hojas Las características de las hojas modifican la transpiración. En plantas xerofíticas, propias de climas con gran sequía, las hojas están adaptadas a estas condiciones con objeto de reducir al máximo la transpiración. Este tipo de plantas posee gruesas cutículas impermeables, estomas hundidos en la epidermis, etc. En tiempo seco, los estomas se cierran y el único camino para la difusión del vapor de agua es la transpiración cuticular, que en plantas xerofíticas es prácticamente nula debido al espesor e impermeabilidad de la cutícula. Sin embargo en condiciones de buena alimentación hídrica las plantas xerofíticas pueden tener velocidades de transpiración mayores que las plantas mesofíticas, debido a la mayor densidad de estomas y de nervios conductores en las hojas xerofíticas. 140

El tipo de metabolismo fotosintético de las plantas también influye en la transpiración. Las plantas con metabolismo fotosintético C4 pueden realizar eficazmente la fotosíntesis a concentraciones de CO2 muy bajas en el mesófilo de la hoja, lo que supone que con los estomas más cerrados que en una planta con ciclo fotosintético C3 podrían realizar eficazmente su fotosíntesis, reduciéndose sin embargo su transpiración si las condiciones son de relativa sequía (las plantas C4 están adaptadas a zonas de sequía más o menos continua a lo largo del día y de la noche). El metabolismo fotosintético de las plantas suculentas, plantas CAM, las hace especialmente adaptadas a oscilaciones importantes de la humedad del día a la noche, de manera que ese tipo de plantas al mantener sus estomas cerrados durante el día y abrirlos en la noche reducen considerablemente las pérdidas de agua por transpiración estomática. 6.6.

EFECTOS DE LA TRANSPIRACIÓN

La transpiración de los vegetales es un mal inevitable, debido a la necesidad de las plantas de realizar un intercambio de CO2 y O2 con la atmósfera, que en muchas ocasiones supone déficits hídricos en el vegetal que lo dañan por desecación, pudiendo provocar su muerte. Existen pruebas a favor y en contra de los efectos positivos que juega la transpiración en el crecimiento y desarrollo de las plantas. Los positivos le proporcionan la energía capaz de transportar agua, minerales y nutrientes desde las raíces a las hojas. Los negativos son la mayor fuente de pérdida de agua, pérdida que puede amenazar la supervivencia de la planta, especialmente en climas muy secos y calientes. Uno de los primeros efectos atribuidos a la transpiración es la refrigeración de la planta, evitando que ésta se sobrecaliente. Cuando entra el CO2 por los estomas, la hoja libera vapor de agua lo que permite la «refrigeración» de la hoja y la captación de agua por las raíces. Debido al gran calor latente de vaporización del agua, la temperatura de la hoja puede ser de 10 a 15° C menor que la del aire circundante. Bajo este aspecto se ha comprobado que las hojas que están transpirando muy lentamente, debido a marchitez, cierre de estomas, etc, suelen estar considerablemente más calientes que el aire, aunque en general no presentan daños debido a calentamiento excesivo. Las plantas xerofíticas, con transpiración muy reducida, soportan temperaturas interiores muy elevadas, del orden de 40-50° C. Como se ha indicado ya en el apartado 5.4 (Movimiento de agua en relación con la transpiración), la transpiración acelera el movimiento del agua a través del cuerpo de la planta e influye en la absorción salina por el sistema radicular de la planta. En cuanto a la influencia de la transpiración sobre la absorción de sales existen dos teorías al respecto: Una de ellas, considera que la transpiración influye en la absorción salina de forma indirecta, cuando ya los iones han sido vertidos al xilema, acelerando su transporte (Broyer, 1943; Howert, 1955; Brouver, 1956). Mientras que la otra considera que los iones penetran en la raíz junto con el agua en corriente de masa, con lo que un aumento de la transpiración provocaría un aumento de la absorción salina (Kramer, 1950; Klyn e Hylmo, 1957). 141

A pesar del tiempo transcurrido desde que se establecieron estas teorías, aún en la actualidad no se ha llegado a dilucidar si actúan uno o los dos mecanismos conjuntamente, pero lo que sí es cierto es que la transpiración influye positivamente en el proceso de absorción y transporte de las sales en la planta. Por último hay que indicar que se considera la transpiración necesaria para el desarrollo normal de las plantas o al menos en algunos casos, ya que algunas especies vegetales se desarrollan con más lentitud si la humedad relativa de la atmósfera es del 100%, mientras que otras no parecen verse afectadas por esta humedad ambiental. 6.7.

MEDIDA DE LA TRANSPIRACIÓN

Existen diferentes métodos estándar para la medida de la transpiración en plantas. En general se necesita la determinación de la cantidad de agua absorbida o del agua transpirada por la planta, considerando que existe una correlación entre absorción y transpiración. Los métodos más habituales de medida son los basados en cambios gravimétricos, cambios del color indicador (cloruro de cobalto), medición del vapor de agua, variaciones volumétricas y de conductancia estomática, habiendo surgido en los últimos años los métodos térmicos. 6.7.1.

Métodos gravimétricos

Se basan en la determinación de las variaciones de peso en planta completa o de hojas o brotes cortados.

Pérdida de peso en plantas completas Se determina midiendo la pérdida del peso del conjunto planta-maceta en un intervalo de tiempo apropiado. Para evitar la evaporación del agua del suelo se cubre la superficie con un material impermeable, impermeabilizándose también el contenedor si fuese de material poroso. Este es el método que se utiliza para determinaciones en campo, lisímetro de pesada, que es un gran contenedor relleno de suelo, que descansa sobre una báscula, quedando enterrado el conjunto bajo la superficie del suelo, y considerándose la forma más apropiada para las determinaciones en campo de la transpiración, a pesar de su elevado coste. Se puede emplear también con plantas que crecen en cultivos hidropónicos, pesando en este caso planta, contenedor y solución nutritiva, aunque en cultivos de este tipo es más fácil determinar la disminución del volumen de la solución, sobre todo si se emplean recipientes transparentes graduados. Los resultados se expresan en gramos o mililitros de agua transpirada/superficie foliar y unidad de tiempo.

Pérdida de peso en trozos de planta (hojas o brotes cortados) Este tipo de mediciones se hace cortando una hoja o brote, y determinando su peso de forma rápida en una balanza de torsión de gran sensibilidad, con intervalos de tiempo muy breves (1-2 minutos) tal y como se muestra en la figura 2.39. 142

Peso (mg) 0

1

2

3

4

5

t (min) Fig. 2.39.

Método de la balanza de torsión para la medida de la transpiración rápida (Gil, 1995).

Se establece la curva de pérdida de peso en función del tiempo, y la extrapolación a tiempo cero sería la tasa de transpiración del órgano, ya que la pendiente inicial se considera representativa de la transpiración en el momento del corte, siendo válido el método si la planta no se encuentra sometida a un déficit hídrico importante, ya que en caso contrario daría valores superiores a la transpiración real, debido a que el cese repentino de la tensión de las columnas de agua supondría una disminución importante de la resistencia y por consiguiente mayores tasas de transpiración. 6.7.2.

Método de color indicador (cloruro de cobalto)

Este método de basa en el cambio de color que experimentan discos de papel de filtro impregnados en una solución ligeramente acética de cloruro de cobalto (3-5%), que se almacenan en un desecador y se desecan posteriormente en estufa. Si el papel está seco es de color azul y expuesto al aire húmedo va gradualmente virando a color rosa. Al poner en contacto el papel impregnado y seco con la superficie de la hoja, el color cambia de azul a rosa, siendo la velocidad con la que se produce este cambio de color, una estimación de la velocidad de transpiración. El procedimiento que se utiliza para impedir que sea la humedad ambiental la responsable en parte del cambio de color, es colocar el papel impregnado y seco en contacto directo con la superficie de la hoja, presionar con una pinzas delgadas de material transparente, y proceder al sellado de los bordes de la pinza, con una sustancia hidrofóbica (por ejemplo jalea de petróleo) tal y como se muestra en la figura 2.40. La tasa de transpiración de la superficie de la hoja cubierta por el papel se estima por el tiempo que se tarda en alcanzar una tonalidad rosa estándar. Este método proporciona medidas bastante inexactas y en muy raras ocasiones coincidentes con los valores determinados por los métodos de pesada. 143

Pinzas transparentes Tira de papel con sal de cobalto Jalea de petróleo

Hoja

Fig. 2.40.

6.7.3.

Método del papel indicador de las sales de cobalto (Gil, 1995).

Medida de la pérdida de vapor

Se trata de métodos fundamentalmente de laboratorio, que pueden reproducir condiciones casi naturales, y se basan en colocar la planta en una cámara donde entra una corriente de aire a velocidad y humedad conocidas, saliendo el aire por otro tubo y determinándose la humedad de salida. La velocidad de transpiración de la planta confinada en la cámara se determina a partir de la diferencia entre las humedades de entrada y salida del aire. Basándose pues en la determinación de la humedad y según el procedimiento utilizado para hacerlo, hay diferentes variantes. Esta cámara puede estar en condiciones muy diversas (luz, humedad, temperatura, etc.), con el fin de reflejar diferentes situaciones ambientales, siendo utilizadas casi siempre para determinar más de un proceso fisiológico (transpiración y fotosíntesis, normalmente) y parámetro (humedad y CO2). Este tipo de mediciones, con variación en las dimensiones de la cámara pueden realizarse en campo, aunque con ciertas limitaciones, debido sobre todo a que el material de las paredes de la cámara no suele ser totalmente permeable a las diferentes longitudes de onda de la luz solar. Uno de los procedimientos clásicos utilizado para la determinación de la humedad es la recogida del aire sobre un material absorbente. Se estima la transpiración del vegetal confinándolo, entero o una parte, en un recipiente de cristal o metacrilato, por el que se hace circular aire con un determinado contenido de humedad y que se hace pasar a la salida por una sustancia absorbente de agua (cloruro cálcico, pentóxido de fósforo o similares) y cuyo peso conocemos previamente (figura 2.41). 144

La determinación de la humedad del aire que se inyecta se realiza haciéndolo pasar por el mismo recipiente, pero sin la planta. Las diferencias de peso del material absorbente, antes y después del paso de aire, nos permite conocer la humedad del mismo. Mientras que la diferencia de peso en el material absorbente, después de pasar el aire por el recipiente con la planta y el que recoge el aire después de atravesar el recipiente sin planta nos permite estimar la transpiración.

A la bomba Aire

Cloruro de calcio

Fig. 2.41. Medida de la transpiración mediante la recogida sobre cloruro cálcico del aire (de humedad conocida) inyectado en un recipiente que rodea una planta en plena transpiración (Devlin, 1982).

También son muy utilizadas las determinaciones mediante analizadores de gases por infrarrojo (IRGA), que utilizan los máximos de absorción del vapor de agua en ciertas longitudes de onda específicas dentro del intervalo de la radiación infrarroja. Se mide la cantidad de vapor de agua antes y después de pasar sobre una hoja. Una de las limitaciones que presenta es que el órgano foliar se encierra en una cámara, lo que altera la tasa transpiratoria, presentando además el inconveniente de que el CO2 presenta máximos de absorción en las mismas frecuencias, por lo que los resultados pueden mostrar interacciones entre ambos gases. 6.7.4.

Método del potómetro

Este método se basa en considerar que la velocidad con la que se absorbe el agua es muy parecida a la velocidad con la que se transpira, bajo el supuesto de que la muestra se encuentre en equilibrio hídrico. Un potómetro es en esencia un recipiente donde se coloca en forma estanco un brote o planta. El recipiente se encuentra a su vez conectado a otro del que absorbe agua a través de un capilar de sección conocida (figura 2.42). Antes de comenzar la medida, se llena el aparato de agua para eliminar el aire. A continuación se introduce una burbuja de aire en el capilar, con la ayuda del agua procedente del depósito suplementario (a). La velocidad con que se desplaza la burbuja nos da una medida de la tasa de transpiración, ya que al conocer la sección del capilar podemos calcular el volumen de agua movilizado al desplazarse la burbuja en un tiempo determinado. El potómetro es más útil si se utiliza con plantas enteras, ya que en los brotes cortados se han suprimido, al menos en parte, las tensiones xilemáticas, así como la resis145

a a

+

Fig. 2.42.

0

–

Potómetro (Devlin, 1982).

tencia radical, además de haberse quizá provocado obturaciones en los vasos por efecto de la cavitación. Por otro lado este método de medición no puede prolongarse durante mucho tiempo debido a la falta de aireación en los órganos sumergidos en el agua. Por último indicar que se trata de un método adecuado para estudiar los efectos de los factores ambientales (temperatura, luz, velocidad de viento) sobre la velocidad de transpiración, sin olvidar que en realidad se está midiendo la velocidad de absorción de agua y solo a través de ella se estima la velocidad de transpiración. Como ya se ha indicado la mayoría del agua transpirada se pierde a través de los estomas, por lo que de forma indirecta, conocer su grado de apertura o su conductancia nos permite una estimación de la transpiración. 6.7.5.

Medida de la apertura estomática

Existen diferentes formas de observar el grado de apertura de los estomas de las hojas.

Replica Mediante este procedimiento se consigue una réplica de la epidermis foliar, usando acetato de celulosa, pintura de uñas transparente, que se deja secar sobre la superficie foliar, luego se despega con una aguja o pinza de disección y se observa al microscopio. Se ha utilizado con mucho éxito la silicona y cinta adhesiva transparente. 146

Porometría Permite determinar la conductividad estomática como un índice de la apertura y cierre de los estomas. Mide el flujo de gases o la difusión que se realiza a través de los estomas. El porómetro más sencillo consta de una pequeña cámara adherida a la superficie de la hoja mediante una junta hermética. El aire entra en la hoja por los estomas que se encuentran fuera de la cámara, difundiéndose hasta el interior de la cámara a través del gradiente de presión originado por una columna de agua de altura dada. La velocidad de descenso de la columna sirve para una estimación del tamaño medio de los estomas próximos a la cámara del porómetro, siendo necesaria la calibración de las lecturas, mediante la observación directa en microscopio del tamaño de los estomas de la hoja. En la actualidad los porómetros que se utilizan son los porómetros de difusión, que miden la velocidad a la que un gas se difunde de un lado a otro de la hoja permitiendo, los más modernos, registros computerizados de las medidas. 6.7.6.

Métodos térmicos

Flujo de savia Como ya hemos explicado, la transpiración estimula los movimientos de agua a través de la planta. Este método fue desarrollado por Granier en 1985 y se basa en la variación de temperatura que experimenta una aguja introducida radialmente en los vasos xilemáticos. Se considera que la aguja tiene temperatura máxima cuando el flujo de savia es nulo, y va disminuyendo al aumentar la velocidad de flujo de savia bruta. Siendo en realidad esta medida una estimación de la velocidad de la savia pero se desconoce el caudal.

Temperatura de los cultivos o termometría de infrarrojos Esta técnica se basa en considerar que la transpiración enfría las hojas por debajo de la temperatura ambiente, de forma que a mayor transpiración mayor será esta diferencia (ver más adelante apartado 7.5). Para la determinación de la temperatura de la cubierta vegetal se utiliza el termómetro de infrarrojos (o pistola de infrarrojos), que suministra la temperatura superficial del elemento sobre el que se apunta y dispara. El fundamento de ese método es la recepción por el detector de infrarrojos del aparato, de la energía infrarroja irradiada por la superficie cuya temperatura queremos determinar. El detector transforma la cantidad de infrarrojos recibida en una señal eléctrica que se convierte, a través de un preamplificador, en una lectura digital en la pantalla del aparato.

7.

BALANCE HÍDRICO: TRANSPIRACIÓN Y ABSORCIÓN DE AGUA

El agua es el recurso más importante para el crecimiento y desarrollo de las plantas, siendo el componente mayoritario de sus células y tejidos. La planta está continua147

mente absorbiendo agua por la raíz y perdiéndola por las hojas. La absorción solamente se produce cuando el potencial hídrico de la planta es mayor que el del suelo (cuando es más negativo), mientras que cuando se igualan los potenciales interno y externo, ya no se produce absorción y la planta se deshidrata. El contenido hídrico de una planta está relacionado con el balance entre los procesos de transpiración y absorción. Así, en días calurosos y soleados, es frecuente la aparición de déficits hídricos temporales al mediodía cuando la pérdida de agua supera la absorción. A largo plazo, una disminución del agua del suelo produce déficit hídricos prolongados. 7.1.

SEQUÍA Y DÉFICIT HÍDRICO

Frecuentemente, las plantas se ven sometidas a situaciones de estrés medioambiental, de las que no pueden escapar por su condición de organismos inmóviles. El estrés en las plantas, se relaciona con algún factor externo que provoca una influencia negativa sobre su desarrollo óptimo. La inmovilidad es la causa de que en las plantas se hayan desarrollado mecanismos para sobrevivir en ambientes diversos, que les han permitido distribuirse ampliamente por toda la Tierra. La sequía es una de las limitaciones ambientales más importantes para la distribución de las especies vegetales y para su desarrollo. En sentido estricto, sequía es el fenómeno meteorológico relacionado con los períodos en los que la precipitación no es suficiente para mantener la demanda evaporativa. El clima mediterráneo se encuentra entre los 30 y 40° de latitud, en ambos hemisferios y se caracteriza por veranos secos y calurosos e inviernos moderadamente fríos y lluviosos (Mitrakos, 1980; Pereira y Chaves, 1993). En estas zonas, la mayor parte de las precipitaciones se producen durante la estación fría, presentándose situaciones de sequía prolongada durante los periodos estivales (Rundel, 1998). En relación con los períodos de sequía, las plantas sufren situaciones de déficit hídrico, que conllevan modificaciones importantes de su fisiología, y que han dado lugar a la aparición de múltiples mecanismos de defensa contra la desecación. El estrés hídrico se considera el principal tipo de estrés en las zonas de clima mediterráneo. En general, las condiciones de sequía extrema, que dan lugar a un pobre aporte de agua a la planta, van acompañadas de condiciones ambientales (baja humedad atmosférica, elevada temperatura) que favorecen una transpiración intensa, por lo que los mecanismos de control habituales de este proceso, pueden resultar insuficientes o inadecuados. Existen variados mecanismos mediante los cuales las plantas se han adaptado al estrés hídrico, con respuestas específicas, que dan lugar a una clasificación de las plantas según sus requerimientos hídricos y los ambientes que ocupan normalmente en: • Hidrófitas: plantas que viven en el agua. • Mesófitas: plantas típicas de ambientes con disponibilidad moderada de agua. • Xerófitas: plantas características de ambientes muy secos. Aunque para el estudio de los mecanismos adaptativos de las plantas al estrés hídrico la ecofisiología utiliza como modelo las plantas xerófitas, resulta especial148

mente interesante estudiar el comportamiento de las plantas mesófitas, bajo situaciones de déficit hídrico, ya que en este grupo se incluyen la mayoría de las plantas cultivadas. El agua puede limitar el crecimiento de un cultivo y su productividad, tanto por la aparición de períodos de sequía más o menos prolongados como por la incidencia habitual de baja pluviometría, que puede hacer necesario la aplicación constante de riegos, con la consiguiente repercusión económica. Este es el principal motivo que ha llevado a agrónomos y dasónomos a una investigación intensa sobre las respuestas de las plantas mesófitas ante la sequía buscando como principal objetivo, determinar su influencia sobre la productividad de los cultivos. El estrés por déficit hídrico puede describirse utilizando el potencial hídrico celular (PHC) como un índice, según el cual se distingue: • Estrés ligero: cuando el PHC disminuye ligeramente, provocando una pérdida ligera de turgencia. • Estrés moderado: el PHC disminuye de –10 a –15 bar, y provoca una pérdida de turgencia suficiente para provocar la marchitez de las hojas. • Estrés severo: ocurre por debajo de –15 bar y da lugar a una fuerte deshidratación acompañada de estrés mecánico. La figura 2.43 muestra de forma esquemática los cambios en el potencial hídrico de un sistema suelo-planta durante un período de secado de 5 días. El potencial hídrico de la planta va disminuyendo progresivamente a medida que disminuye el potencial hídrico del suelo, el cual desciende conforme el suelo pierde agua. En la planta, la caída del potencial hídrico se observa tanto en raíces como en hojas. En el potencial hídrico de la planta se aprecian fluctuaciones diarias, siendo los valores más bajos los correspondientes al mediodía, cuando existe un mayor desequilibrio entre transpiración y absorción y los valores más elevados los registrados al amanecer y al anochecer. Así pues, existe un déficit hídrico durante el día, mientras que la planta se recupera durante la noche, cuando cesa la transpiración, equilibrando su potencial hídrico con el del suelo. Hacia el quinto día los valores de potencial hídrico se aproximan a –15 bar, lo que indica una disponibilidad de agua tan baja para la planta que da lugar al inicio del marchitamiento de sus tejidos, no pudiendo recuperarse aunque se añadiera agua al medio. El estrés por déficit hídrico provoca en el interior de la célula una tensión directa por deshidratación, acompañadas de otras tensiones indirectas (alteraciones metabólicas, cambios en la actividad enzimática, alteración del flujo iónico...). 7.2.

EFECTOS DEL DÉFICIT HÍDRICO SOBRE LOS PRINCIPALES PROCESOS FISIOLÓGICOS DE LAS PLANTAS

Los efectos del déficit hídrico sobre la fisiología de las plantas varían en función de la especie y de su grado de tolerancia, pero también en función de la magnitud de la falta de agua y de la rapidez con que se experimente su carencia. El estrés hídrico comienza cuando el contenido de humedad de los tejidos (intra y extracelular) se desvía del óptimo y sus efectos aparecen en relación con todos los aspectos del desarrollo de las plantas y tienen una particular incidencia en la producción de las cosechas. 149

ψsuelo

0

ψraíces –5 Potencial hídrico –10 (bars)

ψhoja

–15

–20 1

2

3 4 Tiempo (días)

5

6

Fig. 2.43. Representación esquemática de los cambios del potencial hídrico del suelo y de la planta para un período de secado de 5 días (Slatyer, 1967, en Gardner, 1985).

En la tabla 2.9 se expone de forma resumida la secuencia de fenómenos que se suceden cuando aparece un estrés hídrico gradual. Conviene indicar que alguno de los fenómenos finales aparecen como respuesta indirecta a una o más de las manifestaciones iniciales de estrés. Tabla 2.9. Sensibilidad a los déficits hídricos de procesos o parámetros vegetales (Azcón-Bieto y Talón, 2000, en Hsiao, 1973). Sensibilidad al estrés Muy sensible

Relativamente insensible

ψ del tejido que afecta al proceso Proceso o parámetro afectado

0 MPa

– 1,0 MPa

– 2,0 MPa

Crecimiento celular (–) _______ _ _ _ Síntesis de pared (–) ______ Síntesis de proteínas (–) _______ Formación de protoclorofila (–) ________ Nivel de nitrato reductasa (–) _____________ Acumulación de ABA (+) _ ___________________ Nivel de citoquininas (–) _____________________ Abertura estomática (–) _ _ _ _ ________________________ _____ _ _ _ _ _ _ _ Asimilación de CO2 (–) _ _ _ _ _________________________ ____ _ _ _ _ _ _ _ Respiración (–) _ _ _ ________________ Acumulación de prolina (+) _ _ ________________ Acumulación de azúcares (+) ______________

Observaciones Tejido en crecimiento rápido Tejido en crecimiento rápido Hojas ahiladas

Depende de la especie Depende de la especie

La longitud de las líneas horizontales representan el rango de estrés que afecta a un determinado proceso. Las líneas discontinuas significan conclusiones basadas en datos más imprecisos. Los signos (+) y (–) indican aumento o disminución en el parámetro o proceso. 150

El proceso más sensible al déficit hídrico es el crecimiento celular (figura 2.44). La disminución de sólo –0,1 MPa o incluso menos del potencial hídrico externo, provoca una rápida reducción del crecimiento celular, siendo especialmente sensible la elongación celular, y como consecuencia se observa la disminución del crecimiento de la raíz y del brote. Esta sensibilidad explicaría, en parte, el hecho de que el crecimiento de las plantas resulte menos afectado durante la noche cuando el estrés hídrico es mínimo. La división celular, aunque también se ve afectada por el estrés hídrico, es menos sensible que la expansión celular. Generalmente, bajo estrés hídrico suave, la inhibición de la elongación celular es seguida muy de cerca por la reducción de la síntesis de pared celular y también por la disminución de la síntesis de proteínas. Estas respuestas se observan sólo en tejidos de crecimiento rápido, como son los meristemos, y los mencionados parámetros recuperan sus niveles si el estrés afecta durante un período corto. Si las condiciones ambientales que causan el estrés hídrico persisten, o bien, la magnitud de la sequía es muy acusada, también se ven afectados otros procesos fisiológicos. Para valores más bajos del potencial hídrico, se inhibe la formación de protoclorofila y disminuye la actividad de ciertos enzimas como la nitrato reductasa a consecuencia de la disminución en el flujo de nitrato, lo que afecta a la incorporación de N orgánico a la planta (Shaner y Boyer, 1976). Este efecto general de la sequía sobre la fijación de nitrógeno no afecta igual a las plantas de la familia de las leguminosas, en las cuales la asimilación del nitrógeno se produce totalmente en la parte radical, debido a la existencia de nódulos relacionados con las asociaciones simbióticas con las bacterias de distintos géneros, fundamentalmente Rhizobium. Según Frechilla (1994) y Antolin et al. (1995), las leguminosas noduladas presentan mejor respuesta a la sequía que las no noduladas.

Fotosíntesis

Crecimiento celular

0

–0,4

–0,8

Proporción fotosíntesis relativa

Crecimiento celular relativo

Enzimas como la liasa de fenialanina y amoniaco (PAL) y otras, también reducen su actividad, mientras que se observa un aumento en la actividad enzimática de ribonu-

–1,2

–1,6

–2,0

–2,4

Potencial hídrico tisular (MPa) Fig. 2.44. Variación del crecimiento celular y de la fotosíntesis en función de la disminución del potencial hídrico. Las áreas sombreadas reflejan el rango de respuestas obtenido en diferentes experimentos con diferentes especies (Salisbury y Ross, 1994).

151

cleasa y α-amilasa, probablemente en relación con la degradación del almidón para favorecer el ajuste osmótico. Los niveles de estrés que provocan estos cambios en las actividades enzimáticas, causan también la inhibición de la división celular. La reducción del crecimiento relacionada con la inhibición de la elongación y divisiones celulares da lugar a la modificación de los patrones de desarrollo y de la morfología vegetal. Concretamente, en condiciones de déficit hídrico se produce un incremento en la relación raíz/parte aérea, que demuestran una sensibilidad diferente de estos dos órganos. También se observa una reducción del ahijamiento en gramíneas y el cese del crecimiento en longitud de especies perennes, formándose yemas en reposo. El estrés hidrico también provoca la caída de hojas y frutos y la disminución del tamaño de las hojas, acompañada en algunas ocasiones de una modificación en la proporción de estomas y tricomas en la epidermis foliar, aumentando estos últimos. Bajo estrés hídrico se altera también el desarrollo reproductor, encontrándose que en condiciones de sequía se adelanta la floración de plantas anuales y se retrasa en perennes. Además se producen alteraciones en la fertilidad del polen y en la formación de flores y frutos. A partir de los niveles de estrés hídrico que causan efectos sobre la actividad enzimática, se inician varios procesos que incluyen el incremento de la concentración de ácido abscísico, la reducción del nivel de citoquininas y el cierre progresivo de los estomas. El ácido abscísico (ABA) se incrementa de forma notable en las hojas y en menor grado, en otros tejidos, incluyendo las raíces. Como consecuencia, los estomas se cierran provocando una reducción de la transpiración y de la fotosíntesis. El papel del ABA se aprecia mejor en las plantas mesófitas, donde los niveles de esta sustancia están muy relacionados con las respuestas de las plantas a las situaciones de estrés hídrico. En las plantas xerófitas se encuentran otras adaptaciones. El incremento en la producción de ABA, en las plantas que responden al estrés hídrico, está relacionado con la disminución de la turgencia celular, aunque se desconoce la relación exacta entre estos dos parámetros. El cierre de los estomas se traduce en una disminución en la tasa de transpiración acompañada de una reducción en la absorción de CO2 y por tanto, de la fotosíntesis. Los déficits hídricos también afectan a la fotosíntesis a través de su influencia sobre los procesos enzimáticos, transporte electrónico y contenido en clorofila. El cierre de los estomas afecta por tanto, al intercambio gaseoso de las hojas con la atmósfera, dando lugar a la disminución de la concentración de CO2 intracelular. La reducción de la relación CO2/O2 en el cloroplasto estimula la actividad oxigenasa del enzima rubisco, frente a su actividad carboxilasa, lo que activa la fotorrespiración en plantas C3, dando como resultado final, en estas plantas, la menor fijación neta de CO2. En las plantas C3, el déficit hídrico potencialmente puede afectar a los tres procesos fundamentales de la fotosíntesis: la fotofosforilación y el transporte electrónico de la membrana tilacoidal, la fijación del CO2 por parte del Ciclo de Calvin y el control estomático de la entrada de CO2. Además, el funcionamiento de un proceso fotosintético está regulado por la velocidad de las otras reacciones fotosintéticas, de tal manera que examinar un único proceso fotosintético, como por ejemplo la velocidad de carbo152

xilación de la Rubisco, el rendimiento cuántico del fotosistema II (PSII) o la conductancia estomática, no permite identificar correctamente cual es la principal limitación de la fotosíntesis durante el estrés hídrico. Existen dos adaptaciones bioquímicas de la fotosíntesis que evitan la fotorrespiración y permiten tasas fotosintéticas elevadas con los estomas parcial o totalmente cerrados: el ciclo C4 de asimilación fotosintética del carbono y el metabolismo ácido de crasuláceas (CAM). Como ya se ha indicado anteriormente, el cierre de los estomas produce la reducción de la transpiración, lo cual repercute sobre el balance energético de la hoja. Además, la transpiración se reduce como consecuencia de la inhibición del crecimiento de la parte aérea, aunque por el contrario, al resultar el sistema radicular inicialmente menos afectado por el estrés hídrico, suele producirse un aumento de la capacidad absorbente de las raíces por unidad de superficie. A partir de ciertos valores del potencial hídrico, la asimilación de CO2, la respiración y la translocación de fotoasimilados alcanzan valores próximos a cero. Frecuentemente, en muchas especies vegetales, la respiración aumenta al comienzo del estrés hídrico y no cae verdaderamente hasta que éste no alcanza cierto valor. Según se observa en la tabla 2.9 el déficit hídrico afecta a numerosos aspectos del metabolismo que en general se traducen en un incremento de las reacciones de degradación frente a las de síntesis. Sin embargo, a partir de cierto valor de potencial hídrico se produce una acumulación de aminoácidos libres, especialmente prolina, que llega a constituir en ocasiones hasta el 1% del peso seco del tejido. Dependiendo de la especie, cuando el estrés se prolonga, también se acumulan otros aminoácidos y amidas, especialmente la betaína, así como di y poliaminas y azúcares, lo que origina importantes modificaciones en la actividad enzimática. Estos compuestos contribuyen al ajuste osmótico. Un estrés hídrico moderado puede ser la causa de una disminución notable en la productividad de los cultivos. Debido a la relación entre el estrés hídrico y la disminución del crecimiento, la reducción del tamaño de las células da lugar a un menor desarrollo de las hojas, y como resultado un menor desarrollo de la superficie fotosintética, sobre todo cuando el déficit hídrico ocurre en las primeras etapas del crecimiento vegetativo. Por otra parte un estrés hídrico severo provoca el cierre de los estomas, lo que da lugar a una reducción en la tasa de fijación de CO2 y en la producción de materia seca. En un ensayo realizado con soja, Mayaki et al. (1976) encuentran que un elevado número de parámetros del crecimiento resultan ampliamente afectados por el estrés hídrico, sobre todo el área foliar, la elongación de los tallos y el peso seco. Sin embargo, las raíces que pueden expandirse y crecer en zonas donde no haya disminuido la disponibilidad de agua sufren en menor medida la reducción de la elongación celular. Para el rendimiento de semilla de los cultivos, la duración del estrés hídrico es tan importante como el grado del mismo, variando la sensibilidad de las plantas a la sequía con la etapa de desarrollo. En gramíneas resultan especialmente sensibles, las etapas de floración y de llenado del grano. En ciertas especies como el maíz, un estrés severo durante ciertas etapas del ciclo reproductivo puede ser crítico. Concretamente, la poli153

nización y los días siguientes son el período más sensible al estrés hídrico, siendo el número de granos por espiga el componente del rendimiento más afectado. Si se prolonga la situación de estrés, además del número de granos, también disminuye el peso de los mismos, relacionado con la reducción de la fotosíntesis foliar y/o con la translocación de fotoasimilados (Gardner et al., 1985). Un comportamiento similar se observa en el trigo, donde las limitaciones hídricas en la etapa de llenado del grano aceleran la senescencia foliar y reducen la eficiencia de conversión de la radiación interceptada, y también en otros cultivos (figura 2.45). Ya que el estrés hídrico al final del ciclo es un importante factor limitante del rendimiento de los cereales resulta de gran interés y objetivo prioritario en muchos programas de mejora el conseguir genotipos bien adaptados, capaces de tolerar la sequía y conseguir rendimientos altos y estables.

100 Rendimiento relativo 50

0 Iniciación floral Antesis 1

2

3

4

5

6

Etapa del crecimiento en el momento del estrés Fig. 2.45. Reducción relativa del rendimiento en grano a causa de un episodio de estrés hídrico en determinadas etapas del desarrollo (modificado de Gardner et al., 1985). 1: Nascencia; 2: Ahijamiento e iniciación floral; 3: Encamado; 4: Llenado del grano; 5: Cosecha.

7.3.

ADAPTACIONES DE LAS PLANTAS AL DÉFICIT HÍDRICO: EVITACIÓN Y TOLERANCIA

Existen diferencias entre las especies vegetales en relación a su grado de tolerancia a la sequía. Existen diferentes mecanismos que se relacionan con las respuestas de la planta que permiten aumentar la tolerancia a la sequía: cambios morfológicos en la hoja, mecanismos de osmorregulación, alteraciones en la relación raíz/parte aérea, comportamiento estomático, etc. Desde el punto de vista agronómico, se considera que un cultivo o una variedad es más resistente a la sequía, o a cualquier tipo de estrés, cuanto mayor es su capacidad de producción en esas condiciones. Además, en este aspecto se busca cierto grado de estabilidad como criterio de tolerancia. 154

En ecosistemas naturales, se considera que una especie es tolerante a la sequía cuando es capaz de sobrevivir y reproducirse, sin relación necesaria con su capacidad productiva. Como ya se ha dicho anteriormente, las plantas que presentan adaptaciones especiales para vivir en ambientes secos se llaman xerófitas, y su adaptación se denomina xerofilia. El estudio del papel del agua sobre el desarrollo de las plantas, así como de la capacidad de éstas para enfrentarse a períodos de sequía y estrés hídrico ha sido objetivo prioritario de la fitosociología y la sinecología desde finales del siglo XIX, durante el siglo XX y hasta la actualidad (Braun Blanquet, 1979). Según Larcher (1995) la resistencia a la sequía es la capacidad de las plantas para soportar períodos de déficit hídrico. Aunque esta capacidad es un mecanismo complejo, puede resultar útil para abordar su estudio, considerar que en una planta pueden combinarse varias respuestas de resistencia que conducen al escape, evitación o tolerancia a la sequía. Entre los mecanismos de resistencia a los déficit hídricos podemos distinguir los siguientes. 7.3.1.

Mecanismos de evitación

Se consideran como tal, aquellos que conducen a minimizar la presencia de déficits hídricos perjudiciales para la planta:

Escape a la sequía Se presenta en plantas que no son resistentes a la sequía. Se trata de plantas de gran plasticidad y rápido desarrollo fenológico con capacidad para adaptar su ciclo vegetativo y reproductivo a la disponibilidad de recursos y a las condiciones climáticas. La supervivencia en los períodos desfavorables se soluciona mediante la formación de semillas, bulbos, rizomas, etc. Se incluyen en esta categoría las plantas anuales de vida corta (terófitas), que germinan en la estación favorable, después de las lluvias y completan rápidamente su ciclo, para a continuación pasar la estación seca en forma de semillas, evitando las consecuencias negativas de la desecación. En el caso de las plantas cultivadas, se pueden encontrar cultivares especialmente adaptados, que muestran mayor tolerancia a la sequía, presentando floración y fructificación tempranas. También se incluyen en este grupo las geófitas, cuyos órganos subterráneos llenos de agua (rizomas, tubérculos, bulbos, etc.) les permiten sobrevivir durante períodos de sequía, brotando en la estación lluviosa gracias a las reservas que almacenan dichas estructuras.

Conservación de agua Se trata de todos aquellos mecanismos destinados a reducir al máximo la pérdida de agua o a favorecer su almacenamiento en los tejidos. Entre ellos podemos mencionar: el cierre estomático, la reducción de la transpiración cuticular, la reducción de la superficie transpiradora y de la transpiración en general y el almacenamiento de agua. Los mecanismos de control de apertura y cierre de los estomas, ya comentados anteriormente, están directamente relacionados con señales hidráulicas y/o hormonales. El cierre estomático reduce considerablemente las pérdidas de agua. 155

Otro mecanismo de evitación es la reducción de la transpiración cuticular, que presenta tasas de hasta el 50% en algunas plantas mesófitas y del 2% en ciertas xerófitas (Levitt, 1980). Numerosos trabajos informan de la relación entre el desarrollo y la composición de la cutícula y las tasas de transpiración cuticular (Bengston et al., 1978; Schreiber y Riederer, 1996). La reducción de la superficie foliar, mediante la pérdida de hojas o el enrollamiento de las mismas para disminuir la superficie expuesta es un mecanismo eficaz para el control de las pérdidas de agua (Blum, 1989). Muchas xerófitas presentan los estomas en una sola cara de la hoja, que puede enrollarse, quedando éstos en el interior de una cámara húmeda cuando desciende la turgencia foliar. La orientación de las hojas (Eheringer y Werk, 1986) y la morfología de la cubierta vegetal también se relacionan con la tasa de transpiración. Un follaje denso y compacto permite más fácilmente la retención del agua por efecto de la ventilación y el balance térmico (Nobel, 1991). En plantas suculentas de los desiertos (plantas CAM), el almacenamiento de agua, junto a tasas de transpiración muy bajas, permite su supervivencia durante meses o incluso años sin agua. En estas plantas se combinan la existencia en tallos y hojas de un tejido parenquimático muy vacuolizado, una cutícula muy gruesa y un mecanismo adaptativo de apertura estomática durante la noche. En estas plantas, además, se presentan sistemas radiculares superficiales y muy extendidos, para facilitar la absorción del agua que llega al suelo con lluvias ocasionales.

Adaptaciones de las raíces En algunas plantas (freatófitas) la supervivencia en hábitats secos se relaciona con el desarrollo de un sistema radicular en profundidad y en extensión, presentando además estas raíces capas de súber muy desarrolladas, que restringen las pérdidas de agua. En estas plantas, la evitación de la sequía se consigue mediante el incremento de la absorción de agua, lo que permite mantener una mayor tasa de transpiración y de fotosíntesis. El incremento de la superficie radicular permite un mejor abastecimiento en las hojas puesto que las raíces exploran un mayor volumen de suelo y extraen más agua para la planta. 7.3.2.

Mecanismos de tolerancia

Son los que permiten que la planta siga siendo funcional cuando disminuye la disponibilidad de agua y se produce un déficit hídrico. Entre estos mecanismos podemos distinguir los destinados al mantenimiento de la turgencia celular (ajuste osmótico y ajuste elástico) y los que permiten la tolerancia a la deshidratación (tolerancia protoplasmática).

Ajuste osmótico Es el mecanismo que permite mantener la turgencia celular en condiciones de sequía, y con ello, los procesos relacionados, como expansión y crecimiento celular, control de abertura estomática, fotosíntesis, etc. Se consigue mediante la acumulación activa de solutos, fundamentalmente azúcares solubles, aminoácidos (prolina y glicínbetaína) y en algunos casos, potasio (Morgan, 1992). La capacidad de ajuste osmótico 156

depende de la planta y de los factores ambientales. Así, en condiciones de estrés hídrico, las variedades que presentan mejor ajuste osmótico, junto con mayor desarrollo radicular y mejor extracción de agua, consiguen rendimientos mayores.

Ajuste elástico Las propiedades elásticas de las paredes celulares están relacionadas con el potencial de turgencia en células vivas. En células en crecimiento, la plasticidad permite su extensión permanente. La elasticidad de los tejidos está relacionada con los componentes de la pared celular y su grado de especialización. En la pared secundaria, el contenido en celulosa se ve incrementado, mientras que por el contrario, se reducen los porcentajes de polisacáridos matriciales, sobre todo pectinas. Esto produce el endurecimiento de las paredes celulares y un aumento de su rigidez. Además, la adición en algunos casos, de otras sustancias (lignina, cutina, ceras...) provoca importantes modificaciones (Brett y Waldron, 1990). El incremento de la elasticidad tisular permite el mantenimiento de la turgencia, hasta valores muy bajos del potencial hídrico, lo que puede considerarse un mecanismo de tolerancia.

Tolerancia protoplasmática Es el mecanismo que permite mantener las células vivas a valores muy bajos de potencial hídrico. La capacidad del protoplasma para soportar elevadas pérdidas de agua es una característica adaptativa propia de cada especie, variando enormemente el grado de deshidratación que pueden tolerar. En las plantas poiquilohídricas, las células pueden soportar deshidrataciones y rehidrataciones de su protoplasma, sin sufrir daños. Entre estas plantas se encuentran algas, musgos, líquenes, algunos helechos, semillas e incluso algunas plantas vasculares, cuyos tejidos muestran una notable capacidad para tolerar la desecación, gracias a que poseen una bioquímica celular especializada en la que participan enzimas, membranas celulares y pigmentos fotosintéticos muy estables o con una elevada capacidad de reparación tras la hidratación. 7.4.

ESTRÉS POR EXCESO DE AGUA EN EL SUELO

Un exceso de agua en el suelo también puede ser causa de estrés en las plantas. La presencia de humedad elevada puede reemplazar a la fase gaseosa del medio donde crece la planta, provocándole un estrés secundario, debido a una insuficiente oxigenación, un exceso de CO2 o la producción excesiva de etileno. La falta de oxígeno da lugar a respiración anaeróbica de las raíces que da lugar a una reducción en el suministro de ATP. En este ambiente reductor, las células radicales sufren daños y además disminuyen su capacidad para absorber iones activamente y mantener el potencial hídrico en valores tan bajos como para permitir la entrada de agua desde el suelo. Por estos motivos, uno de los síntomas comunes en plantas que viven en suelos inundados es el marchitamiento de la parte aérea causado por el estrés hídrico debido a la incapacidad de las raíces para absorber agua. Las plantas adaptadas a la inundación de los suelos presentan en sus tejidos internos espacios aéreos extensos, e interconectados entre sí, de manera que facilitan la oxigenación de las células de las raíces, incluso en condiciones de anaerobiosis total. 157

Muchos daños producidos en las plantas por las inundaciones, se deben a la acumulación de etileno en sus tejidos, por la dificultad de difusión al exterior. Algunas plantas como el arroz y otras típicas de terrenos pantanosos presentan como adaptación, la capacidad de tolerar elevadas concentraciones de etileno, que además, estimula su crecimiento. 7.5.

MEDIDA DEL ESTRÉS HÍDRICO DE LOS CULTIVOS

La temperatura de la cubierta vegetal, y particularmente de las hojas, resulta un indicador adecuado para estimar la respuesta de las plantas a factores ambientales adversos y especialmente a la falta de agua en el suelo. Se considera que la transpiración ejerce un efecto refrigerante sobre las hojas, rebajando su temperatura por debajo de la del aire circundante. Ante una situación de déficit hídrico la planta disminuye la transpiración, lo que da lugar al calentamiento de las hojas por encima de la temperatura del aire (Kramer, 1974). Existen diferentes aproximaciones para determinar el estado hídrico de un cultivo a partir de la temperatura de la superficie, dato que resulta de interpretación muy compleja ya que se ve afectado por numerosos factores relacionados con las condiciones climáticas, con las condiciones de medida y con las características propias del cultivo (Gardner et al., 1992a). Entre los aparatos de medida empleados actualmente para estimar la temperatura de la cubierta vegetal se encuentran aparatos portátiles como el termómetro o pistola de infrarrojos, ya citado anteriormente, también llamado radiómetro, que permite obtener medidas sobre el terreno al aplicarlo directamente sobre las hojas de las plantas. Diferentes estudios refieren el uso de radiómetros de infrarrojos para medir la temperatura de las plantas (Monteith y Szeicz, 1962; Tanner, 1963), buscando la relación entre estos valores y la resistencia estomática, o detectando situaciones de estrés hídrico debidos a tratamientos hídricos diferenciales (Tanner, 1963). También existe la posibilidad de obtener medidas de temperatura de los cultivos desde aviones o satélites con aparatos de resolución muy elevada. En todos los casos, la utilización de los distintos aparatos de medida exige la calibración continua de los mismos (Jackson et al., 1981). La termometría de infrarrojos, especialmente desde el desarrollo de la metodología asociada al uso de los satélites, se ha utilizado con fines muy diversos, y ha encontrado una gran aplicación práctica en la medida directa del estrés hídrico y en la programación del riego (Idso, 1982). Se han propuesto diversos índices para evaluar el estrés hídrico de un cultivo a partir de las medidas de temperatura de la cubierta vegetal. Idso et al., (1977), desarrollaron el modelo más sencillo, llamando Stress Degree Day (SDD) al índice que relaciona la temperatura de la cubierta (Tc), medida por un termómetro infrarrojo, con la temperatura del aire (Ta). Si la diferencia Tc – Ta (∆T) es negativa, las plantas están bien dotadas de agua, mientras que si dicha diferencia es positiva, se considera que existe estrés hídrico. El índice SDD aumenta a medida que el estrés hídrico de la planta es mayor. 158

El modelo anterior no considera la incidencia de otros factores ambientales por lo que es difícilmente aplicable para condiciones de medida diferentes a las de dicho experimento. Jackson et al. (1981) propusieron un nuevo método teórico para calcular un índice térmico al que denominaron Crop Water Stress Index (CWSI). Según esta aproximación, para el cálculo del grado de estrés de los cultivos se tiene en cuenta un conjunto de factores del ambiente y del propio cultivo donde se integran valores de radiación, velocidad del viento, temperaturas del aire y de la cubierta vegetal, en función de la intensidad de transpiración según las diversas resistencias de las hojas de las plantas, llegando a establecer para el índice de estrés hídrico del cultivo (CWSI) la siguiente fórmula: CWSI = 1 – ET / ETp, Donde: ET es la evapotranspiración actual y ETp es la evapotranspiración potencial del cultivo, y cumpliéndose que los valores del CSWI oscilan de 0 a 1: • Cuando el cultivo se encuentra transpirando a su tasa potencial, ET/ETp = 1. • Cuando el cultivo se encuentra en condiciones de estrés ET/ETp = 0. El cálculo del CWSI presenta ciertos problemas relacionados con la obtención de los datos de factores ambientales y de la planta, así como de los posibles errores debidos a los instrumentos de medición, lo que puede en parte corregirse estableciendo reglas de muestreo para que el índice obtenido sea comparable cuando se toman medidas en distintas localidades y válido para cualquier medio ambiente (Gardner et al., 1992b). En este sentido se puede indicar la necesidad de evitar la aparición de polvo en los instrumentos de medida y su calibración permanente; utilizar con precisión el termómetro infrarrojo, asegurándose la distancia y el ángulo para no medir parte del suelo o de otro cultivo. Además es conveniente realizar las determinaciones procurando que el viento y la radiación solar se mantengan estables durante el período de medición del CWSI para obtener resultados fiables. Así pues, la termometría de infrarrojo resulta una metodología apropiada para el estudio del grado de estrés hídrico con una aplicación concreta en la determinación del umbral de riego de los cultivos. Si bien, ha de ser utilizada con todas las precauciones indicadas y debe seguir investigándose, en diferentes cultivos y condiciones ambientales, para comprobar sus posibilidades frente a otras técnicas consideradas tradicionales: tensiómetros, sonda de neutrones, etc. (Martín de Santa Olalla y de Juan, 1993).

8.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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161

CAPÍTULO

III

La evapotranspiración: concepto y metodología de cálculo

Alfonso Calera Belmonte

1.

Introducción. 1.1. Evaporación. 1.2. Transpiración. 1.3. Evapotranspiración (ET). 1.4. Importancia de la evapotranspiración. El ciclo hidrológico. 1.5. Breve reseña histórica.

2.

El continuo Suelo-Planta-Atmósfera. 2.1. Factores que afectan a la ET: Suelo, Planta y Clima. 2.2. Resistencia aerodinámica y resistencia total de superficie.

3.

Conceptos básicos en la ET. 3.1. Evapotranspiración de referencia ETo. 3.2. Evapotranspiración en condiciones estándar ETc. 3.3. El coeficiente de cultivo Kc. 3.4. Evapotranspiración en condiciones no estándar ETc,aj.

4.

Balance de energía en la superficie terrestre. 4.1. Advección. 4.2. Balance de energía. 4.3. Balance de radiación. 4.4. Flujo de calor en el suelo G. 4.5. Calor sensible H. 4.6. Calor latente λET.

5.

Determinación de la ET. 5.1. La ecuación de Penman-Monteith. 5.2. Medida de la evapotranspiración.

6.

Cálculo operativo de la ET: El método Kc-ETo. 6.1. La evapotranspiración de referencia. Ecuación FAO Penman-Monteith. 6.2. Aplicación de la ecuación FAO Penman-Monteith. Variables meteorológicas requeridas. 6.3. Procedimiento alternativo. Ecuación de Hargreaves. 6.4. El coeficiente de cultivo. Su determinación.

7.

Evapotranspiración bajo condiciones de estrés hídrico. 7.1. Extensión de la metodología Kc-ETo a suelo desnudo, cultivos y cubiertas vegetales naturales fuera de condiciones óptimas.

8.

Referencias bibliográficas.

Anejo I. Cálculo de radiación neta.

1. 1.1.

INTRODUCCIÓN EVAPORACIÓN

Evaporación es el proceso por el cual el agua cambia de fase líquida a fase vapor (vaporización) y pasa desde la superficie evaporante a la atmósfera. El agua puede evaporarse desde una gran variedad de superficies tales como suelos, lagos y ríos, y vegetación húmeda. El cambio de fase líquida a vapor requiere el aporte de energía, que es proporcionado fundamentalmente por la radiación solar y, en menor grado, por el aire que circunda la superficie evaporante. Inicialmente se establece un proceso de transporte molecular, en el que la fuerza impulsora es la diferencia entre la presión de vapor de agua en la superficie evaporante y la presión de vapor de la atmósfera circundante. Si la evaporación prosigue el aire circundante puede llegar a saturarse y el proceso de evaporación puede llegar a detenerse si el aire húmedo no es transportado a la atmósfera libre. El reemplazamiento del aire húmedo que circunda la superficie evaporante por aire más seco depende en gran medida de la velocidad del viento. Por tanto el proceso de evaporación, además de depender de las condiciones de la propia superficie evaporante, depende de parámetros climáticos tales como la radiación solar, la temperatura del aire, la humedad y la velocidad del viento. Cuando la superficie evaporante es el suelo, la cuantía de agua disponible en el mismo, su distribución vertical, y sus propiedades hidráulicas son otros factores que afectan al proceso de evaporación. 1.2.

TRANSPIRACIÓN

La transpiración consiste en la vaporización de agua líquida contenida en los tejidos de la planta y en el transporte del vapor de agua a la atmósfera. Los cultivos pierden agua predominantemente a través de los estomas, y también, aunque en menor proporción, a través de la cutícula. Los estomas son pequeñas aberturas en las hojas de las plantas a través de las cuales circulan el vapor de agua y otros gases, tales como el CO2 y el O2. El agua, junto con los nutrientes, es absorbida por las raíces y transportada a través de la planta. La vaporización sucede dentro de la hoja, principalmente en los denominados espacios intercelulares, y el intercambio de vapor de agua con la atmósfera circundante es controlado por la apertura estomática. La figura 3.1 muestra la estructura básica de una hoja y de forma esquemática el funcionamiento de un estoma. Es de resaltar que casi toda el agua absorbida por la planta es perdida por 165

Fig. 3.1. Estructura de una hoja y funcionamiento esquemático de un estoma.

transpiración y solamente una fracción despreciable (≈1%) (Rosenberg et al., 1983) se usa dentro de las plantas. La transpiración depende, al igual que en el caso de la evaporación, del suministro de energía para el cambio de fase, del gradiente de presión de vapor entre el aire húmedo saturado del espacio intercelular y la atmósfera circundante, que es la fuerza impulsora para el transporte del vapor a través de los estomas, y de la interacción del viento con la superficie para el transporte del aire húmedo de la cubierta a la atmósfera libre. Por tanto hemos de considerar la acción de parámetros climáticos tales como radiación, temperatura del aire, humedad y velocidad del viento. Además de estos parámetros climáticos la disponibilidad del agua en el suelo, la capacidad de la planta para absorberla, la apertura o cierre de los estomas, la configuración y morfología de la cubierta, serán otros parámetros con influencia en la transpiración. 1.3.

EVAPOTRANSPIRACIÓN (ET)

La evaporación y transpiración ocurren simultáneamente y no hay forma sencilla de distinguir entre ambos procesos, por lo que al flujo de vapor de agua desde una cubierta se le denomina con carácter general evapotranspiración (ET). Es de notar que la proporción de evaporación y transpiración en un cultivo cambia de acuerdo a las diferentes fases de desarrollo y crecimiento. Así, cuando el cultivo está en las primeras fases de desarrollo predomina el suelo desnudo, y el proceso mayoritario es el de evaporación. Cuando el cultivo se desarrolla, cubre progresivamente el suelo hasta que alcanza la máxima cobertura. En el caso de cultivos que cubran totalmente el suelo, la pérdida de agua se deberá fundamentalmente a la transpiración en esa fase de desarrollo. 1.4.

IMPORTANCIA DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN. EL CICLO HIDROLÓGICO

En este trabajo la evapotranspiración desde la superficie terrestre a la atmósfera se considera de manera preferente desde el punto de vista de las superficies cultivadas, con el objetivo de determinar finalmente sus necesidades hídricas y aplicar así el riego 166

en la cuantía adecuada. Es de notar que la mayor parte, aproximadamente un 70%, (FAO, 2002) del uso de agua dulce en nuestro planeta se destina a la agricultura de regadío. Sin embargo es bien evidente la importancia de la ET en todo tipo de superficies: cultivadas, suelo desnudo, vegetación natural y agua. A escala planetaria la ET juega un papel central en el ciclo hidrológico, y es el principal mecanismo en la redistribución de la energía a través de la circulación atmosférica a escala global, regional y local, con consecuencias medioambientales muy importantes. Un esquema del ciclo hidrológico se muestra en la figura 3.2 en la que se pueden apreciar las magnitudes planetarias del proceso. Como se puede apreciar en dicha figura el 69% de la precipitación caída sobre la superficie terrestre, excluyendo las superficies de mares y océanos, vuelve de nuevo a la atmósfera por el proceso de ET. Otros datos cifran este porcentaje en el 62% (FAO, 2002). Esta cifra se incrementa hasta el 90% en las superficies áridas y semi-áridas del planeta (Rosenberg et al., 1983). La transformación de superficies de secano en regadío, especialmente en climas semi-áridos, es uno de los mecanismos por los que se incrementa de forma significativa la inmisión de agua en la atmósfera. Desde el punto de vista de las superficies cultivadas, la disponibilidad de agua es el factor más crítico, a escala planetaria, en cuanto a la supervivencia de las plantas, a su desarrollo y, en último término, a su productividad, ya que el rendimiento de los cultivos está fuertemente ligado al agua disponible en la zona de raíces durante la estación de crecimiento. La transformación de superficies destinadas tradicionalmente a cultivos de secano en cultivos de regadío es un proceso generalizado a lo largo del planeta en las últimas décadas, ya que esta transformación supone un sustancial incremento de la producción agraria. En algunos casos esta transformación pone en riesgo los recursos de agua dulce, tanto en cantidad como en calidad, especialmente en climas semiáridos y, paradójicamente, en algunos casos la aportación de agua a los cultivos excede de sus necesidades.

Fig. 3.2. Ciclo hidrológico global en la que se consideran las magnitudes relativas de los flujos de agua involucrados en el proceso (Britannica, 2004).

167

Previsiones efectuadas por FAO (2002) ponen de manifiesto una tendencia al crecimiento de la población mundial a una tasa del 1,1% anual hasta el año 2015. El aumento de la población y los cambios en la dieta asociados a la previsible elevación del nivel de vida darán lugar a una mayor demanda de alimentos, incremento que habrá de ser cubierto principalmente por la agricultura de regadío. Dado que la presión de dicha agricultura sobre el agua dulce está alcanzando niveles elevados, el reto para satisfacer la demanda se centra en el incremento de productividad del agua. Quizás un exceso de optimismo lleve a FAO a prever un incremento en la eficiencia de riego de cerca de un 40% en los próximos 30 años, pero lo que sí es seguro es que un preciso conocimiento de los requerimientos hídricos, esto es de la evapotranspiración de los cultivos, es una herramienta esencial para conseguir ese objetivo, y con ello mejorar la gestión de los cada vez más valiosos recursos hídricos. 1.5.

BREVE RESEÑA HISTÓRICA

El estudio y análisis de los procesos de evaporación y transpiración mediante los cuales el agua pasa del estado líquido al estado gaseoso desde superficies tales como el suelo y la cubierta vegetal a la atmósfera ha sido unos de los aspectos en los que el hombre ha estado interesado desde los albores de la civilización, dada la trascendencia de este proceso en la producción de alimentos. Revisiones históricas (Brutsaer, 1982) encuentran los primeros trabajos sobre esta materia debidos a Aristóteles (siglo IV a.c.), el cual concluye que «el viento tiene una mayor influencia que el Sol en la evaporación». A lo largo de muchos siglos, la mayor parte de los trabajos acerca de la evaporación, entre los que se encuentran el de San Isidoro de Sevilla, siguen teniendo como referencia esencial el de Aristóteles. Es comúnmente aceptado que el estudio científico moderno acerca de la evapotranspiración se inicia con los trabajos de Dalton que hacia 1800 señala que la evaporación desde una superficie es consecuencia de la influencia combinada del viento, del contenido en humedad de la atmósfera, y de las características de la superficie, planteando una ecuación que es todavía considerada como pionera de la metodología basada en el transporte de masa. En épocas más recientes, tras el desarrollo del conocimiento del intercambio de energía por radiación y otros mecanismos, se inicia una fecunda etapa con los trabajos de Thornthwaite (1948), Penman (1949) y muchos otros que asientan el conocimiento acerca de la evapotranspiración sobre las bases físicas del intercambio de energía y del proceso de evaporación en la superficie de la tierra. A partir de estos trabajos se desarrollan muchos métodos, en la mayor parte basados en relaciones empíricas a los que más adelante nos referiremos, en los que se va incorporando el conocimiento acerca del sistema que forman la atmósfera, las plantas y el suelo, por el que circula y cambia de fase el agua. En relación con estos procedimientos, la aparición del texto FAO24 (Doorembos y Pruitt, 1977) supone un hito, y no sólo en la agricultura, en su aplicación para la estimación de la evapotranspiración de cultivos y otras superficies. En castellano, un importante texto es el de Martín de Santa Olalla y De Juan (1993), antecedente de éste, y en el que existe una minuciosa descripción de la mayor parte de estos procedimientos. De entre dichos procedimientos emerge el llamado método de combinación, también denominado de Penman-Monteith, que combina conceptos de balance de energía 168

y de transporte de masa y en el que el proceso de evapotranspiración se formula en términos de resistencias para modelizar la interacción y comportamiento de la cubierta vegetal y la atmósfera en relación con el flujo de vapor de agua. Un importante concepto que se fija en el año 1990 es el denominado evapotranspiración de referencia, que depende sólo de características climáticas, y que establece un «patrón» sobre el cual referir la evapotranspiración del resto de superficies (FAO, 1990), ASCE70 (Jensen et al., 1990). En la actualidad el procedimiento «en dos pasos», evapotranspiración de referencia y coeficiente de cultivo, constituye un procedimiento aceptado universalmente y así es recogido en los textos de referencia en relación con la evapotranspiración en el campo de la agronomía FAO56 (Allen et al., 1998) y de la hidrología ASCE28 (Allen et al., 1996). A dicha metodología dedicamos la parte fundamental de este capítulo. La aplicación directa de la ecuación de Penmann-Monteith para calcular la evapotranspiración de una cubierta se denomina procedimiento «en un paso». Requiere del conocimiento de los conceptos resistencia de superficie y resistencia aerodinámica, por lo que es un campo de investigación activa (Shuttleworth, 1993).

2.

EL CONTINUO SUELO-PLANTA-ATMÓSFERA

Las plantas se asemejan en su funcionamiento en relación con el flujo de agua a dispositivos hidráulicos que bombean el agua desde el suelo en donde asientan sus raíces a la atmósfera. El transporte del agua se produce por el gradiente de potencial ejercido a lo largo de la planta entre el agua en la atmósfera y el agua en el suelo. Así, el sistema hidráulico que conduce e impulsa el agua desde el suelo a través de la planta y la inyecta en la atmósfera se comporta como un verdadero sistema continuo sueloplanta-atmósfera, en el que cambios en el potencial del agua en cualquier punto, por ejemplo en el suelo, causa cambios en el resto de puntos del sistema. El transporte del agua a través del continuo suelo-planta-atmósfera se produce a lo largo de un potencial del agua decreciente, y puede ser explicado por las reglas y principios de la termodinámica. Un modo de aproximarnos al transporte del agua en la planta es considerar que éste sucede de forma análoga al flujo de la corriente eléctrica. De acuerdo con la conocida Ley de Ohm, la intensidad de la corriente es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del conductor. Así, en el caso del sistema hidráulico al que se asemeja la planta, la fuerza impulsora es el diferente potencial del agua a lo largo del sistema, y el flujo de agua será el cociente entre la diferencia de potencial y la resistencia correspondiente a la parte de la planta considerada. Bajo condiciones de régimen estacionario, podemos escribir que el flujo de agua, j, expresado en unidades de masa por unidad de tiempo es j = (ψs – ψr)/ rsuelo donde ψs es el potencial del agua en el suelo, ψr en las raíces y rsuelo es la resistencia al flujo entre el suelo y la superficie de las raíces. La condición de régimen estacionario lleva a formular unas relaciones similares considerando las diferentes partes del circuito hidráulico al que asemejamos el sistema suelo-planta-atmósfera, y que se esquematiza en la figura 3.3. En la aproximación en la que el flujo de vapor agua se asemeja a la intensidad de la corriente en un circuito eléctrico con las correspondientes diferencias de potencial y 169

resistencias, el flujo de vapor de agua desde la hoja a la atmósfera, j, se representa matemáticamente por el cociente entre la diferencia de potencial entre el interior de la hoja y la atmósfera, (ψh – ψa), y la resistencia, rhoja, al flujo de vapor desde el interior de la hoja a la atmósfera, j = (ψh – ψa)/rhoja. La resistencia a dicho flujo se considera habitualmente como la combinación de dos resistencias en serie: una de ellas, ri,hoja, representa al resistencia al flujo del vapor desde el interior de la hoja a través de la epidermis al entorno circundante a la superficie de la hoja, y la otra, ra,hoja, resistencia aerodinámica, representa la resistencia al transporte desde el entorno circundante a la hoja a la atmósfera libre. El flujo de vapor de agua por la epidermis de las hojas sucede por dos vías: una por los estomas y, en mucho menor grado, por la cutícula. Cada una de estas vías se modela mediante una resistencia; así, por un lado tenemos la resistencia estomática, rs,hoja, y por otro la resistencia de la cutícula, rc,hoja. La resistencia estomática se considera variable para reflejar la capacidad de las plantas de abrir o cerrar sus estomas. La combinación en paralelo de estas dos resistencias permite representar la resistencia de la epidermis, ri,hoja al flujo de vapor de agua a su través. Frecuentemente se considera el flujo de vapor por la cutícula despreciable frente al que se produce por los estomas, con lo que la resistencia al flujo de vapor de la epidermis queda reducida a la resistencia estomática. La figura 3.3 muestra los valores típicos de los potenciales del agua en suelo, raíces, hojas y atmósfera típicos (Larcher, 2003). En la misma figura se muestra un diagrama del circuito eléctrico equivalente al circuito hidráulico del continuo sueloplanta-atmósfera. Es de notar en dicha figura que la caída de potencial más importante ocurre entre el interior de la hoja y la atmósfera libre. Aunque el modelo de resistencias para el transporte de agua en el sistema continuo suelo-planta-atmósfera tiene limitaciones, se considera un buen modelo conceptual que permite entender y analizar el flujo de agua desde el suelo a la atmósfera. Las limi-

rc Aire seco (48% HR)

< ψa = -100 MPa

–7

–70

ψα = –100

–1,0 C

ra rs r

ψhoja = -1 MPa Aire húmedo (93% HR)

ψa = -10 MPa

Suelo seco

ψ0 = -2,5 MPa

C ∆ψ r rsuelo

Suelo húmedo ψ0 = 0 MPa

ψraíz = -0,6 MPa

-0,1 rraíz

C

ψ0 = 0 Csuelo

-0,6

Fig. 3.3. Diagrama de una planta, en la que se indican los potenciales del agua en las diferentes partes de la planta entre el suelo y la atmósfera. Diagrama del circuito eléctrico equivalente. Los elementos capacitivos representados en el circuito eléctrico expresan la capacidad de almacenamiento de agua en las diferentes partes del sistema (Larcher, 2003).

170

taciones se refieren por un lado a los requerimientos de estado estacionario, cuando el flujo es un proceso dinámico no estacionario. Sin embargo, como las magnitudes asociadas al flujo de agua son mucho mayores que la cantidad almacenada por la planta, los cambios temporales en el flujo pueden aproximarse como una sucesión de estados estacionarios. 2.1.

FACTORES QUE AFECTAN A LA ET: SUELO, PLANTA Y CLIMA

El modelo conceptual de resistencias y potenciales anteriormente descrito permite considerar el gran número de factores que afectan significativamente a la Evaporación y a la Transpiración. Es usual agruparlos para su análisis en: (a) parámetros climáticos, que expresarán la demanda evaporativa de la atmósfera, (b) parámetros asociados al cultivo, que expresarán el comportamiento del cultivo y (c) parámetros de manejo y ambientales, asociados básicamente al agua disponible en suelo y a otros tales como nutrientes, salinidad, etc. Es evidente que los parámetros asociados al cultivo están acoplados a los climáticos, de manejo y ambientales. 2.1.1.

Factores asociados a la disponibilidad del agua en suelo

Si el contenido de agua en el suelo es suficiente, la evapotranspiración ocurrirá al máximo ritmo posible dependiendo solamente de la energía disponible y del control ejercido por la presencia de vegetación. Cuando la superficie del suelo se seca o cuando la disponibilidad de agua se reduce, el ritmo de ET se reducirá necesariamente; la modelización de este hecho se hace considerando un incremento de la resistencia al transporte de agua desde el suelo a las raíces, o bien en la resistencia total desde el suelo a la atmósfera. Así, la cantidad de agua en el suelo, tanto en su superficie como en la zona de raíces, juega un papel esencial en el proceso de evapotranspiración.

Evaporación desde el suelo desnudo Cuando la superficie del suelo está húmeda, el ritmo de evaporación es comparable al de una superficie de agua, y la única limitación del flujo de vapor depende de la energía que llega al suelo. A esta etapa se le denomina «Primera Fase» de secado del suelo, y también «fase en la que la energía es el factor limitante». Su duración depende de la cantidad de agua en el suelo, de sus características hidráulicas y de las condiciones de demanda atmosférica (Hillel, 1998). Valores típicos de duración son entre 1 y 5 días (Rosenberg et al., 1983). Una vez que la superficie del suelo se seca se inicia la etapa conocida como «Segunda Fase» de secado, en el que la capa seca apantalla la llegada de energía a la zona húmeda, y en la que el ritmo máximo de evaporación depende de las propiedades hidráulicas del suelo en cuanto a su capacidad para transportar agua hacia las capas superiores, denominándose esta segunda fase de secado como «Fase en la que el suelo es el factor limitante». Durante esta etapa el vapor de agua fluye a través de los poros del suelo, y la segunda fase continúa hasta que son las fuerzas atractivas en la interfase líquido-suelo las que ejercen el control sobre el ritmo de evapotranspiración, (Hillel, 1998). Entonces se inicia la denominada «Tercera Fase» en la que la evaporación del suelo se reduce prácticamente a cero. El modelo de resistencias aplicado al flujo de vapor desde el suelo, considera dos resistencias en serie, una que integra los procesos de transporte desde el interior del suelo, en donde se produce el cambio de fase, hasta el entorno inmediatamente circun171

dante a la superficie, fluyendo el vapor por difusión a través de los poros de la capa del suelo, y otra que considera el proceso de transporte del flujo de vapor desde el entorno cercano a la superficie del suelo a la atmósfera libre, a través de la capa límite. Este segundo proceso es debido al proceso de mezcla turbulento que se produce por la fricción y arrastre entre el viento y la superficie. En la primera fase de secado, la resistencia del suelo al flujo de vapor desde la superficie mojada es prácticamente nulo, lo que explica el alto valor de la evapotranspiración que ocurre en esas circunstancias, prácticamente como si fuera el de una superficie de agua. El cambio de la primera a la segunda fase altera profundamente el mecanismo de transporte, de tal forma que disminuye brusca y fuertemente el ritmo de evapotranspiración desde el suelo desnudo, aunque las condiciones climáticas (radiación, temperatura) sean las mismas. Dada la gran diferencia en el ritmo de ET desde suelo desnudo en las diferentes fases de secado se suele considerar el comportamiento del suelo como un proceso dinámico, de gran importancia en el ritmo de ET. Lógicamente el papel del suelo en la ET será inversamente proporcional al grado en el que la vegetación cubra o sombree al suelo. El papel será mínimo en aquellos casos en que la vegetación cubra completamente el suelo.

Transpiración y disponibilidad de agua en el suelo Consideramos ahora el flujo de vapor desde la planta a la atmósfera. La expresión «un adecuado suministro de agua en el suelo» significa que, en este caso, el suelo no introduce ninguna limitación al ritmo de transpiración en la planta. Cuando el contenido de agua en el suelo desciende por debajo de cierta cantidad umbral, que depende de la planta y de las características hidráulicas del suelo, el ritmo de evapotranspiración disminuye, y la planta entra en la situación de «estrés hídrico» (Rosenberg et al., 1983). El concepto de estrés hídrico se define como el cociente entre la evapotranspiración de la cubierta y aquella que tendría si estuviera en condiciones óptimas de suministro de agua. El estado de estrés hídrico sucede frecuentemente en los cultivos en secano, especialmente en climas semiáridos en los que la precipitación puede ser escasa y/o suceder a destiempo. Sin embargo éste también puede ser el caso en la agricultura de regadío, debido a la escasez de agua disponible, a una inadecuada aplicación del agua, o bien porque se desea mantener a la planta en este estado de estrés. En el caso de limitación del agua disponible por cualquier razón, el objetivo es obtener el mayor rendimiento posible por unidad de agua aplicada, lo que implica conseguir la mayor productividad del agua. Esta circunstancia hace especialmente interesante el estudio y conocimiento de riego en condiciones de estrés hídrico y su repercusión en la producción, lo que se conoce con el nombre de «riego deficitario controlado», que se aborda en el capítulo 4 de este texto. 2.1.2.

Factores asociados al cultivo

Control estomático Uno de los elementos esenciales en el control de la transpiración por las plantas es el ejercido por los estomas mediante los mecanismos de apertura y cierre. El conocimiento de los mecanismos de apertura y cierre estomáticos y su respuesta a las características asociadas a la propia planta y a los factores ambientales como el suelo (agua 172

disponible, salinidad, etc.) y la atmósfera (radiación solar, temperatura, humedad de la atmósfera, etc.) ha merecido un considerable esfuerzo principalmente desde campos de la ecofisiología vegetal en las últimas décadas. Así, por ejemplo, bajo estrés hídrico el cierre de estomas se induce por una combinación de procesos; así, ante el secado del suelo, se producen en las raíces señales hormonales y electrofisiológicas que controlan el cierre de estomas en las hojas (Larcher, 2003). El control de la transpiración mediante la apertura y cierre estomáticos constituyen uno de los mayores mecanismos de adaptación de las plantas al entorno, regulando además del vapor de agua el intercambio de otros gases como el CO2. Factores morfológicos como el tamaño de las hojas, siendo el resto de factores iguales, pueden influir en el ritmo de transpiración. Por ejemplo hojas anchas y grandes transpiran más que hojas pequeñas y finas. De otro lado, las hojas de ciertas plantas, especialmente en climas semiáridos pueden estar cubiertas por capas de cera o cutícula, que actúan como barreras de vapor y reducen las pérdidas por transpiración (Rosenberg et al., 1983). Como conclusión, la antigua idea de que las plantas se comportan como sistemas pasivos, de forma similar a una mecha empapada en agua, dista mucho de parecerse a la realidad. La capacidad biofísica de las plantas de regular y controlar el flujo de vapor de agua es un elemento esencial en la evapotranspiración. En algunas plantas los estomas se encuentran solamente en una cara de la hoja mientras que en otras plantas se distribuyen en ambas caras. El concepto de resistencias proporciona el esquema conceptual para el cálculo de la resistencia de la epidermis de la hoja en función de la resistencia estomática y la de la cutícula, agrupando las resistencias en paralelo y tomando en consideración la existencia de estomas en ambas caras de la hoja o en una sola. Entre los factores responsables de la apertura y cierre de estomas tiene un lugar preponderante la luz, particularmente la región visible del espectro solar, que coincide prácticamente con la región denominada Radiación Fotosintéticamente Activa, que corresponde a los fotones cuya longitud de onda se encuentra comprendida entre 0,4 y 0,7 µm. Así, de forma general cuando la radiación en la región del visible se incrementa, se produce la apertura de estomas. Valores típicos de la resistencia estomática oscilan alrededor de 100 s m–1, aunque el valor cambia de unas especies a otras (Monteith y Unsworth, 1990) mientras que la resistencia cuticular es cercana a 3.000 s m–1.

Cubierta vegetal Además de considerar los factores asociados a la transpiración de las plantas individuales, es necesario tener en cuenta aquellos que están asociados a la presencia del dosel vegetal que conforma la cubierta vegetal. Parámetros biofísicos de dicha cubierta como el estado de la vegetación en el ciclo de crecimiento, el índice de área foliar, la cobertura vegetal y el sombreo del suelo, la orientación y el espaciado de las hileras, el albedo de la cubierta, la altura, influyen poderosamente en la determinación del ritmo de evapotranspiración, ya que interaccionan con los factores asociados a la presencia de agua en suelo y con los factores asociados a la atmósfera. 2.1.3.

Factores asociados a la atmósfera

Los principales factores que tienen gran influencia en la evapotranspiración desde el punto de vista de los factores atmosféricos son: radiación, temperatura del aire, 173

humedad y velocidad del viento; estos parámetros se agrupan también frecuentemente bajo el nombre de factores climáticos o meteorológicos. Un concepto que expresa la demanda evaporativa de la atmósfera, y que agrupa a los factores climáticos es el denominado Evapotranspiración de referencia ET0, sobre el que profundizaremos más adelante y que nos va a permitir describir con detalle el papel de la atmósfera en la evapotranspiración. 2.2.

RESISTENCIA AERODINÁMICA Y RESISTENCIA TOTAL DE SUPERFICIE

La evapotranspiración de un cultivo o, en general, de una cubierta vegetal será fruto del acoplamiento e interacción de los parámetros que afectan al suelo, a la planta individual, a cómo configure la agrupación de plantas la cubierta vegetal correspondiente y a la atmósfera. El paso de la planta individual a la cubierta entera es un proceso de integración complejo, ya que es necesario considerar no sólo la planta individual, sino el dosel vegetal que conforma la cubierta, y que interacciona como conjunto con el suelo y factores climáticos, conjunto que no es una suma de plantas individuales (Shuttleworth, 1991). El modelo conceptual simplificado de resistencias permite acercarnos al flujo de vapor de agua en el cultivo en la forma que esquemáticamente se muestra en la figura 3.4. Atendiendo a dicha figura, el proceso de evapotranspiración en la cubierta se considera en dos etapas: • La primera etapa es la de cambio de fase líquida a fase vapor que ocurre en el suelo y en el interior de las plantas. A continuación se produce un primer transporte, esencialmente por difusión molecular, desde el suelo y desde el interior de las plantas principalmente por los estomas a la atmósfera circundante a la epidermis de las hojas y a la superficie del suelo. La región a la que fluye el vapor de agua en esta primera etapa, que no es afectada por el viento, que se encuentra en el interior de la cubierta es lo que se denomina superficie evaporante. Dichos procesos de transporte de cuasi-difusión molecular se integran en la denominada resistencia total de superficie, rs, que será consecuencia de la combinación compleja de la resistencia estomática, de la de cutícula y del suelo en toda la superficie de la cubierta. La resistencia total de superficie describe la resistencia del flujo de vapor de agua a través de los estomas y de la cutícula en la totalidad de la superficie vegetal y en la superficie del suelo. • La segunda etapa es el proceso de transporte del vapor de agua desde la superficie evaporante a la atmósfera exterior. Dicho proceso se debe al reemplazamiento del aire húmedo en la superficie evaporante (interior de la cubierta) por aire más seco procedente de la atmósfera exterior y ocurre esencialmente por el flujo turbulento del aire asociado a la fricción entre el viento y la arquitectura de la cubierta vegetal. Los procesos asociados a este transporte turbulento se agrupan en la denominada resistencia aerodinámica, ra, que describe la resistencia al flujo de vapor de agua desde la superficie evaporante de la cubierta a la atmósfera libre encima de ella. Los conceptos de resistencia de superficie y resistencia aerodinámica tienen un papel esencial en la deducción de la ecuación de Penman-Monteith a la que más adelante nos referiremos. 174

Nivel de referencia

Fl uj o

de

ai re

ra Resistencia aerodinámica Superficie evaporante

Estomas

rs

Cutícula Suelo

Resistencia de superficie

Fig. 3.4. Esquema que muestra los factores fundamentales que configuran la resistencia aerodinámica y la resistencia total de superficie de la cubierta vegetal.

3.

CONCEPTOS BÁSICOS EN LA ET

Previamente se han definido los conceptos de evaporación, E, transpiración, T, y evapotranspiración, ET. Para el análisis posterior se necesita la introducción de una serie de conceptos de gran importancia y que tanto en su terminología como en su definición han ido cambiando en el tiempo. Dado este hecho, en adelante en este texto adoptaremos la terminología y definiciones contempladas en el de la FAO56 (Allen et al., 1998), así como en el de ASCE28 (Allen et al., 1996). Así pues se va a distinguir entre la denominada Evapotranspiración de referencia ETo, la evapotranspiración del cultivo (o de la cubierta) bajo condiciones estándar (óptimas), ETc, y la evapotranspiración del cultivo bajo condiciones no estándar, ETc,aj. La Evapotranspiración de referencia, ETo, es un concepto que expresa la demanda o poder evaporativo de la atmósfera y depende solamente de factores climáticos; la evapotranspiración del cultivo bajo condiciones estándar ETc, es la evapotranspiración desde cubiertas vegetales suficientemente extensas bajo óptimo suministro de agua y nutrientes, bajo una excelente gestión o manejo, que llevan a la mejor producción con unas condiciones climáticas dadas. Cuando las condiciones en que se desarrolla un cultivo afectan negativamente a su crecimiento y limitan la evapotranspiración, bien sea por un inadecuado suministro de agua o por un inadecuado manejo, el cultivo se encuentra fuera de las condiciones óptimas y, en esas circunstancias, se dice que se produce la evapotranspiración del cultivo bajo condiciones no estándar, ETc,aj. La evapotranspiración real, a la que se denomina también evapotranspiración actual, es el ritmo de evapotranspiración de una superficie en un momento determi175

nado. El valor de la evapotranspiración real de una superficie puede coincidir con el de la evapotranspiración bajo condiciones estándar, ETc, para esa superficie, si se dan las condiciones óptimas para ello. En caso contrario, lo que ocurre es que el cultivo no está en condiciones óptimas, y su evapotranspiración será menor que ETc. 3.1.

EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA ETO

La evapotranspiración de referencia, ETo, se define como el ritmo de evapotranspiración de una superficie de referencia en óptimas condiciones de crecimiento y bajo un adecuado suministro de agua. La superficie de referencia es un cultivo herbáceo ideal con una serie de características perfectamente especificadas en cuanto a los valores de la resistencia aerodinámica y de la resistencia de superficie. Habitualmente se considera una superficie de gramíneas como es el caso de la festuca y también es frecuente el uso de una superficie de alfalfa, especialmente utilizada en Estados Unidos. En adelante, cuando no se diga expresamente lo contrario se ha de entender que la superficie de referencia a la que nos referimos es la correspondiente a la superficie de gramíneas, de acuerdo con el criterio de FAO56. Al considerar un buen suministro de agua en el suelo, el agua disponible en él y las características del suelo no afectan al ritmo de evapotranspiración. El concepto de evapotanspiración de una superficie de referencia se introduce para estudiar la demanda evaporativa de la atmósfera independientemente del tipo de cultivo, de su estadio de desarrollo y de su manejo. Por otro lado, al especificar la evapotranspiración desde una superficie específica ideal proporciona un «patrón», al cual puede referirse la evapotranspiración de otras superficies bajo unas mismas condiciones climáticas. De esta forma los valores de ETo medidos o calculados en diferentes lugares o estaciones son comparables entre sí al referirse a la misma superficie, y expresan desde el punto de vista de la evapotranspiración, las diferentes condiciones climáticas a las que dicha superficie está sometida. Dada su definición, los factores que afectan a la ETo son los factores climáticos, y consecuentemente puede ser calculada desde parámetros climatológicos. ETo expresa la demanda evaporativa de la atmósfera en un lugar específico y en un determinado instante, y no considera los factores asociados al suelo y al cultivo. Es de resaltar que han existido anteriormente otras denominaciones desde las cuales ha surgido al concepto de evapotranspiración de referencia ETo, término que fue sugerido por Wright y Jensen (1972). Entre ellas destaca la denominación ampliamente utilizada de Evapotranspiración Potencial, ETp, introducida inicialmente por Thornthwaite (1948) y Penman (1949). Penman (1956) definió transpiración (evapotranspiración) potencial como el agua transpirada por unidad de tiempo por un cultivo verde de baja y uniforme altura, con un adecuado suministro de agua, que sombrea completamente el suelo. Jensen et al. (1990) definen la evapotranspiración potencial ETp como la ET de una cubierta vegetal verde con un crecimiento activo, con cobertura completa, bajo un adecuado suministro de agua, en la que las superficies de la vegetación y suelo se suelen considerar mojadas. En todo caso la ETp no puede ser mayor que la de una superficie libre de agua. El concepto de ETp ha sido muy utilizado para las clasificaciones climáticas, índices de aridez, (Strahler y Strahler, 1997), y todavía hoy es frecuente su uso, a pesar de la existencia de recomendaciones en las que se aconseja su sustitución por el concepto 176

de evapotranspiración de referencia, por las ambigüedades que aquel presenta tanto como índice climático como para el cálculo de la evapotranspiración (Allen et al., 1998) (ASCE28). En este capítulo no utilizaremos el concepto de Evapotranspiración Potencial siguiendo las recomendaciones formuladas. A efectos prácticos en muchas ocasiones ambos términos se puede considerar con casi el mismo significado. 3.2.

EVAPOTRANSPIRACIÓN DE UN CULTIVO BAJO CONDICIONES ESTÁNDAR, ETc

La evapotranspiración de un cultivo bajo condiciones estándar, ETc, es la correspondiente a la cubierta vegetal de un cultivo libre de enfermedades, bajo condiciones óptimas de suministro de agua, con un adecuado suministro de nutrientes, en extensas superficies, de tal forma que se obtenga la máxima producción bajo unas condiciones climáticas dadas. La ETc depende de la fase de crecimiento del cultivo en la que éste se encuentre. El concepto de ETc también recibe el nombre de evapotranspiración máxima de un cultivo en un momento dado, ETm, nombre que es usado con cierta frecuencia. La cuantía del agua requerida para compensar las pérdidas por evapotranspiración desde la cubierta se define como las necesidades hídricas del cultivo. El valor de la evapotranspiración del cultivo y de sus necesidades hídricas en un mismo intervalo temporal es el mismo; sin embargo el concepto de necesidades hídricas se suele sobreentender referido a la cuantía del agua que ha de ser suministrada, mientras que la evapotranspiración del cultivo se refiere al agua que se pierde mediante evapotranspiración. La cantidad de agua que expresa las necesidades hídricas de riego es la diferencia entre las necesidades hídricas del cultivo y la precipitación efectiva. Las necesidades hídricas de riego han de incluir cuantías de agua adicionales para lavado de sales y para compensar la no uniformidad de la aplicación del agua de los sistemas de riego. 3.3.

EL COEFICIENTE DE CULTIVO Kc

El coeficiente de cultivo, Kc, se define como el cociente entre la evapotranspiración del cultivo en condiciones estándar, ETc, y la evapotranspiración de la superficie de referencia, en la forma: Kc = ETc/ETo

[1]

El coeficiente de cultivo trata de reflejar aquellas características que diferencian el cultivo de la superficie de referencia. Estas características diferenciales entre el cultivo y la superficie de referencia se refieren básicamente a: 1) la altura del cultivo, la cual tiene una influencia importante en la resistencia aerodinámica; 2) el albedo de la cubierta, que depende de la fracción de cobertura vegetal; el albedo es un parámetro que influye en la radiación solar absorbida, y por tanto en la radiación neta absorbida por la cubierta; 3) el área de las hojas, el número de estomas, su edad y condición, así como el grado de control estomático, ya que afectan a la resistencia al flujo de vapor de agua de la cubierta vegetal, y de esta forma afectan a la resistencia de superficie; 4) el área expuesta de suelo desnudo, que depende de la fracción de cobertura vegetal, y que determina la evaporación desde el suelo. 177

Como estas características cambian con las diferentes fases de crecimiento de un cultivo, los valores del coeficiente de cultivo describen una curva a lo largo del tiempo cuya forma refleja los cambios en la vegetación y en la cobertura vegetal debidos al crecimiento y maduración en el ciclo de crecimiento del cultivo. Una curva típica de la evolución temporal del coeficiente de cultivo para un cereal grano se muestra en la figura 3.5. Conociendo el coeficiente de cultivo en un determinado instante desde la curva correspondiente podemos calcular la evapotranspiración del cultivo en condiciones estándar. Para ello se utiliza la ecuación 1 en la forma ETc = Kc · ETo, lo que nos exigirá determinar el valor de la evapotranspiración de referencia desde parámetros climáticos. Un aspecto de gran importancia en la curva descrita por el Kc es la contribución desde el suelo desnudo, especialmente cuando la proporción del suelo es alta, lo que ocurre en las primeras fases de desarrollo de la mayor parte de los cultivos. Cuando dicha superficie está mojada, por ejemplo tras un riego o lluvia, la evapotranspiración es elevada, dado que la resistencia al flujo de vapor de agua desde el suelo prácticamente disminuye a cero en la primera fase de secado, y el único factor limitante es la energía que llega al suelo. El proceso de secado de dicha superficie durante la primera fase ocurre en intervalos temporales que van de horas a varios días dependiendo de las condiciones ambientales de radiación, temperatura y de la cantidad de agua en las capas superiores. Tras un episodio de lluvia o riego, el coeficiente de cultivo, Kc, crece reflejando el impacto de la evaporación desde el suelo desnudo.

Coeficiente de cultivo basal Wright (1982) propuso un procedimiento para tener en cuenta de forma separada la evaporación del suelo desnudo y por otro lado, la transpiración desde la vegetación. Para ello divide el coeficiente de cultivo, Kc, en dos: el coeficiente de cultivo basal, Kcb, para la transpiración, y la fracción correspondiente a la evaporación desde el suelo, Ke, en la forma: Kc = Kcb + Ke

[2]

El coeficiente de cultivo basal, Kcb, se define como el cociente entre ETc y ETo, cuando la superficie del suelo está seca, pero cuando el contenido en agua en la zona de raíces es el adecuado para que la transpiración se produzca sin ninguna limitación, de tal forma que el crecimiento del cultivo sea máximo. El coeficiente de cultivo basal, Kcb, representa la línea base del coeficiente de cultivo en ausencia de los efectos de mojado de la superficie por riego o lluvia. El coeficiente de evaporación del suelo, Ke, expresa la componente de evaporación desde la superficie del suelo. Como ya se ha mencionado, el valor de Ke después de un riego o lluvia puede ser alto. Conforme la capa superior de la superficie se deseca, el valor de Ke disminuye, y tiende a cero. La estimación de Ke requiere un balance de agua diario que estime el contenido en agua de la capa superficial (Allen et al., 1998). Cuando la superficie del suelo se seca, la evapotranspiración es la debida a la transpiración únicamente, descrita por el coeficiente de cultivo basal, Kcb. El efecto promedio del suelo y la transpiración se suele reflejar en un coeficiente promedio, reflejado en la figura 3.5 como Kcm, que es el que a efectos prácticos se utiliza, y que es superior al coeficiente de cultivo basal. El efecto de la evaporación desde el suelo se muestra en 178

Curva generalizada del coeficiente de cultivo

Coeficiente de cultivo

1,0

0,8

0,6

Estrés hídrico

Kc Ke Kcb

0,4 Kcm

Ks Kcb 0,2 Riegos o lluvia 0

Siembra

Emergencia

Crecimiento rápido

Cubierta efectiva completa

Maduración

Fig. 3.5. Curva generalizada del coeficiente de cultivo de un cultivo típico anual. Esta curva está referida a una superficie de alfalfa. Por ello el valor máximo del coeficiente de cultivo es de 1.0. (Adaptada de Wright, 1982).

la figura 3.5 en los picos del Kc que aparecen tras cada riego; el efecto es menos acusado cuando la cobertura vegetal es alta, y por tanto el papel del suelo disminuye. Cuando el cultivo está fuera de las condiciones óptimas su valor no alcanza el valor correspondiente a las condiciones óptimas, lo que se refleja a través de un coeficiente de estrés hídrico Ks, que es menor que 1 y multiplica el valor del coeficiente de cultivo basal. En la curva de evolución del coeficiente de cultivo, el máximo valor viene definido cuando el cultivo alcanza la cobertura efectiva completa. El concepto de cobertura efectiva completa se define como la fase del crecimiento del cultivo en la que la evapotranspiración en condiciones estándar ETc es máxima en relación a la evapotranspiración de referencia, ETo, y por tanto el coeficiente de cultivo alcanza el máximo valor. En el caso de cultivos, Stegman et al. (1980) señala que la fase de cobertura efectiva completa se alcanza para valores de Indice de Area Foliar (LAI) de 3.0 y de cobertura vegetal del 75%. Neale et al. (1989) indica que para maíz se alcanza cobertura efectiva completa para valores de LAI entre 2,8 y 3,2, mientras que la cobertura vegetal es del 80%. Sin embargo es necesario indicar que no hay un único valor umbral de LAI y de cobertura vegetal para todos los cultivos que defina la cobertura efectiva completa, ya que será dependiente de los atributos de la cubierta tales como forma, tamaño y arquitectura, así como del desarrollo radicular. Cuando se integra el papel del suelo en un único valor del coeficiente de cultivo, Kc, se dice que se utiliza el procedimiento coeficiente de cultivo único (Single crop 179

coefficient), por contraposición a cuando consideramos separadamente el papel de la evaporación y transpiración; en este caso se utiliza el procedimiento del coeficiente de cultivo dual (Dual crop coefficient). En las aplicaciones prácticas, en las que se utiliza principalmente el coeficiente de cultivo único, es frecuente considerar un valor promedio de dicho coeficiente de cultivo durante un intervalo temporal que típicamente es de una semana. Este valor promedio es el que viene representado en la figura 3.5 con el símbolo Kcm, y será el que más a menudo se use en la programación de riegos, aunque a este valor promediado se le denomina usualmente Kc. El procedimiento que utiliza el coeficiente de cultivo dual requiere un mayor grado de procesamiento numérico, y está especialmente indicado para la programación de riegos en tiempo real, para cálculos de balance de agua en suelo y para estudios de investigación. El enfoque bajo el cual se ha considerado hasta ahora el coeficiente de cultivo se basa en la manera en la cual el cultivo se desarrolla, adquiere su morfología, intercepta la radiación y sombrea el suelo bajo la cubierta. A los coeficientes de cultivo obtenidos mediante este enfoque se les suele denominar coeficientes de cultivo basados en la cubierta. Otra forma de estimar el coeficiente de cultivo es la basada en condiciones medioambientales. El fundamento consiste en que los cultivos requieren de determinadas condiciones de temperatura y fotoperíodo para su ciclo de crecimiento, lo que se estima mediante el concepto de grados-día, que es la suma de la temperatura media diaria (considerada entre ciertos valores) acumulada, necesaria para que el cultivo alcance las diferentes fases de su ciclo de crecimiento (Sammis et al., 1985). Una tercera vía de estimar el coeficiente de cultivo es mediante la medida de la reflectividad de la cubierta, lo que se trata más extensamente en el capítulo XIV. 3.4.

EVAPOTRANSPIRACIÓN DE UN CULTIVO BAJO CONDICIONES NO ESTÁNDAR

La evapotranspiración de un cultivo bajo condiciones no estándar, ETc,aj, se da cuando las condiciones medioambientales o de manejo bajo las que crece un cultivo no son las óptimas. Así la evapotranspiración real de un cultivo se desvía de la ETc cuando el crecimiento del cultivo no es el óptimo debido a la presencia de enfermedades, plagas, salinidad, baja fertilidad del suelo, escasez de suministro de agua o inundaciones. Como consecuencia se produce un escaso crecimiento, una baja densidad de planta y el ritmo de la evapotranspiración está por debajo del valor de la ETc. La evapotranspiración de un cultivo bajo condiciones no estándar se calcula introduciendo un coeficiente de estrés que refleje las condiciones ambientales bajo las que se desarrolla el cultivo. En el caso frecuente de escasez de agua se denomina coeficiente de estrés hídrico, Ks, que adquiere un valor menor que 1 cuando las condiciones de suministro de agua en la zona de raíces no son las adecuadas para un óptimo crecimiento. Su cálculo requiere la realización de un balance hídrico que permita estimar el contenido de agua en la zona de raíces. La evolución de un cultivo en condiciones no estándar se reflejará en un coeficiente de cultivo inferior al que corresponde a un cultivo en condiciones estándar, dado el coeficiente reductor que es Ks como se muestra en la figura 3.5. Más adelante se presentan procedimientos que permiten estimar el efecto de la escasez en el suministro de agua mediante el coeficiente de estrés hídrico, el efecto de 180

la salinidad del suelo, y otros efectos debidos a la baja densidad de planta, baja fertilidad, plagas, pastoreo, etc.

4.

BALANCE DE ENERGÍA EN LA SUPERFICIE TERRESTRE

La evapotranspiración es uno de los principales flujos de energía en el intercambio energético entre la superficie terrestre y la atmósfera, ya que la energía utilizada en el cambio de fase de líquido a vapor sale del sistema asociada al flujo de vapor de agua que se incorpora a la atmósfera libre. El balance de energía en la superficie del suelo o en la «superficie efectiva» del cultivo, tal como se muestra en la figura 3.6 se obtiene aplicando el primer principio de la Termodinámica, que establece que la suma algebraica de todos los flujos de energía entrantes y salientes del sistema es igual a la variación de la energía interna del sistema. Rn

λE

H

Altura de referencia Di

D0

G

Fig. 3.6. Representación esquemática de los diferentes flujos de energía asociados al sistema que abarca el volumen que se extiende justo desde debajo del suelo hasta la altura a la que se mide el balance de radiación (línea discontinua). Los flujos se consideran como la energía que se transporta por unidad de tiempo y unidad de superficie de suelo perpendicular a la figura.

El balance de energía por unidad de superficie será la suma algebraica de los flujos existentes, en la forma: Rn – H – λET – G – D – Ph = ∆U

[3]

donde: Rn = Radiación neta, esto es el balance de energía intercambiada por radiación. 181

H

= Calor sensible, esto es el flujo de energía en forma de calor intercambiada por convección entre la superficie y la atmósfera.

G

= Flujo de energía en forma de calor intercambiado por conducción entre la superficie del cultivo y el suelo.

λET = Calor latente, el flujo de energía en forma de calor asociado al flujo de vapor de agua. Esta energía es la que se requiere para el proceso de evaporación o condensación. Así, λ es el calor latente de vaporización, esto es, la energía necesaria para evaporar la unidad de masa. A la temperatura de 20° C, λ toma el valor de 2,45 MJ kg–1. D

= Advección. Es el flujo de energía neto correspondiente al transporte de energía en el plano horizontal debido al flujo del viento en dicho plano.

Ph = Flujo neto de energía asociado a la asimilación del dióxido de carbono. Es la energía absorbida en el proceso de fotosíntesis menos la liberada en el de respiración. ∆U = Es la variación de energía almacenada en el sistema. Recoge el incremento de la energía del sistema asociado al cambio en la temperatura. Habitualmente se considera almacenamiento de energía en forma de calor sensible y latente en el aire en el volumen de la cubierta, y el almacenamiento de energía en función de la temperatura en la misma vegetación. Es usual considerar una serie de simplificaciones de la ecuación 3, atendiendo en general al valor relativo de los flujos de energía, así como el intervalo temporal en el que se aplique. Así se suele considerar que la energía consumida en el proceso de fotosíntesis y la almacenada en el sistema constituyen una porción despreciable del balance de energía (1-2%) (Hillel, 1998). Unidades en las que se expresan los flujos de energía. Los flujos de energía se definen como la energía transportada por unidad de tiempo y unidad de superficie. De acuerdo con el sistema indicado en la figura 3.6, la unidad de superficie que se considera es la del suelo horizontal sobre el que se asienta la cubierta, en el sentido perpendicular a dicha figura. Las unidades en el Sistema Internacional (SI) en las que se mide el flujo son vatios por metro cuadrado [W m–2], esto es [J s–1 m–2]. Una unidad usual es la de Megajulios por metro cuadrado y día [MJ m–2 día–1]; 1 MJ m–2 día–1 equivale a 11,5741 W m–2. El flujo de vapor de agua, ET, es la masa transportada por unidad de tiempo y unidad de superficie, y se mide en [kg m–2 s–1] en el SI. Sin embargo es usual considerar en vez de la masa el volumen de agua transportado. Para una densidad del agua de 1000 [kg m–3], 1 kg es la masa de 1 litro, y la ET puede expresarse entonces en milímetros (litros por metro cuadrado, [l m–2]) por unidad de tiempo. La unidad de tiempo utilizada es el día. Así, la unidad en la que se expresa más frecuentemente el ritmo de evapotranspiración es [mm día–1]. El flujo de energía asociado al flujo de vapor de agua o calor latente, λET, se obtiene multiplicando el flujo de vapor de agua por el calor latente de vaporización, λ, que es la cantidad de energía necesaria para vaporizar la unidad de masa de agua. El valor de λ depende de la temperatura en la forma: 182

λ = 2,501 – (2,361 × 10–3) T λ = calor latente de vaporización [MJ kg–1]. T = temperatura del aire [° C]. Para una temperatura de 20° C, el valor de λ es 2,45 [MJ kg–1]. Así, 2,45 MJ es la energía necesaria para vaporizar 1 kg de agua, que es la masa correspondiente a la unidad 1 mm de agua. Por ello, 2,45 MJ m–2 es la energía por unidad de superficie asociada al flujo de vapor de 1 mm de agua. De esta forma, el flujo de calor latente, como el de otros flujos de energía, se expresa en [MJ m–2 día–1]. Así una evapotranspiración de 1 mm de agua por día equivale, en términos de energía, a una cantidad de 2,45 MJ m–2 día–1. Dado que la superficie agraria se mide habitualmente en hectáreas [ha], un factor de conversión útil en los cálculos es que 1 mm de agua equivale a 10 m3 ha–1. 4.1.

ADVECCIÓN

La advección se define como el transporte de una propiedad de la atmósfera por el movimiento de la masa de la propia atmósfera. El cálculo de la energía transportada por el mecanismo de advección es complejo, ya que los valores de transporte de energía neta por este mecanismo pueden ser importantes en comparación con el resto de flujos. Se suele distinguir entre la advección horizontal de calor sensible y la advección horizontal de calor latente. En la advección de calor sensible, el transporte de energía neto es debido al cambio en la temperatura del aire a su paso por la unidad de superficie de la cubierta considerada; así, por ejemplo el desplazamiento de aire cálido sobre la cubierta vegetal aporta energía a la evapotranspiración haciéndola mayor. En la advección de calor latente, el transporte de energía neto es el debido al flujo neto de vapor de agua a su paso por la unidad de superficie de la cubierta; el desplazamiento de aire húmedo puede reducir la evapotranspiración de la cubierta. A la inversa el desplazamiento de aire seco sobre la cubierta puede incorporar vapor de agua en el flujo horizontal, elevando la ET. La advección puede ser significativa en varias escalas espaciales. Se suele denominar advección regional (gran escala o global) la que ocurre en tamaños de decenas o cientos de kilómetros (Baldochi, 1989) y que es debida al movimiento de masas de aire en esa escala espacial. La advección local ocurre en el tamaño de decenas o cientos de metros y es debida al ajuste de la capa límite superficial por el movimiento del aire entre parcelas adyacentes con diferente humedad, altura, y evaporación. El caso típico de advección local es el que se da en parcelas regadas adyacentes a parcelas cuya superficie sea suelo desnudo o rastrojo y se encuentren secas. El calor sensible generado en estas últimas debido a la radiación solar es transportado por el viento por advección horizontal a las parcelas regadas incrementando la evapotranspiración en éstas por encima del aporte energético radiativo, especialmente en el borde de las parcelas, lo que se traduce en un fuerte incremento del valor del coeficiente de cultivo en estas áreas, configurando el denominado «efecto borde» fácilmente apreciable en muchos casos. Si nos situamos a una distancia suficiente del borde en la dirección del viento se va a eliminar o reducir suficientemente la advección local de calor sensible, que es la 183

debida a las discontinuidades en las superficies. La distancia a la que se reduce la advección local depende fuertemente de las características de viento, humedad y altura. Valores típicos se dan en la figura 3.7. Sin embargo, en su caso, la advección regional mantiene su efecto de aportación de energía e incremento de la evapotranspiración. Kc 2,6

Límite superior en Kc

2,4 2,2 2,0

Alrededores secos

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 Alrededores con gramíneas con un adecuado suministro de agua

0,6 0,4 0,2 0 0

50

100

150

200

250

300

Distancia desde el borde de la vegetación (m) Fig. 3.7. Valor del coeficiente de cultivo en función de la distancia al borde en el caso de un cultivo de LAI = 3, altura 2 m, y velocidad del viento 2 m s–1, bajo dos circunstancias: (a) cuando el cultivo está rodeado por un terreno seco (suelo desnudo o rastrojo), efecto oasis y (b) cuando el cultivo está rodeado por un herbáceo de bajo porte (efecto tendedero). (Adaptado de Allen et al.,1998).

Otro tipo de advección es el denominado advección dentro de las hileras o microadvección causada por la presencia de discontinuidades en la cubierta vegetal de la propia parcela por el cultivo o por otras causas. En relación con los fenómenos advectivos se suele utilizar la denominación «efecto oasis» para designar el incremento de la evapotranspiración (y la disminución de temperatura del aire) que se produce en una zona en la que la vegetación tiene un adecuado suministro de agua, mientras que los alrededores se encuentran con baja disponibilidad de agua. El «efecto tendedero» consiste en un incremento de la evapotranspiración que se produce por las turbulencias asociadas a la diferente altura de los cultivos aunque no exista diferencia en el suministro de agua. Este efecto es especialmente notable para pequeños grupos de cultivos de alto porte rodeados por cultivos de bajo porte. La aportación de energía causada por la advección puede ser importante, especialmente en climas áridos y semi-áridos. Gavilán (2002) considera que el efecto de advección del calor sensible en el Valle del Guadalquivir puede aportar hasta un 40% 184

del total de la energía usada en la evapotranspiración. Una discusión detallada del término de advección se da en Thom (1975), Rosenberg et al. (1983) y Gavilán (2002). Dadas las dificultades de la estimación de la advección es frecuente considerarla aparte de la ecuación 3. 4.2.

BALANCE DE ENERGÍA VERTICAL EN LA SUPERFICIE

Así pues, si consideramos las simplificaciones expuestas y hacemos el balance de energía en el que se consideren solamente los flujos verticales de energía, queda: Rn = H + λET + G

[4]

La ecuación 4 sintetiza el reparto del flujo de energía entrante al sistema, esto es la radiación neta, Rn, en el flujo de calor sensible, H, en el flujo de calor latente λET y en el flujo hacia el suelo G. Ha de hacerse notar que en esta ecuación el convenio de signos es diferente en función de los términos. Así Rn es positiva cuando es entrante al sistema, mientras que H, λET y G se consideran positivos cuando son salientes del sistema. Mantenemos este convenio dado lo frecuente y extendido de su uso, reforzando con este hecho la visualización del reparto de la energía entrante, Rn, en los varios términos H, λET y G. 4.3.

BALANCE DE RADIACIÓN. RADIACIÓN NETA Rn

El término radiación neta se refiere al balance de energía en forma de radiación electromagnética, y representa, en el intervalo de tiempo que se considere, la energía que entra (o sale) al sistema por este mecanismo. Es frecuente calcular el término de radiación neta como resultado del balance de la radiación solar y del balance de la radiación de onda larga o terrestre. La radiación solar o radiación de onda corta es la energía en forma de radiación electromagnética que procedente del sol y tras su paso e interacción con la atmósfera, alcanza la superficie terrestre. Se considera radiación solar a los fotones (cuantos de energía) cuya longitud de onda se encuentra entre 0,3 y 3 µm. La radiación solar es la principal fuente de energía para el proceso de vaporización, y suministra también la energía para calentar la superficie y para el proceso de fotosíntesis. La cantidad de energía que alcanza la superficie depende de la orientación de ésta, de la posición del sol respecto a dicha superficie, y de la atmósfera, en especial de la nubosidad y turbidez. Una parte de la radiación solar que incide sobre la superficie se refleja como consecuencia de su interacción con la cubierta vegetal y el suelo. El cociente entre la energía reflejada y la energía incidente en el espectro solar se denomina albedo. Por ello la radiación solar absorbida por la cubierta, o radiación solar neta, Rns, que es la que realmente está disponible para la evaporación del agua, el proceso de fotosíntesis, y para el calentamiento de la superficie, viene dada por la ecuación: Rns = Ris – Rrs = Ris (1 – α)

[5]

Rns = Radiación solar neta, aquella que es absorbida por la cubierta. 185

Ris = Radiación solar incidente sobre la cubierta integrada sobre todo el hemisferio. α

= Albedo, o reflectividad hemisférica de la superficie en el espectro solar.

La radiación solar incidente sobre la superficie puede ser medida mediante piranómetros, radiómetros o solarímetros. En esencia estos instrumentos constan de un sensor instalado en una superficie horizontal que mide la intensidad de la radiación solar incidente en el plano horizontal. El sensor se protege y se mantiene en una atmósfera seca mediante una cúpula de cristal. La instalación de dos sensores, uno con su cara hacia el cielo, y otro hacia tierra permiten la medida directa de la radiación solar neta. Si no se dispone de medidas directas de la radiación solar incidente ésta puede ser calculada. Para ello se utiliza ampliamente la fórmula de Ángstrom la cual relaciona la radiación solar incidente con la radiación solar extraterrestre, teniendo en cuenta la atenuación que introduce la atmósfera y, en su caso, la nubosidad relativa de cada día. En el Anexo I Cálculo de la radiación neta se especifican los cálculos precisos. La radiación de onda larga, también denominada terrestre o infrarrojo térmico, es la energía en forma de radiación electromagnética que emiten los cuerpos a la temperatura de la superficie terrestre (15° C es un valor típico). El rango de longitudes de onda para los fotones de la radiación de onda larga es entre 3 y 100 µm, presentando un pico hacia los 10 µm. Así pues, de acuerdo con la Ley de Stefan-Boltzman, la energía emitida en forma de radiación de onda larga por la superficie terrestre por unidad de superficie, que se suele denominar radiación ascendente será: Rasc,l = ε σ Ts4

[6]

Rasc,l = Es la radiación de onda larga emitida por la superficie terrestre [MJ m–2 día–1]. ε

= Es la emisividad de la superficie. Sus valores oscilan desde 0,92 para suelo desnudo hasta 0.99 para vegetación densa. El agua tiene un valor de 1.

σ

= Es la denominada constante de Stefan-Boltzmann [4.903 10–9 MJ K–4 m–2 día–1].

Ts

= Es la temperatura de la superficie [K].

La atmósfera como cuerpo material que se encuentra a cierta temperatura emite también radiación de onda larga. La emisión de la atmósfera hacia la superficie terrestre, denominada radiación descendente de onda larga, Rdesc,l , está fuertemente condicionada por la temperatura, la concentración de vapor de agua, la presencia de nubes, etc. La radiación neta de onda larga se expresa entonces como la suma algebraica de la radiación emitida por la atmósfera hacia la superficie y la radiación emitida por la superficie, en la forma: Rnl = Rdesc,l – Rasc,l

[7]

Una ecuación que permite el cálculo de la radiación neta de onda larga en función de la temperatura, vapor de agua y nubosidad se presenta en el Anexo I. Es de notar que Rnl es casi siempre negativa, indicando la pérdida de energía por este mecanismo de transporte. Valores de entre 6 y 8 MJ m–2 día–1 son frecuentes. 186

Así pues la radiación neta será la suma algebraica de la radiación neta solar más la radiación neta de onda larga. Rn = Rns + Rnl = Ris (1 – α) + Rnl 4.4.

[8]

FLUJO DE CALOR EN EL SUELO, G

La magnitud del flujo de calor G almacenado (o liberado) por el suelo es relativamente pequeña en relación con el resto de flujos. Cuando consideramos un intervalo temporal como el ciclo diario, o incluso semanal, como en él se da el proceso de calentamiento y enfriamiento, es usual despreciar su contribución al balance de energía. Sin embargo si consideramos intervalos más cortos como una hora o varias, la contribución de G puede ser significativa. También puede ser significativa si consideramos intervalos temporales como los de un mes, ya que se acumulan los efectos debidos al calentamiento o enfriamiento estacionales. El flujo de calor en el suelo a una determinada profundidad z puede ser estimado mediante la denominada Ley de Fourier: G = – Ks (∂T/∂z) Ks,

[9]

= Es la conductividad térmica del suelo, que varía ampliamente con su contenido de humedad, así como su composición.

(∂T/∂z)= Es el gradiente de temperaturas existente en el suelo a una determinada profundidad z. Otra forma utilizada para conocer el flujo de calor en el suelo es calcular la variación de calor almacenado en un perfil de profundidad z, que se estima en la forma: G = Cs ∫ (∂T/∂t) dz Cs

[10]

= Es la capacidad térmica del suelo por unidad de volumen, en la que un valor usual es 2,1 MJ m–3 o C–1 .

(∂T/∂t) = Es la rapidez con la que varía la temperatura en el tiempo en una lámina de espesor dz. La integración sobre toda la profundidad z da la variación de temperatura en ese espesor. Utilizando como base la ecuación 10 se han desarrollado algunos procedimientos para estimar el flujo de calor en el suelo. Así, si se integra dicha ecuación para un intervalo temporal determinado, para una capa de suelo de espesor z, y asumimos que la temperatura del suelo sigue la temperatura del aire, se puede escribir: G = Cs z (Tn – Tn–1)/∆t

[11]

G = Flujo de calor hacia el suelo [MJ m–2 día–1]. Cs = Es la capacidad térmica del suelo por unidad de volumen, en la que un valor usual es 2,1 MJ m–3 ° C–1. Tn = Temperatura del aire en el tiempo n [° C]. 187

Tn–1 = Temperatura del aire en el tiempo n–1 [° C]. ∆t = Duración del intervalo temporal [día]. z

= Espesor de la capa de suelo [m].

La aproximación de que la temperatura del suelo sigue a la temperatura del aire es de limitada aplicación especialmente cuando se consideran intervalos temporales de un día o varios días, y ha de considerarse el desfase existente entre la temperatura del aire y la del suelo. Asimismo esta aproximación obliga a tomar promedios temporales extensos. Así, de forma práctica se puede aplicar la ecuación 11 en los casos siguientes (Allen et al., 1998): • Para intervalos temporales de un día hasta 10 días, se puede realizar la aproximación Gdia ≈ 0

[12]

• Para intervalos temporales de un mes, considerando el valor anteriormente señalado de la capacidad térmica, y un espesor de la capa de suelo de 2 m y un intervalo temporal de 60 días, se obtiene: Gmes,n = 0,07 (Tmes,n+1 – Tmes,n–1)

[13]

En el caso de que Tmes,n+1 es desconocida, para un intervalo temporal de 30 días: Gmes,n = 0,14 (Tmes,n – Tmes,n–1)

[14]

Para las ecuaciones 13 y 14; Gmes,n valor del flujo de calor en suelo promedio mensual [MJ m–2 día–1]. Tmes,n

Temperatura del aire media correspondiente al mes n [° C].

En el caso de intervalos temporales de varias horas, no es posible aplicar el método anterior ya que está basado en la temperatura del aire. En este caso para estimar el flujo de calor en el suelo para el caso de cubiertas densas y de baja talla tales como trigo y alfalfa, (Allen et al., 1998) durante los períodos de luz se puede utilizar la relación; Ghora = 0,1 Rn

[15]

Durante los períodos de noche se ha utilizado la relación; Ghora = 0,5 Rn

[16]

Una relación propuesta por Choudhury et al. (1987) aplicable en los períodos de luz y comprobada para valores de LAI entre 2.8 y 4.5 es ; Ghora = 0,4 e– 0,5 LAI Rn

[17]

Un método usado frecuentemente para medir el flujo de calor en suelo es el que consta de varias placas que miden el flujo térmico cerca de la superficie del suelo. Este tipo de procedimientos funciona bien cuando el suelo está cubierto por la vegetación y 188

los gradientes térmicos no son tan elevados como cuando el suelo está desnudo. La diferencia de conductividad entre las placas y el suelo puede producir importantes errores en la estimación de G. 4.5.

CALOR SENSIBLE, H

El flujo de calor sensible, H, es el debido al transporte de calor desde la superficie de la cubierta y suelo a la atmósfera por el mecanismo de convección dada la diferencia de temperatura existente entre la superficie y la atmósfera. El proceso de transporte del flujo de calor sensible se suele considerar como un proceso convectivo en el que se produce un proceso de cuasi difusión molecular desde la superficie de la vegetación y desde la superficie del suelo al aire en el interior de la cubierta y desde ahí es transportado a la atmósfera por la turbulencia generada por la fricción del aire sobre la cubierta. Es importante señalar que el mecanismo de transferencia de calor sensible es el mismo que el del calor latente, ya que son las corrientes convectivas turbulentas las que transportan ambas propiedades, temperatura y vapor de agua. La ecuación matemática que gobierna el proceso de transferencia de energía convectivo es una ecuación diferencial, que en su forma general recibe el nombre de Ley de Fick, en la que el flujo es el producto de un coeficiente de difusión, Dh, por el gradiente de la concentración de la propiedad. En el caso del calor sensible la propiedad es la energía de un estrato de aire en función de su temperatura, T, cuyo valor será, ρ c T, siendo, ρ la densidad del aire y c el calor específico a presión constante. Así podremos expresar el flujo de energía de calor sensible en la dirección vertical, en la forma: H = – Dh (∂ (ρ c T)/∂z) = – Dh ρ c (∂T/∂z)

[18]

Una primera aproximación a un régimen estacionario permite escribir esta ecuación en una manera similar a la de la Ley de Ohm e introducir el modelo de resistencias, en la forma H = ρ c (Ts –Ta)/(z/Dh) = ρ c (Ts –Ta)/rH

[19]

Ts = Temperatura de la superficie. Ta = Temperatura del aire por encima de la superficie, fuera de la capa límite. rH = Resistencia al flujo de calor sensible; recoge el coeficiente de difusión correspondiente al proceso convectivo de transferencia de calor, bien sea por difusión molecular o por difusión turbulenta. Cuando se trata de aplicar la ecuación 19 al caso de una cubierta, la complejidad del transporte de energía desde el suelo y la vegetación en forma de calor sensible puede resumirse en un modelo de resistencias simplificado (Sellers et al., 1997) en la forma que se muestra en la figura 3.8. En ella se considera el transporte de calor sensible en dos etapas; en la primera se considera un proceso de difusión molecular desde la superficie del suelo y de la vegetación; en la segunda se considera un proceso de transporte convectivo turbulento a la atmósfera libre. 189

El proceso de transporte dependerá, en todo caso, del estrato de hojas que se considere y del estado del suelo. Una simplificación consiste en introducir el concepto de temperatura equivalente de superficie, To, que será la temperatura en un punto en el que la velocidad del viento se hace cero (Monteith y Unsworth, 1990). De esta forma se intenta separar conceptualmente la parte del proceso de difusión molecular de la parte de transporte convectivo, que es el producido por la interacción del viento y la cubierta, que es la componente aerodinámica. Este modelo representa toda la cubierta como la de una única gran hoja equivalente y recibe usualmente el nombre de modelo de «gran hoja» (Shuttlerworth, 1993), que se esquematiza en la figura 3.9. Si consideramos la temperatura equivalente del aire dentro de la cubierta, To, podemos escribir el flujo de calor sensible, de acuerdo con el modelo de resistencias expresado en la figura 3.8 como: H = ρ c (To –Ta)/raH

[20]

H = Flujo de calor sensible [W m–2]. ρ = Densidad del aire [Kg m–3]. c

= Calor específico a presión constante. Es la cantidad de energía que es necesaria para incrementar la temperatura de la unidad de masa de aire un grado. Un valor promedio de esta magnitud es 1.013 × 103 J kg–1 ° C–1.

To = Temperatura del aire en un punto del interior de la cubierta en el que la velocidad del viento se hace cero [° C]. Ta = Temperatura del aire en la atmósfera libre [° C]. raH = Resistencia aerodinámica al flujo de calor en el proceso de transporte turbulento entre el interior de la cubierta y la atmósfera [s m–1].

H=Hc+Hg

Ta Atmósfera

raH

rav λETc

Hc

Aire en la cubierta To Hg

Cubierta

rc es(Tc) rd rd

Tg

Superficie del suelo

es(Tg)

λETs λETc+λETs=λET

Altura de referencia

rs

Zona de raíces

Fig. 3.8. Modelo simplificado de resistencias que representa los flujos de calor sensible y latente entre la cubierta y la atmósfera (Adaptada de Sellers et al., 1997).

190

La estimación del flujo de calor sensible requiere pues del conocimiento de la resistencia aerodinámica y de la temperatura equivalente del aire en la cubierta, las cuales son desconocidas. Su cálculo, siempre difícil y complejo se realiza desde modelos micrometeorológicos (ASCE28) en los que los datos de entrada suelen ser la temperatura del aire a varias alturas, o la combinación de temperaturas del aire y temperaturas de la superficie obtenida mediante radiómetros. Los equipos denominados escintilómetros permiten la medida del flujo de calor sensible integrado sobre extensas áreas, mediante la medida de las variaciones turbulentas del índice de refracción del aire encima de la cubierta (de Bruin et al., 1993). 4.6.

CALOR LATENTE, λET

El flujo de energía asociado al flujo de vapor de agua, que transporta la energía absorbida en la vaporización del agua en el interior de la cubierta a la atmósfera, puede ser tratado matemáticamente en la misma forma que el calor sensible, ya que el proceso de transporte es similar. La diferencia fundamental reside en el papel de los estomas al que ya anteriormente nos hemos referido, y al papel dinámico del suelo en función de su contenido en humedad. En este caso la propiedad a considerar en la Ley de Fick es la concentración de vapor de agua, por lo que podemos considerar que el flujo de vapor será proporcional al gradiente de la concentración del vapor de agua en la forma: ET = – Dv (∂X/∂z)

[21]

Dv = Coeficiente de difusión del vapor de agua [m2 s–1]. X = Concentración del vapor de agua [Kg m–3]. La magnitud concentración de vapor X (densidad del vapor de agua) está relacionada con la presión parcial del vapor de agua, e, por la ecuación termodinámica: X = ρ ε e/[(P – e) + ε e] ≈ ρ ε e/P

[22]

X = Concentración (densidad) del vapor de agua. ρ = Densidad del aire húmedo. ε = Cociente entre la masa molecular del agua y la masa molecular del aire seco. El valor de este cociente es 0,622. P = Presión atmosférica. e = Presión parcial del vapor de agua. La ecuación 22 se obtiene utilizando la ecuación de estado de los gases ideales y la Ley de Dalton de mezcla considerando el aire como una mezcla de aire seco y vapor de agua. La aproximación utilizada es válida, ya que el valor de e es dos órdenes de magnitud inferior a P. El flujo de energía asociado al flujo de vapor de agua en función de la presión parcial del vapor se obtendrá multiplicando el flujo de vapor por el calor latente de vaporización λ, y quedará: 191

λET = – (λ Dv ρ ε/P) (∂e/∂z) El grupo de términos c P/λ ε se denomina en Termodinámica «constante psicrométrica», γ, por su aparición en la ecuación del psicrómetro (Monteith y Unsworth, 1990), aunque su valor no es constante ya que depende de la presión atmosférica P, y del calor latente λ, que depende de la temperatura. Reagrupando los términos queda: λET = – Dv (ρc/γ) (∂e/∂z)

[23]

ecuación que es formalmente similar a la ecuación 18 para el calor sensible. Si hacemos la aproximación de régimen estacionario, y reemplazamos la forma diferencial del gradiente de la presión del vapor de agua, podemos reescribir la ecuación utilizando el concepto de resistencias en la forma: λET = (ρ c/γ) [e(Tc) – e(Ta)]/(z/Dv) = (ρ c/γ) [e(Tc) – e(Ta)]/rV

[24]

e(Tc) = presión de vapor a la temperatura de la cubierta. rV

= resistencia al flujo de vapor de agua.

La aplicación de este modelo físico conceptual a una cubierta vegetal es compleja ya que hay que tener en cuenta la aportación de los diferentes estratos de hojas, además de la aportación del suelo. Un modelo de resistencias de una cubierta vegetal comúnmente aceptado en el flujo de energía en forma de calor latente se muestra en la figura 3.8, en la que los flujos de calor latente procedentes del suelo y de la vegetación se combinan en un único flujo desde el interior de la cubierta hacia la atmósfera libre. En este modelo las fuentes del vapor de agua son, por un lado, el interior de los estomas o el interior de las células, en las que se considera que el vapor de agua está saturado. Por otro lado otra fuente es el punto del suelo donde se está vaporizando el agua, de tal forma que el vapor fluye por difusión en los poros del suelo. En estos puntos, la presión de vapor es la de saturación a la temperatura de la cubierta y del suelo en el punto donde coexisten las dos fases. Así, el modelo considera unas resistencias (estomas, suelo, cutícula, ...) en el flujo desde las fuentes del vapor hacia el interior de la cubierta. Finalmente el proceso de transporte desde el interior de la cubierta a la atmósfera libre se refleja en la resistencia aerodinámica. Las fuerzas que mantienen el flujo se deben al gradiente de concentración entre los puntos donde se produce el vapor, que se hallan en saturación, y la concentración del vapor en la atmósfera libre. Una segunda simplificación del modelo, tal y como se recoge en la figura 3.4, contempla un único parámetro denominado resistencia total de superficie, rs, que tiene en cuenta las resistencias a los flujos de vapor de agua procedentes de la vegetación a través de los estomas y de la cutícula, junto con aquellas de los flujos procedentes del suelo y que vierten en el interior de la cubierta. La resistencia aerodinámica, raV, tiene en cuenta la resistencia al transporte del vapor de agua desde el interior de la cubierta a la atmósfera libre mediante un proceso convectivo turbulento. Considerando las resistencias de superficie y aerodinámica, así como el concepto de temperatura de superficie, el flujo de calor latente quedará; λET = (ρ c/γ) [es(To) – ea]/(raV + rs) 192

[25]

λET = Es el calor latente, flujo de energía asociado al flujo de vapor de agua [W m–2]. ρ

= Densidad del aire [Kg m–3].

c

= Calor específico a presión constante. Valor promedio es 1,013 × 103 [J kg–1 ° C–1].

γ

= Constante psicrométrica. Para una presión de 101,3 kPa, y una temperatura de 20° C, adopta un valor de 67 Pa K–1.

es(To) = Es la presión de vapor de agua en saturación a la temperatura del punto de la cubierta donde es cero la velocidad del viento [Pa]. ea

= Es la presión del vapor de agua en un punto de la atmósfera libre [Pa].

raV

= Es la resistencia aerodinámica al flujo del vapor [s m–1].

rs

= Es la resistencia total de superficie al flujo de vapor desde las fuentes de vapor al interior de la cubierta [s m–1]. T Altura de referencia H ra

ra Superficie evaporante equivalente

rss

Fig. 3.9. Modelo simplificado de resistencias para una cubierta para los flujos de calor sensible y latente. Toda la cubierta se considera equivalente a una única «gran hoja» situada a una altura en el que se puede separar la componente aerodinámica de la de superficie.

Se puede apreciar una gran semejanza entre la ecuación 25 para el calor latente y para el flujo de calor sensible, ecuación 20, dado el similar mecanismo de transporte. La diferencia se encuentra en la resistencia de superficie, ya que el control ejercido por la vegetación a través de los estomas es privativo para el flujo de vapor. La semejanza es especialmente acusada en la resistencia aerodinámica. Como el proceso de transporte desde el interior de la cubierta son los remolinos inducidos por la fricción y arrastre del viento sobre la cubierta tanto para el calor latente como para el calor sensible, es frecuente considerar iguales las resistencias aerodinámicas para el calor latente y para el calor sensible, esto es ra = raH ≈ raV. 193

Razón de Bowen Bowen (1926) introdujo la magnitud que se conoce con el nombre de razón de Bowen, β, definida como el cociente entre el calor sensible H y el calor latente λET, esto es: β = H/λET

[26]

El objetivo de utilizar este cociente es el de eliminar o reducir los términos que representan el transporte aerodinámico. Así, si reemplazamos el calor sensible y el calor latente por las ecuaciones de transporte, se consideran iguales los coeficientes de difusión para el flujo de calor latente, Dh, y para el calor sensible, Dv. Junto con la aproximación de régimen estacionario, queda: β = [–Dh ρ c (∂T/∂z)]/[–Dv (ρ c/γ) (∂e/∂z)] = γ [∂T/∂e] = γ [∆T/∆e] β

= Razón de Bowen.

γ

= Constante psicrométrica.

[27]

∆T = Diferencia de temperaturas entre los puntos de alturas z1 y z2. ∆e = Diferencia de presión del vapor de agua entre los puntos de alturas z1 y z2. De acuerdo con la anterior expresión, se puede determinar el parámetro razón de Bowen midiendo las temperaturas y presión de vapor a dos alturas por encima de la cubierta. Utilizando la definición del parámetro razón de Bowen, la ecuación 4 de balance de energía queda en la forma: λET = (Rn – G)/(1 + β)

[28]

La medida de la radiación neta y el flujo de calor en suelo, junto con la medida del parámetro razón de Bowen, permite la determinación de los flujos de vapor de agua y calor sensible, de acuerdo con la ecuación 28. Este procedimiento es uno de los más ampliamente difundidos para dicha medida. Si la diferencia de alturas entre los puntos de medida es superior a 2 m, es necesario corregir el efecto de la disminución de la temperatura con la altura (Allen et al., 1996). Es necesario también señalar la conveniencia de alejarse de los instantes en que β = –1, esto es donde el flujo de calor sensible hacia la tierra iguale el flujo de calor latente, lo que puede suceder durante la noche ya que en estos instantes el valor de λET en la ecuación 28 se hace infinito.

5.

DETERMINACIÓN DE LA ET

Desde que Dalton hacia 1800 introdujo la ecuación del transporte de masa, han sido desarrollados muchos procedimientos y ecuaciones para el cálculo de la evapotranspiración. Una revisión de los principales métodos puede encontrarse en Jensen et al. (1990), Martín de Santa Olalla y De Juan (1993). Rosenberg et al. (1983), los agrupa en: a)

Métodos que utilizan el concepto de balance hídrico,

b) Métodos climatológicos, entre los que podemos distinguir: 194

b1) b2) b3) b4)

c)

5.1.

Métodos basados en la temperatura, entre los que destacan los propuestos por Thornthwaite (1948), Blaney y Criddle (1950), Linacre (1977) y Hargreaves (1985). Métodos basados en la radiación: métodos de regresión (Makkin, 1957; Jensen-Haise, 1963), métodos de unidades térmicas solares (Caprio, 1974). Métodos que combinan radiación solar y terrestre: Idso et al. (1975, 1977). Métodos de combinación: Penman (1948), Penman modificado por Monteith, Monteith (1963, 1964), Van Bavel (1966), Priestley-Taylor (1972).

Métodos micrometeorológicos: c1) Métodos de transporte de masa: Dalton (1830). c2) Métodos aerodinámicos. c3) Métodos basados en la razón de Bowen (Bowen, 1926). c4) Métodos de resistencia. c5) Métodos basados en la covarianza de torbellino. LA ECUACIÓN DE PENMAN-MONTEITH

En el transcurso de las últimas décadas se ha ido produciendo un proceso de decantación de las diferentes metodologías y procedimientos para estimar la evapotranspiración de una cubierta vegetal, decantación basada en un gran número de trabajos experimentales y teóricos. Hoy en día es ampliamente aceptado que el mecanismo biofísico de la evapotranspiración se describe adecuadamente mediante la denominada ecuación de Penman-Monteith. En 1948, Penman combinó las ecuaciones de balance de energía [4] con las ecuaciones de transporte de masas [23] y derivó una ecuación para calcular la evapotranspiración de una superficie de agua desde medidas climatológicas de radiación solar, temperatura, humedad y viento. Este procedimiento, llamado método de combinación ha sido posteriormente desarrollado por muchos investigadores y extendido a superficies cultivadas introduciendo los modelos de resistencias. Monteith (1965) y Rijtema (1965) introdujeron la denominada resistencia de superficie y reemplazaron la función lineal con la velocidad del viento introducida originariamente por Penman por la resistencia aerodinámica. Las ecuaciones de las que se parte para la deducción de la ecuación de PenmanMonteith son: a)

La ecuación de balance de energía Rn = H + λET + G

b) Las ecuaciones que expresan los flujos de energía en forma de calor sensible y calor latente a través del transporte de masa del proceso convectivo turbulento: H = ρ c (To – Ta)/raH λET = (ρ c/γ) [es(To) – ea]/(raV + rs) 195

Una primera aproximación es que se consideran iguales las resistencias aerodinámicas al flujo de calor sensible y al flujo de calor latente: ra = raH = raV Esta aproximación, junto con la de considerar totalmente separadas la resistencia de superficie y la aerodinámica han recibido objeciones, ya que implican que las fuentes y sumideros de calor y vapor de agua están distribuidos por igual dentro de la cubierta vegetal, lo que no es cierto a priori dada la muy diferente arquitectura espacial que puede presentar la cubierta (Guyot, 1998), y especialmente en circunstancias en las que la presencia e influencia del suelo sean importantes. Monteith y Unsworth (1990) consideran que el efecto global de la cubierta puede ser comparado a aquella de idéntico nivel medio de fuentes y sumideros de calor sensible y latente, lo que implica aceptar un único valor To de temperatura equivalente de superficie. En las ecuaciones de transporte de masa es necesario conocer el valor de dicha temperatura equivalente de superficie, esto es la temperatura del aire en el interior de la cubierta, To, en el punto donde se puede situar el origen para el efecto de fricción, que habitualmente no es posible determinar, ya que depende de la velocidad del viento, de la rugosidad de la cubierta y de la diferencia de temperaturas. El problema de eliminar To en las ecuaciones de partida (a) y (b) es que la relación de la temperatura con la presión de vapor de saturación, es(To), no es lineal. Para resolver este problema, es posible hacer una aproximación lineal para estimar To desde la medida de la temperatura del aire Ta, cuando la diferencia de temperaturas sea pequeña. Esta aproximación es válida para valores de diferencia de temperaturas de hasta 10° C (Monteith y Unsworth, 1990). Con esta aproximación podemos poner: [(es(To) – es(Ta)]/(To – Ta) = ∆

[29]

∆ = Pendiente de la curva de la presión de saturación del vapor de agua con la temperatura, calculada a la temperatura Ta del aire. Eliminando la temperatura To de las ecuaciones anteriormente descritas, se obtiene la denominada ecuación de Penman-Monteith: ∆ (Rn – G) + ρ c λET =

(es – ea) ra

rs ∆+γ 1+ r a

(

)

[30]

λET = Flujo de energía asociado al flujo de vapor de agua, (calor latente).

196

∆

= Pendiente de la curva de la presión de saturación del vapor de agua con la temperatura, calculada a la temperatura Ta del aire.

Rn

= Radiación neta.

G

= Flujo de calor en el suelo.

ρ

= Densidad promedio del aire.

c

= Calor específico del aire a presión constante.

es

= Presión de saturación del vapor de agua estimada a la temperatura Ta del aire.

ea

= Presión de vapor de agua existente en el aire (actual).

es – ea = Déficit de saturación de la presión de vapor de agua en el aire. ra

= Resistencia aerodinámica.

rs

= Resistencia de superficie.

γ

= «constante psicrométrica».

La ecuación Penman-Monteith incluye todos los parámetros que gobiernan el intercambio de energía y el flujo de vapor de agua entre la cubierta y la atmósfera, los cuales dependen de las características de la vegetación y de la respuesta de su transpiración a las condiciones ambientales y solamente requiere datos meteorológicos medidos a una única altura (Stewart, 1989). El primer término del miembro de la derecha de la ecuación 30 se suele denominar término «radiativo», mientras que el segundo término suele recibir el nombre de término «aerodinámico». De la ecuación de Penman-Monteith se deduce que el ritmo de evapotranspiración se incrementa linealmente con el incremento de la radiación neta y con el incremento del déficit de saturación de la presión del vapor de agua (es – ea); asimismo el ritmo de evapotranspiración se incrementa con la velocidad del viento, dado que la resistencia aerodinámica es inversamente proporcional a la velocidad. El comportamiento del propio cultivo y suelo se refleja en la resistencia de superficie y, de forma acoplada con la velocidad del viento, la arquitectura de la cubierta se refleja en la resistencia aerodinámica. La deducción de la ecuación 30 se basa en principios físicos; Monteith y Unsworth (1990) realizan una detallada deducción apoyándose en las relaciones termodinámicas del proceso de evaporación del agua. La ecuación 30 puede ser utilizada para el cálculo directo de la evapotranspiración de cualquier cultivo y las restricciones para su aplicación son aquellas derivadas de las simplificaciones realizadas para su deducción. Sin embargo la aplicación directa de la ecuación Penman-Monteith requiere de la medida de parámetros meteorológicos y de aquellos relacionados con la cubierta, que están a su vez acoplados con los climáticos, como las resistencias de superficie y aerodinámica. Asimismo las resistencias dependen de parámetros ambientales; por ejemplo, la resistencia de superficie depende, entre otros, del contenido de agua en suelo a través de los mecanismos de control estomático que a su vez son dependientes del cultivo y de su estado de desarrollo. Por todo ello, aunque la aplicación directa de la ecuación de Penman-Monteith es de gran interés, su aplicación requiere de submodelos que representen adecuadamente el efecto de la vegetación en el ritmo de evapotranspiración a través de las resistencias aerodinámicas y de superficie. 5.1.1.

Resistencia aerodinámica

La resistencia aerodinámica al transporte de calor sensible y latente desde la superficie de la cubierta se estima frecuentemente desde consideraciones micrometeorológicas acerca del perfil de velocidades del viento en su interacción con la cubierta del cultivo (Monteith y Unsworth, 1990). La resistencia aerodinámica se expresa mediante la ecuación (Allen et al., 1998): 197

ra = [ln{(zm – d)/zom}][ln{(zh – d)/zoh}]/k2 uz

[31]

ra = Resistencia aerodinámica [s m–1]. zm = Altura desde la que se mide la velocidad del viento [m]. d

= Altura del plano de desplazamiento cero, definido como la altura aparente en la que se puede considerar que se ejerce todo el esfuerzo de corte debido al arrastre por el viento [m].

zom = Longitud de rugosidad, un parámetro con dimensiones de longitud que gobierna la transferencia de cantidad de movimiento, o lo que es lo mismo el efecto de arrastre [m]. zh = Altura a la que se mide la humedad [m]. zoh = Longitud de rugosidad, parámetro con dimensiones de longitud que gobierna la transferencia de calor sensible y flujo de vapor de agua [m]. k

= Constante de von Karman adimensional, 0,41.

uz = Velocidad del viento a la altura z [m]. La ecuación 31 está restringida para condiciones de estabilidad neutra, esto es que los campos de temperatura, presión y de distribución de velocidad de viento sean los correspondientes a un proceso adiabático, es decir no exista intercambio de calor. Fuera de estas condiciones es necesario introducir correcciones de estabilidad que pueden tener gran importancia; en ASCE28 se detallan estas correcciones. Un caso de relevancia se produce cuando se estima la evapotranspiración de referencia, en la que se trabaja sobre una cubierta herbácea homogénea con un suministro adecuado de agua. En estas condiciones, al ser pequeño el intercambio de calor sensible, normalmente no se requiere corrección de estabilidad. Para el caso de muchos cultivos, especialmente aquellos que presentan superficies relativamente homogéneas, los conceptos de altura del plano de desplazamiento cero, y los parámetros de longitud de rugosidad para la transferencia de la cantidad de movimiento, zom, y del calor y del flujo de vapor, zoh, se pueden estimar desde la altura del cultivo, h, mediante las relaciones siguientes (Allen et al., 1998): d = (2/3) h zom = 0,123 h zoh = 0,1 zom = 0,0123 h

[32]

Un mayor detalle acerca de las relaciones con la altura en otros cultivos y cubiertas de vegetación natural se puede encontrar en ASCE28. El valor de la resistencia aerodinámica es dependiente de la velocidad del viento, e inversamente proporcional a dicha velocidad, tal y como refleja la ecuación 31. Para una cubierta de gramíneas de 0,12 m de alta, que es el caso de la superficie de referencia en la que las magnitudes se miden a 2 m de altura, la aplicación de las relaciones dadas en las ecuaciones 31 y 32 conducen a un resistencia aerodinámica ra = 208/u2. Para una velocidad típica del viento u2 = 2 m s–1, el valor de la resistencia aerodinámica es 104 s m–1. En el caso de una cubierta de cereal de 1,0 m de altura y con las 198

mismas condiciones de velocidad de viento, se obtiene una resistencia aerodinámica de 33 s m–1, la tercera parte de la correspondiente a la superficie de gramíneas. 5.1.2.

Resistencia (total) de superficie

La resistencia de superficie refleja la resistencia al flujo de vapor de agua en el proceso de transpiración y en el proceso de evaporación, desde donde se produce la vaporización a la atmósfera circundante. En el modelo de «hoja única» (Shuttleworth, 1991) que subyace en la ecuación Penman-Monteith, la resistencia (total) de superficie representa la integración del flujo de vapor a través de los estomas, a través de la cutícula, por los poros del suelo, junto con el transporte en el interior de la cubierta. Una aproximación aceptable para cubiertas de vegetación densa es (Allen et al., 1998): rs = r1/LAIactivo rs

= Resistencia (total) de superficie [s m–1].

r1

= Resistencia total estomática bajo una adecuada iluminación [s m–1].

[33]

LAIactivo = Índice de área foliar activo; el índice de área foliar activo es el de la parte de la cubierta que contribuye activamente a la transferencia de calor y de flujo de vapor; generalmente es el LAI correspondiente a la porción superior de la cubierta, en el caso de una cubierta densa, que está expuesta directamente a la radiación solar. El índice de área foliar activo para cultivos de referencia como las gramíneas y alfalfa se establece como (Jensen et al., 1990): LAIactivo = 0,5 LAI

[34]

Esta relación es aplicable para valores de LAI > 1. Para el caso de superficies de referencia como gramíneas o alfalfa, se han desarrollado ecuaciones útiles que permiten obtener el LAI en función de la altura (Allen et al., 1989) así: Para el caso de gramíneas cortadas con una altura h [m] inferior a 0,15 m LAI = 24 h Para alfalfa que se corta periódicamente y con una altura h [m] superior a 0.03 m LAI = 5,5 + 1,5 ln h

[35]

La resistencia total estomática, r1, es un parámetro dinámico que cambia con la iluminación solar, déficit de presión de vapor de agua entre la hoja y su entorno, concentración de dióxido de carbono, temperatura de las hojas y potencial del agua en el suelo (Stewart, 1989). La integración de estos parámetros en un modelo para reflejar la resistencia estomática se puede encontrar en Jarvis (1976) y Selllers et al. (1997). Las relaciones de estos parámetros con la resistencia estomática son dependientes del cultivo. Valores de resistencia estomática y de resistencia de superficie se listan en ASCE28. Un valor típico de resistencia estomática es de 100 s m–1. Valores de resistencia de superficie para muchos cultivos se encuentran entre 40 y 70 s m–1. 199

Es necesario señalar que la transpiración se incrementa cuando se incrementa el LAI, tal y como refleja la ecuación 33, ya que disminuye la resistencia de superficie, hasta que se alcanza la cobertura completa de la cubierta lo que sucede cuando el valor de LAI es 3 (Rosenberg et al., 1983). Incrementos del valor de LAI por encima de 3, producen pequeños incrementos de la parte de la vegetación que contribuye activamente al flujo de vapor de agua. 5.2.

MEDIDA DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN

La evapotranspiración es una magnitud difícil de medir. Los procedimientos requieren la medida continua de un gran número de parámetros físicos meteorológicos y de la propia cubierta y son, a menudo, caros, muy intensivos en recursos humanos y equipamiento científico. Atendiendo al principio en que se basan los equipos de medida, podemos agruparlos en las siguientes clases: 5.2.1.

Métodos micrometeorológicos y de balance de energía

La determinación de los términos del balance de energía contemplados en la ecuación 4 en la que se consideran sólo los flujos verticales, y se desprecian los términos de la fotosíntesis y la energía almacenada en la cubierta es uno de los primeros procedimientos utilizados para la determinación de la evapotranspiración. Para ello requiere medir el flujo de calor en suelo, G, la radiación neta sobre la cubierta y el flujo de calor sensible, H. Un procedimiento utilizado es el basado en la transferencia de masa. La transferencia de masa (y la de energía y la de cantidad de movimiento) entre la cubierta y la atmósfera se realiza mediante un proceso convectivo turbulento, en el que el transporte lo realiza el movimiento en remolino de pequeños «paquetes» de aire. Asumiendo condiciones en régimen estacionario y que los coeficientes de difusividad de los torbellinos para el vapor de agua son proporcionales a aquellos para el calor sensible y la cantidad de movimiento, la evapotranspiración puede ser calculada por medidas de los gradientes verticales de la temperatura del aire y del vapor de agua. Este es el caso del procedimiento conocido como razón de Bowen, procedimiento clásico ampliamente difundido y que anteriormente se ha descrito. Una revisión detallada de este procedimiento se encuentra en ASCE28. Otro procedimiento es el denominado «covarianza de torbellinos» (eddy covariance), en el que se mide directamente la componente vertical instantánea de la velocidad del viento, mediante un anemómetro tridimensional; simultáneamente se miden concentraciones instantáneas de vapor de agua. En este caso el flujo de vapor de agua para un flujo turbulento completamente desarrollado se puede calcular en la forma: λET = – (λερ/P) ω´ e´a

[36]

donde el término ω´ e´a representa el promedio sobre un intervalo temporal del producto de los valores ω´ e´a. Los valores de ω´ y e´a son las desviaciones del valor promedio de los valores instantáneos de velocidad y presión parcial del vapor de agua, respectivamente, a lo largo del intervalo temporal que se considere. El procedimiento de covarianza de torbellinos se puede aplicar a cualquier propiedad que es transportada 200

por los remolinos (Rosenberg et al., 1983). Así, si medimos velocidad de viento y temperaturas podemos estimar el flujo de calor sensible, y en caso de que se midan concentraciones de CO2, una ecuación similar a la ecuación 36 nos dará el flujo de dióxido de carbono. El procedimiento de covarianza de torbellinos requiere instrumentación sofisticada y correcciones para seguridad de los resultados (Gavilán, 2002). Tanto el método de razón de Bowen, como el método de covarianza de torbellinos miden valores en un punto. Para zonas relativamente heterogéneas aparece el problema de la representatividad. La radiación neta y el flujo de calor en suelo se miden por procedimientos estándar ampliamente usados. El término más difícil de medir para obtener el calor latente a través de la ecuación del balance es el calor sensible, H. Un procedimiento para medir el calor sensible en una superficie extensa es haciendo uso de los equipos denominados escintilómetros. Los escintilómetros de gran apertura son instrumentos que miden la intensidad de la turbulencia del índice de refracción del aire. El instrumento consiste en un transmisor y un receptor. El transmisor emite una radiación electromagnética a 0,94 µm que atraviesa un recorrido de longitud conocida (valores típicos para un escintilómetro de gran apertura son entre 400 m y 9 km) hasta el receptor. Las fluctuaciones en la intensidad del haz es lo que se denomina como escintilación y son causadas por la no homogeneidad en el índice de refracción a lo largo del recorrido del haz (Meijninger y de Bruin, 2000). 5.2.2.

Métodos basados en el balance hídrico del suelo

La evapotranspiración puede ser determinada por la medida de varios componentes del balance hídrico del suelo. El método consiste en determinar las entradas y salidas del flujo de agua en la zona del suelo ocupada por las raíces en algún intervalo temporal. Riego, I, y lluvia, P, aportan agua a la zona; las pérdidas pueden ser por escorrentía superficial, Es, y percolación profunda, R, la cual recargará el acuífero. En los casos en que el nivel freático se encuentre a pequeña profundidad de las raíces, el ascenso capilar puede aportar agua. En casos de pendientes es necesario considerar entradas y salidas por flujos subsuperficiales, Fs, aunque frecuentemente estas aportaciones o salidas se suelen despreciar. Finalmente, la evaporación desde el suelo y la transpiración desde las plantas detraen agua desde la zona de raíces. Si todos los flujos de agua citados son medidos, la evapotranspìración puede ser deducida teniendo también en cuenta el cambio en el contenido en agua en la capa suelo, ∆S, aplicando la ecuación de balance hídrico, en la forma: ET = I + P – Es – R – Fs + ∆S

[37]

Algunos flujos como el subsuperficial, percolación profunda y ascenso capilar desde nivel freático son difíciles de estimar. El balance hídrico de suelos suele emplearse en estimar ET sobre períodos semanales o superiores (Allen et al., 1998). 5.2.3.

Lisímetros

Si se aísla físicamente la zona de suelo en el que se asientan las raíces del de su entorno, tanto los flujos laterales como los de percolación o ascenso capilar son cero. En este caso los diferentes términos del resto del balance hídrico pueden ser determinados con precisión. Esto se hace en los instrumentos llamados lisímetros, que son tan201

ques aislados que se han rellenado con suelo removido o sin remover, en donde crecen los cultivos (Allen et al., 1991). En los denominados lisímetros de pesada, el agua ganada o perdida se mide por el cambio en la masa obtenido pesando la caja en la que se encuentra el suelo. Así es posible determinar con gran precisión la evapotranspiración. En los lisímetros de pesada continua se obtiene un registro continuo del peso lo que permite seguir la evolución temporal en tiempos cortos de las diferentes aportaciones y pérdidas de agua, entre las que se encuentra la evapotranspiración. Un requerimiento de los lisímetros es que las condiciones de su cubierta vegetal se ajusten a las del entorno inmediato (misma altura, cobertura vegetal, LAI). Si este requisito no se cumple, puede dar lugar a errores en la medida de ET. 5.2.4.

ET desde evaporación en cubetas

La evaporación desde una superficie de agua en una cubeta de dimensiones y características bien establecidas (Martín de Santa Olalla y De Juan, 1993) integra los efectos de radiación, temperatura y humedad del aire, y velocidad del viento. Sin embargo, diferencias en la superficie del agua y en la superficie del cultivo producen significativas diferencias en la pérdida desde la superficie del agua y de la superficie. Descripción detallada de este procedimiento y de los coeficientes utilizados en función de los diferentes equipos y características de instalación pueden encontrarse en Allen et al. (1998).

6.

CÁLCULO OPERATIVO DE LA ET: EL MÉTODO Kc-ETo

La dificultad en la aplicación directa de la ecuación de Penman-Monteith ha llevado en las últimas décadas al desarrollo de la metodología para la estimación de la evapotranspiración basada en los conceptos de evapotranspiración de referencia, que depende sólo de las variables climáticas, y del coeficiente de cultivo, metodología en dos pasos que abreviadamente se denomina «Kc-ETo». Desarrollo de la metodología Kc-ETo. Un gran número de métodos con un grado de empirismo variable han sido desarrollados a lo largo de los últimos 50 años por numerosos científicos y especialistas para estimar la evapotranspiración desde las variables climáticas (Jensen et al., 1990). Las relaciones desarrolladas, aunque sometidas a rigurosas calibraciones locales mostraban una validez global limitada. La necesidad de métodos fiables para la planificación de proyectos y diseño de programación de riegos impulsó a la FAO a la elaboración de una guía de cálculo de la evapotranspiración FAO24 (Dorembos y Pruitt, 1977) en la que se establecían una serie de recomendaciones sobre los métodos a aplicar, y en la que se consideraron cuatro métodos atendiendo a la disponibilidad de los datos, denominados como: Blaney-Criddle, radiación, Penman modificado y métodos de evaporación en cubeta. El método Penman modificado fue el método recomendado como el que ofrecía mejores resultados en relación con una superficie herbácea. El método de evaporación en cubeta se consideraba que daba estimaciones adecuadas, dependiendo de localización de la cubeta. El método de radiación se sugería para áreas donde la disponibilidad de datos climáticos incluyera temperatura del aire y horas de sol, o radiación, pero no se dispusiera de velocidad de viento y humedad. Finalmente se sugería el uso del método de Blaney-Criddle en aquellas condiciones en que solamente se dispusiera de temperaturas del aire. Los dife202

rentes procedimientos fueron calibrados para proporcionar estimaciones sobre intervalos temporales de 10 días o mensuales, como en el caso de Blaney-Criddle, aunque en muchos casos los usuarios no tuvieron en cuenta esta recomendación y se realizaban cálculos en intervalo diario (Allen et al., 1998). Una extensa revisión de los métodos recomendados en FAO24 y otros adicionales se presenta en Jensen et al. (1990), en la que se comparan 19 procedimientos de cálculo de evapotranspiración en un intervalo temporal mensual y 13 procedimientos en un intervalo diario aplicados en diferentes condiciones climáticas sobre localizaciones situadas a lo largo del planeta. La comparación se efectúa con un conjunto de lisímetros cuidadosamente elegido. Las conclusiones de este trabajo, se resumen por Allen et al. (1998) en la forma: • El método de Penman modificado puede requerir calibraciones locales de la función de la velocidad del viento para conseguir resultados satisfactorios. • El método de radiación proporciona buenos resultados en climas húmedos donde el término aerodinámico es poco importante; sin embargo en climas áridos se obtienen resultados erráticos que tienden a subestimar la evapotranspiración. • Los métodos basados en la temperatura requieren calibración local para obtener resultados satisfactorios, a excepción del denominado Hargreaves 1985, que presenta resultados razonables con validez global y al que más adelante nos referiremos. • Los métodos de evaporación en cubeta reflejan una capacidad limitada de estimar la evapotranspiración de cultivos, debido a la aparición de efectos micrometeorológicos y la dificultad de un adecuado montaje y mantenimiento. • Los resultados obtenidos aplicando la metodología basada en la ecuación Penman-Monteith son relativamente precisos y consistente para diferentes lugares y climas, tanto áridos como húmedos. El análisis de los resultados obtenidos por los diferentes métodos reveló la necesidad de formular una metodología estándar para el cálculo de la evapotranspiración de referencia. En 1990, definió de forma precisa el concepto de «superficie de referencia» y la metodología para calcular la evapotranspiración de referencia, ETo, denominada como procedimiento FAO Penman-Monteith (FAO, 1990). 6.1.

6.1.1.

LA EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA ETo. LA ECUACIÓN FAO-PENMAN-MONTEITH Superficie de referencia

El concepto de superficie de referencia permite definir de forma precisa la evapotranspiración de referencia como la que ocurre en dicha superficie bajo las condiciones climáticas en que se encuentre en ese instante. La evapotranspiración del cultivo en condiciones estándar, ETc, se relaciona con la de la superficie de referencia mediante el concepto del coeficiente de cultivo. Inicialmente se propuso una superficie libre de agua como superficie de referencia. Sin embargo, como ya se ha manifestado, las diferencias del proceso de evapo203

ración desde esta superficie del de una cubierta vegetal en los procesos aerodinámicos, de intercambio radiativo, y principalmente en el control biológico que ejerce la vegetación, han aconsejado utilizar como superficie de referencia una cubierta vegetal. La adopción de una superficie vegetal como referencia tiene la ventaja de incorporar los procesos físicos y biológicos involucrados en la ET propios de la vegetación. Tradicionalmente se han considerado dos superficies vegetales de referencia: gramíneas y alfalfa. Ambos cultivos han sido ampliamente estudiados en relación con sus características aerodinámicas y de resistencia de superficie. Sin embargo, tal y como anteriormente se ha discutido la resistencia aerodinámica y de superficie varían con la altura del cultivo, cobertura del suelo, LAI y humedad del suelo, lo que se traduce en cambios en la ET. También pueden existir variaciones morfológicas y fisiológicas debidas al tipo y variedad de gramíneas elegido. Por ello, en 1990, el Comité de Expertos de FAO definió la superficie de referencia como la correspondiente a «un cultivo de referencia ideal con una altura de 0,12 m, una resistencia de superficie de 70 s m–1 y un albedo de 0,23». La superficie de referencia se asemejaría a la de una superficie extensa de gramínea, verde, con una altura uniforme de alrededor de 0,12 m, que sombreara completamente el suelo, con un adecuado suministro de agua y con un crecimiento óptimo. Los requerimientos de una superficie extensa y uniforme se deben a la condición impuesta de que todos los flujos de energía han de ser verticales. La precisa definición de la superficie de referencia permite calcular la evapotranspiración de la superficie de referencia, ETo, por el método FAO Penman-Monteith sin ambigüedad, y proporciona valores coherentes en todas las regiones y climas (Allen et al., 1998).

6.2.

EVAPOTRANSPIRACIÓN DE LA SUPERFICIE DE REFERENCIA, ETo. ECUACIÓN FAO PENMAN-MONTEITH

El Panel de Expertos organizado por FAO en mayo de 1990, en colaboración con la Comisión Internacional de Riegos y Drenajes y la Organización Meteorológica Mundial, recomendó la adopción del método de combinación Penman Monteith como un nuevo estándar para la estimación de la evapotranspiración de referencia ETo y recomendó el procedimiento de cálculo de varios parámetros (FAO, 1990). La ecuación que permite el cálculo de ETo es la denominada FAO Penman-Monteith, o también FAO56 Penman-Monteith, que resulta de aplicar en la ecuación general de Penman-Monteith los valores de las resistencias aerodinámica y de superficie deducidas de la definición de superficie de referencia. Con ello, la ecuación FAO Penman-Monteith para un intervalo temporal diario se expresa en la forma: 0,408 ∆ (Rn – G) + γ ETo = 204

900 u (e – e ) 2 s a T + 273

∆ + γ (1 + 0,34 u2)

[38]

ETo

= Evapotranspiración de referencia [mm día–1].

∆

= Pendiente de la curva de saturación del vapor de agua, calculada a la temperatura T del aire [kPa ° C–1].

Rn

= Es la radiación neta [MJ m–2 día–1].

G

= Es el flujo de calor en el suelo [MJ m–2 día–1].

γ

= «Constante psicrométrica» [kPa ° C–1].

u2

= Velocidad del viento promedio diario medida a una altura de 2 m [m s–1].

T

= Temperatura media diaria del aire medida a una altura de 2 m [° C].

es

= Presión de saturación promedio diario del vapor de agua [kPa].

ea

= Presión de vapor de agua promedio diario existente en el aire [kPa].

es – ea = Déficit de saturación promedio diario de la presión de vapor de agua en el aire [kPa]. 6.3.

APLICACIÓN DE LA ECUACIÓN FAO PENMAN-MONTEIH: VARIABLES METEOROLÓGICAS REQUERIDAS

Las variables meteorológicas requeridas y su cálculo siguen las pautas establecidas en el procedimiento FAO (Allen et al., 1998). 6.3.1.

Temperatura media del aire

La temperatura del aire ha de ser medida a 2 m de altura, y se calcula a partir de los valores máximo y mínimo del ciclo de temperatura diario a efectos de su aplicación en la ecuación FAO P-M. La utilización de otro valor promedio puede llevar a subestimación de ETo debido a la no linealidad de la curva presión de vapor de saturación-temperatura. T = (Tmax + Tmin)/2 T

[39]

= Temperatura del aire (promedio diario) [° C].

Tmax = Temperatura máxima del aire en un ciclo diario [° C]. Tmin = Temperatura mínima del aire en un ciclo diario [° C]. 6.3.2.

Pendiente de la curva de saturación del vapor de agua ∆ = 4098 [0,6108 exp {17,27 T/(T+ 237,3)}]/(T + 237,3)2

[40]

∆ = Pendiente de la curva de saturación del vapor de agua, calculada a la temperatura T del aire [kPa ° C–1]. T = Temperatura del aire T (estimada por la ecuación 39) [° C]. 205

6.3.3.

Radiación neta

La radiación neta, Rn, expresada en [MJ m–2 día–1] puede ser medida mediante los equipos adecuados. En caso de no disponer de la radiación neta medida, puede ser estimada de acuerdo con el procedimiento señalado en el Anexo I. 6.3.4.

Flujo de calor en suelo

El flujo de calor en suelo, G, expresado en [MJ m–2 día–1], puede ser despreciado en el caso de intervalo diario. En otros casos puede ser estimado de acuerdo con las ecuaciones 11 a 17. 6.3.5.

Constante psicrométrica γ = c P / (ε λ) = 0,00163 P/λ = 0,000665 P

[41]

γ = Constante psicrométrica [kPa ° C–1]. Para una presión de 101,3 kPa, y una temperatura de 20° C, adopta un valor de 0,067 kPa ° C–1. c = Calor específico del aire a presión constante. El valor promedio es 1,013 × 10–3 [MJ kg–1 ° C–1]. λ = Calor latente de vaporización. A una temperatura de 20° C, el valor es de 2,45 [MJ kg–1]. P = Presión atmosférica [kPa]. ε = Cociente entre el peso molecular del aire seco y del vapor de agua, 0,622. Si no se dispone del dato de presión atmosférica, se puede estimar con la ecuación P = 101,3 [(293 – 0,0065 z)/293]5,26

[42]

P = Presión atmosférica [kPa]. z = Altura sobre el nivel del mar [m]. que se deriva suponiendo condiciones normales a nivel del mar: presión 101,3 kPa y T = 273 + 20 = 293 K. 6.3.6.

Velocidad del viento

Se requiere la velocidad promedio diario [m s–1] medida a una altura de 2 m. Es importante verificar la altura a la que se mide la velocidad del viento. Si se dispone del dato a otra altura es necesario realizar la corrección a la altura estándar de 2 m. 6.3.7.

Humedad. Presión de vapor de saturación

Como la presión de saturación de vapor depende de la temperatura, podemos calcularlo de la relación con la temperatura debida a Tetens (1930): es (T) = 0,6108 exp [17,27 T/(T + 237,3)] 206

[43]

es (T) = presión de saturación del vapor de agua a la temperatura T [kPa]. T

= temperatura del aire [° C].

Debido a la no linealidad de la ecuación 43 el valor promedio de la presión de saturación se estima como la media aritmética de la presión de saturación a la temperatura máxima y a la temperatura mínima en el intervalo temporal considerado, en la forma: es (T) = [es (Tmax) + es (Tmin)]/2 6.3.8.

[44]

Humedad. Presión de vapor actual

La presión parcial del vapor de agua (promedio diario) se puede estimar a partir de la humedad relativa máxima y mínima en el ciclo diario, o bien desde datos psicrométricos o desde la determinación del punto de rocío.

Presión de vapor actual desde datos de humedad relativa máxima y mínima La ecuación que permite el cálculo desde los datos de humedad relativa máxima y mínima es: ea = [es (Tmin) (HRmax/100) + es (Tmax) (HRmin/100)]/2

[45]

ea = Presión de vapor (promedio) actual [kPa]. es(Tmin) = Presión de saturación, a la temperatura Tmin [kPa]. es(Tmax) = Presión de saturación, a la temperatura Tmax [kPa]. HRmax = Humedad relativa máxima. HRmin = Humedad relativa mínima.

Presión de vapor actual desde datos de temperatura de rocío Como la temperatura de rocío (Tr) es la temperatura a la que el aire necesita ser enfriado a presión constante para que se sature, la presión de vapor actual será la presión de saturación a la temperatura del punto de rocío, esto es: ea = es (Tr) = 0,6108 exp [17,27 Tr/(Tr + 237,3)]

[46]

Presión de vapor actual desde datos del psicrómetro La presión de vapor actual puede ser determinada midiendo las temperaturas de bulbo seco (Tseco) y de bulbo húmedo (Thum). La relación es la ecuación del psicrómetro: ea = es(Thum) – γpsic (Tseco – Thum) ea

[47]

= Presión de vapor actual [kPa].

es(Thum) = Presión de saturación de vapor a la temperatura del bulbo húmedo. γpsic

= Constante psicrométrica del instrumento [kPa ° C–1]. 207

(Tseco – Thum) = Depresión de bulbo húmedo [° C–1]. La constante psicrométrica del instrumento viene dada por: γpsic = apsic P

[48]

donde apsic es un coeficiente que depende del tipo de ventilación del bulbo húmedo [° C] y P es la presión atmosférica [kPa]. Valores de los coeficientes del psicrómetro son: apsi = 0,000662 para psicrómetros con ventilación forzada, tipo Asmann, con una velocidad del aire de 5 m s–1, apsi = 0,000800 psicrómetros con ventilación natural (velocidad del aire sobre 1 m s–1). apsi = 0,001200 para psicrómetros sin ventilación, instalados en el interior. 6.3.9.

Deducción de la ecuación FAO Penman-Monteith

La definición de la superficie de referencia como una superficie extensa de altura uniforme de 0,12 m permite fijar la resistencia aerodinámica ra de dicha superficie, de acuerdo con las ecuaciones 31 y 32 como: ra = 208/u2

[49]

ra = Resistencia aerodinámica de la superficie de referencia [s m–1]. u2 = Velocidad del viento, medida a 2 m de altura [m s–1]. La propia definición de la superficie de referencia establece el valor de la resistencia de superficie en 70 s m–1, que supone una resistencia estomática de 100 s m–1 (Allen et al., 1998). Utilizando estos valores, el término [1 + rs/ra] = [1 + 0,34 u2]. El producto de los términos densidad media del aire y calor específico a presión constante ρ c, puede escribirse en la forma: ρ c = ( λ ε γ)/[1,01 (T + 273) R]

[50]

ya que la densidad del aire y el calor específico a presión constante se pueden escribir como: ρ = P/(Tkv R) ≈ P/[1,01 (T + 273) R] c = λ ε γ/P ρ

= Densidad media del aire [kg m–3].

c

= Calor específico del aire a presión constante [MJ kg–1 ° C–1].

P

= Presión atmosférica [kPa].

Tkv = Temperatura virtual del aire [K]. Es la temperatura que tendría que alcanzar el aire seco para que su densidad fuera la misma que la del aire húmedo. Tkv = (T + 273)/(1– 0,378 e/P) ≈ 1,01 (T + 273). 208

e = Presión parcial del vapor de agua [kPa]. T = Temperatura del aire medida a 2 m de altura [° C]. R = Constante específica del aire seco = 0,287 [KJ kg–1 K–1]. λ = Calor latente de vaporización ≈ 2,45 [MJ kg–1]. ε = Cociente entre la masa molecular del agua y la del aire seco = 0,622 [–]. γ = Constante psicrométrica [kPa °C–1]. Si se considera un intervalo temporal diario, el término (ρ c/ra λ) queda: (ρ c/raλ) = 86400 (0,622) γ u2 / [1,01 (T + 273)(0,287)(208)], esto es: (ρ c /ra λ) ≈ 900 γ u2 / (T + 273) [mm día–1 ° C–1]

[51]

El flujo neto de energía (Rn – G) expresado en [MJ m–2 día–1], al dividirle por el calor latente λ ≈ 2,45 [MJ kg–1], quedará: (Rn – G)/ λ = 0,408 (Rn – G) [mm día–1]

[52]

Introduciendo ahora en la ecuación de Penman-Monteith, ecuación 30, los valores de los términos señalados anteriormente, se obtiene la ecuación de FAO PenmanMonteith, ecuación 38, para la estimación de la evapotranspiración de referencia en mm día–1. 6.3.10.

Evapotranspiración de referencia en intervalo temporal horario

La evapotranspiración de referencia en un intervalo temporal horario, ETohr, se puede obtener de la misma forma considerando dicho intervalo temporal, introduciendo en la ecuación 51 un intervalo de 3.600 segundos, con lo que queda: 0,408 ∆ (Rn – G) + γ ETo =

37 u (e – e ) 2 s a T + 273

∆ + γ (1 + 0,34 u2)

[53]

ETohr = Evapotranspiración de referencia [mm hora–1]. ∆

= Pendiente de la curva de saturación del vapor de agua, calculada a la temperatura T del aire [kPa ° C–1].

Rn

= Es la radiación neta [MJ m–2 hora–1].

G

= Es el flujo de calor en el suelo [MJ m–2 hora–1].

γ

= Constante psicrométrica [kPa ° C–1].

u2

= Velocidad del viento promedio horario medida a una altura de 2 m [m s–1].

T

= Temperatura media horaria del aire medida a una altura de 2 m [° C].

es

= Presión de saturación promedio horaria del vapor de agua [kPa].

ea

= Presión de vapor de agua promedio horaria existente en el aire [kPa].

es – ea = Déficit de saturación promedio horaria de la presión de vapor de agua en el aire [kPa]. 209

Las variables meteorológicas necesarias son en este caso, y en el intervalo de la hora: • Temperatura media del aire. • Humedad Relativa horaria promedio. • Velocidad de viento promedio. • Radiación neta durante la hora considerada. • Flujo de calor en suelo. En este caso no es despreciable, por lo que puede estimarse con las ecuaciones 15 a 17. Es de notar que estamos considerando constante la resistencia de superficie para todas las horas. En algunos casos se consideran diferentes los valores de la resistencia de superficie para las horas de luz y para las horas de noche. En este caso cambian los valores de los coeficientes que en la ecuación 53 valen 37 y 0,34 (Allen, 2000). Estimaciones precisas de evapotranspiración de referencia horaria podrían requerir además de correcciones de estabilidad aerodinámica y ajustes de valores de la resistencia estomática en función de la radiación, humedad y temperatura. 6.3.11.

Evapotranspiración de referencia en intervalo temporal de 10 días o mensual

En este caso, se calcula un valor de ETo correspondiente a un día promedio del intervalo considerado, por lo que se utiliza la ecuación 38. El valor de la ETo mensual es muy similar al promedio de los datos de ETo diarios sobre ese período. En el caso de un intervalo temporal mensual será necesario introducir los valores del flujo de calor en suelo, G, ecuaciones 13 y 14. Los datos meteorológicos necesarios serán: Temperatura del aire: La temperatura media se calcula sobre la temperatura máxima promedio y temperatura mínima promedio en el intervalo temporal considerado, ecuación 39. La temperatura así calculada es la que ha de utilizarse para el cálculo de la pendiente de la presión de saturación del vapor. Humedad del aire: La presión de vapor de saturación se calcula mediante la ecuación 44, utilizando los valores promedio de Tmax y Tmin en el intervalo considerado. La presión promedio actual de vapor es la media aritmética de las presiones diarias derivadas de los datos de humedad relativa, psicrómetro o temperatura de punto de rocío. Si se utilizan datos de humedad relativa, ha de utilizarse la ecuación 45, y los valores mín. y máx. de la temperatura y de la humedad relativa son los promedios sobre los valores diarios en el intervalo considerado. En todo caso se pueden estimar los valores diarios de la presión de saturación y la presión actual, y calcular su promedio en el intervalo temporal que se considere. Velocidad de viento: Velocidad promedio de la velocidad de viento medida a 2 m en el intervalo considerado La presión atmosférica para el cálculo de la constante psicrométrica será la presión promedio en el intervalo temporal. 210

6.3.12.

Evapotranspiración de referencia para alfalfa como superficie de referencia

La ecuación de Penman Monteith puede ser aplicada sobre la superficie de referencia de alfalfa, superficie que es ampliamente usada en algunos lugares, especialmente Estados Unidos. Para un cultivo de alfalfa de 0,5 m de altura, la resistencia aerodinámica resulta, aplicando las ecuaciones 28 y 29, ra = 110/u2 . Si se considera para la alfalfa una resistencia estomática de 100 s m–1, aplicando las ecuaciones 34 y 35, en las que para una alfalfa de 0,5 m de altura se predice un LAI de 4,5, se estima una resistencia de superficie de 44 s m–1. Introduciendo los valores de la resistencia aerodinámica y de la resistencia de superficie en la ecuación general de Penman-Monteith, y operando de la misma manera que en el caso de la superficie de gramíneas, obtenemos para una superficie de referencia alfalfa en un intervalo diario la ecuación (Allen et al., 1989) (ASCE28):

ETr =

0,408 ∆ (Rn – G) + γ 1.700 u2 (es – ea) T + 273 ∆ + γ (1 + 0,34 u2)

[54]

ETr

= Evapotranspiración de referencia, superficie de referencia alfalfa [mm día–1].

∆

= Pendiente de la curva de saturación del vapor de agua, calculada a la temperatura T del aire [kPa ° C–1].

Rn

= Es la radiación neta [MJ m–2 día–1].

G

= Es el flujo de calor en el suelo [MJ m–2 día–1].

γ

= Constante psicrométrica [kPa ° C–1].

u2

= Velocidad del viento promedio diario medida a una altura de 2 m [m s–1].

T

= Temperatura media diaria del aire medida a una altura de 2 m [° C].

es

= Presión de saturación promedio diario del vapor de agua [kPa].

ea

= Presión de vapor de agua promedio diario existente en el aire [kPa].

es – ea = Déficit de saturación promedio diario de la presión de vapor de agua en el aire [kPa]. La ecuación 54 se suele denominar también como ASCE Penman-Monteith con resistencias según Allen et al. (1989). Asimismo, es posible obtener ecuaciones adicionales para otros intervalos temporales con superficie de referencia de alfalfa. Para el caso de intervalo horario, el coeficiente 1.700 cambia a 70, considerando despreciables los efectos de estabilidad aerodinámica. En este caso, ETr se expresará en milímetros por hora [mm hr–1]. Rn y G han de expresarse en MJ m–2 hr–1. Allen (2000) señala la definición de una ecuación estandarizada para la evapotranspiración de referencia alfalfa (estándar ASCE 2000) en la que se modifican ligeramente los valores de los coeficientes 1.700 y 0,40 de la ecuación 54, tomando diferentes valores según el intervalo temporal que se considere y, en el caso de intervalo horario, si son horas diurnas o nocturnas, reflejando de esta manera las diferentes resistencias en función de la iluminación. 211

La utilización de gramíneas o alfalfa como superficie de referencia ha sido objeto de amplio debate (ASCE28). Las ventajas de las gramíneas es la facilidad de mantener verde la superficie durante todo el año con un LAI de alrededor de 3. Esto es especialmente importante en el manejo de lisímetros. Se suelen elegir especies como raygras inglés (Lolium perenne L.) o festuca (Festuca arundinacea L.), evitando aquellas como Bermuda (Cynodon dactylon L.) que ejercen un considerable control biológico sobre la transpiración. Se han señalado como desventaja el que debido al hecho de su escasa altura, los valores de ET para las gramíneas son menores que para la mayoría de cultivos cuando cubren completamente el suelo. Este hecho no sucede para la alfalfa; de hecho pocos cultivos superan la ET de una cubierta de alfalfa entre 0,3 y 0,5 m de altura. Sin embargo, la dificultad de manejo de la superficie de alfalfa es muy superior, ya que los cortes para la siega cambian completamente la estructura y ha de esperarse algunos días hasta disponer de las condiciones adecuadas como superficie de referencia. 6.4.

PROCEDIMIENTO ALTERNATIVO DE CÁLCULO DE LA ETo

Es frecuente no disponer de datos de radiación, humedad relativa y velocidad de viento. En este caso se puede utilizar un procedimiento alternativo basado en la ecuación de Hargreaves (Hargreaves, 1985) en la forma: ETo = 0,0023 (Tmedia + 17,8) (Tmax – Tmin)0,5 Ra ETo

[55]

= Evapotranspiración de referencia, mm día–1.

Tmedia = Temperatura media del aire = (Tmax + Tmin)/2. [° C]. Tmax = Temperatura máxima del aire en el ciclo diario [° C]. Tmin

= Temperatura mínima del aire en el ciclo diario [° C].

Ra

= Radiación solar extraterrestre [MJ m–2 día–1].

La ecuación 55, denominada Hargreaves 1985, es recomendada como la ecuación basada en la temperatura que mejores resultados proporciona (Jensen et al., 1990), siendo así aceptada por ASCE28 y (Allen et al., 1998). Es necesario resaltar la conveniencia de calibrar localmente la ecuación de Hargreaves con los datos obtenidos por la ecuación FAO Penman-Monteith para asegurarse de su funcionamiento correcto y, en su caso, corregir las desviaciones. López (2004) confirma para el clima semiárido de la Mancha la ecuación Hargreaves1985 como la que mejores resultados proporciona, sin requerir calibrado local, tras el análisis de tres años de datos lisimétricos. 6.4.1.

Programas informáticos para el cálculo de ETo

Se han desarrollado programas de software que permiten el cálculo de la ETo, de acuerdo con el procedimiento FAO o mediante otras ecuaciones. Mencionamos aquí el programa CR0PWAT desarrollado por Smith (1992), y el paquete informático desarrollado por Allen (2000). La tabla 3.1 detalla los procedimientos de cálculo de la evapotranspiración de referencia que este paquete informático permite realizar. 212

Tabla 3.1. Procedimientos de cálculo de la evapotranspiración de referencia integrados en el paquete informático desarrollado por Allen (2000) Método de cálculo

Escala temporal

ASCE Penman-Monteith con resistencias según Allen et al. (1989) (ec. 54) M, D ó H ASCE Penman-Monteith con resistencias superficiales introducidas por el usuario M, D ó H Estándar ASCE 2000 procedente de ASCE Penman-Monteith M, D ó H Kimberly Penman 1982 (Wright, 1982; 1987; 1996) M, D ó H ET0 FAO-56 Penman-Monteith (1998) (ec. 38 y ec. 53) M, D ó H 1972 Kimberly Penman (función de viento fija) M, D ó H Penman 1948 ó 1963 (Penman, 1948; 1963) M, D ó H FAO-24 Penman corregido (Doorenbos y Pruitt, 1975; 1977) MóD FAO-PPP-17 Penman (Freres y Popov, 1979) MóD CIMIS Penman con FAO-56 con escala temporal horaria. Rn y G = 0 H Método de radiación FAO-24 (Doorenbos y Pruitt, 1975; 1977) MóD FAO-24 Blaney-Criddle (Doorenbos y Pruitt, 1975; 1977) MóD Método del evaporímetro de cubeta FAO-24 (Doorenbos y Pruitt, 1975; 1977) MóD Método de la temperatura Hargreaves 1985 (Hargreaves y Samani, 1985) (ec. 55) MóD Método de radiación y temperatura Priestley-Taylor (1972) MóD Método de la radiación y temperatura Makkink (1957) MóD Método de la radiación y la temperatura Turc (1961) MóD

Tipo de referencia

ET0 ETr ET0 ETr ET0 ETr ETr ET0 ETr ET0 ET0 ET0 ET0 ET0 ET0 ET0 ET0 ET0 ET0 ET0

M = cálculo mensual. D = cálculo diario. H = cálculo horario. ET0 está referido a festuca (porte bajo). ETr está referido a alfalfa (porte alto).

6.5.

EL COEFICIENTE DE CULTIVO. SU DETERMINACIÓN

La forma en que se calcula la evapotranspiración de un cultivo (o una cubierta), ETc, en condiciones óptimas de crecimiento en suministro de agua, densidad de planta y nutrientes (condiciones estándar) en la metodología Kc-ETo, es multiplicando la evapotranspiración de referencia ETo por el valor del coeficiente cultivo correspondiente a dicha cubierta, en la forma: ETc = Kc ETo

[56]

La evapotranspiración de referencia recoge en gran medida las condiciones climáticas. Así, ETo representa la demanda evaporativa de la atmósfera. El coeficiente de cultivo Kc recoge fundamentalmente las características del cultivo diferentes a la superficie de referencia y, en una parte menor, de las condiciones climáticas. Si aplicamos la ecuación de Penman-Monteith a la definición de Kc obtenemos: 213

⎩ (e – e ) ∆ (Rn – G) + ρ c s a ⎪ ra ⎪ 1 ⎪ λ r ∆+γ 1+ s ⎧ r

(

)

⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ cultivo

a ETc Kc = —— = —————————————————— ETo 900 0,408 ∆ (Rn – G) + γ u2 (es – ea) T + 273

[57]

∆ + γ (1 + 0,34 u2) El coeficiente de cultivo Kc, definido por la ecuación 57 integra los siguientes aspectos: • Altura del cultivo. La altura del cultivo modifica la resistencia aerodinámica. • Albedo de la superficie. El albedo depende de la fracción cubierta por la vegetación y de la humedad; diferencias en el valor del albedo producen cambios en la radiación absorbida. • Resistencia de superficie de la cubierta, ya que ésta es una combinación de la resistencia estomática que varía con la edad del cultivo, su estadio de crecimiento y el grado de control estomático, junto con la resistencia del suelo. • Evaporación desde el suelo, especialmente en la fracción no cubierta por la vegetación. En el caso de bajas coberturas vegetales el estado de humedad del suelo es determinante, ya que la evaporación desde el suelo puede ser elevado en caso de que se encuentre mojado, con valores cercanos a 1 para el Kc, o valores muy bajos de evaporación si la superficie del suelo está seca. El coeficiente de cultivo recoge también, aunque en menor grado, diferencias climáticas. Los valores de Kc que se recogen en las tablas 3.2 son valores típicos bajo condiciones climáticas estándar definidas como clima subhúmedo (Allen et al., 1998), con una humedad relativa promedio diaria mínima (HRmin) ≈ 45%, junto con promedios de velocidad de viento a 2 m de altura de 2 m s–1. En climas húmedos y condiciones de viento en calma, para los cultivos con cobertura efectiva completa el valor del déficit de saturación (es – ea) será pequeño, junto a pequeñas diferencias en el albedo de la superficie de referencia y de la superficie del cultivo. Las diferencias en la resistencia aerodinámica debida a la altura serán poco significativas si la velocidad del viento es baja. Cabe esperar que los valores de Kc excedan en poco, en estas condiciones, el valor de 1,0, aproximadamente 0,05. En condiciones áridas o semiáridas, el mayor valor del déficit de saturación puede amplificar las diferencias en la resistencia aerodinámica entre la superficie del cultivo en condiciones óptimas y las de la superficie de referencia, especialmente para cultivos con mayor altura. Para cultivos como el maíz con 2-3 m de altura, Kc puede ser superior hasta en un 30% en un clima árido y ventoso que en un clima húmedo y en calma. 6.5.1.

Evolución temporal del coeficiente de cultivo. Curva típica

La evolución del coeficiente de cultivo a lo largo de un ciclo de crecimiento de un cultivo bajo condiciones óptimas se muestra en la figura 3.10. Dicha curva es fruto de 214

Coeficiente de cultivo Kc

0,8

Cosecha

1,0

70-80% cobertura

Aprox. 10% cobertura

1,2

0,6 0,4 0,2

Inicial

Desarrollo

Media

Final

0 0 Fase 1 D1

Fase 2 D2

Fase 3 D3

Fase 4 D4

D5

Ciclo de crecimiento Fecha de siembra Fig. 3.10.

Evolución temporal del coeficiente de cultivo, en la que se han señalado las diferentes fases en las que se divide el ciclo de crecimiento.

las diferentes fases de crecimiento y refleja cómo el cultivo se desarrolla para optimizar los recursos de radiación, agua y nutrientes, cambiando entre otros parámetros la cobertura del suelo, LAI y altura. Se suelen distinguir en esta curva cuatro fases o estadios: Inicial, Desarrollo del cultivo, fase Media o fase de meseta, fase Tardía o fase de maduración (Doorembos y Pruitt, 1977). La definición de estas fases permite esquematizar la curva típica de evolución del coeficiente de cultivo en condiciones óptimas en la forma representada en la figura 3.11. Los valores del coeficiente de cultivo en sus diferentes fases para diferentes cultivos, así como la duración de las fases de desarrollo bajo condiciones estándar se dan en las tablas 3.2 y 3.3.

Fase inicial La fase inicial ocurre desde la fecha de siembra hasta que la cobertura vegetal alcanza el valor del 10%. La duración de esta fase depende fuertemente del cultivo y condiciones climáticas. Durante esta fase inicial, al ser la cobertura vegetal pequeña, la evapotranspiración es principalmente debida a la evaporación desde el suelo. En este caso, el valor de Kc durante esta fase, Kc,ini, depende fuertemente de la fracción de superficie mojada del suelo y del tiempo en que ésta permanezca en este estado, dado el diferente ritmo de evaporación en las fases de secado del suelo. Las condiciones y estado de humedad del suelo estarán en función de la precipitación y, en el caso de riego, de la frecuencia y sistema de riego utilizados, que dependerán a su vez del cultivo y de las condiciones climáticas. Por tanto el valor de Kc,ini debe ser ajustado a las condiciones de estado del suelo. Un valor típico para el caso de suelo seco es Kc,ini = 0,2. 215

El cálculo de Kc,ini en función de las características de frecuencia y cuantía de riego, así como de las condiciones atmosféricas puede estimarse según unas curvas desarrolladas por FAO24 y recogidas en FAO56 (Allen et al., 1998). Una ecuación que refleja estas curvas ha sido desarrollada por Cuenca (1987) en la forma: Para intervalos temporales de mojado del suelo (precipitación o riego), Iw, menores de 4 días Kc,ini = [1,286 – 0,27 ln (Iw)] exp[( – 0,01 – 0,042 ln (Iw)) EToi] Para valores de Iw ≥ 4 días Kc,ini = 2 (Iw)–0,49 exp [( – 0,02 – 0,04 ln (Iw)) EToi]

[58]

Kc,ini Valor del coeficiente de cultivo en la fase inicial. Iw

Intervalo temporal entre dos eventos de mojado del suelo [días].

EToi

Valor promedio de la evapotranspiración de referencia durante la fase inicial y la primera mitad de la fase de desarrollo [mm día–1].

La aplicación de la ecuación 58 conduce a una sobreestimación del Kc,ini (Villalobos et al., 2002), por lo que sugieren sustituir en la ecuación 58 el valor de Iw por un intervalo corregido Iwc = 1/[0,75 fw(1 – fw)], donde fw es 1/Iw.

Kc

Kc,med 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4

Kc,ini Kc,fin

0,2 0 Tiempo (días)

Inicial Fig. 3.11.

216

Desarrollo

Media

Final

Curva esquemática de la evolución del coeficiente de cultivo en las diferentes fases en que se divide el ciclo de crecimiento.

Fase de desarrollo del cultivo La fase de desarrollo del cultivo es la que va desde una cobertura del 10% hasta la denominada cobertura efectiva completa. La cobertura efectiva completa se define como el estadio de crecimiento del cultivo en el que la relación entre la evapotranspiración del cultivo en condiciones estándar y la de referencia es máxima, esto es cuando el coeficiente de cultivo alcanza su valor máximo. La variación del coeficiente de cultivo desde el inicio Kc,ini hasta el correspondiente a la cobertura efectiva completa, Kc,med, se aproxima por una relación lineal. Cuando los cultivos tales como trigo, maíz, cebada, remolacha azucarera, etc., inician la fase de cobertura efectiva completa, el valor de la fracción de cobertura vegetal de los cultivos se encuentra entre 0,7-0,8 (Stegman et al., 1980; Allen et al., 1998). Aunque no es posible generalizar para todos los cultivos, para aquellos que cubren suelo casi completamente a lo largo de su ciclo de desarrollo, la cobertura efectiva completa se alcanza para valores de LAI = 3 (Allen et al., 1998). Reiteradamente se señala la evidencia (Rosenberg et al., 1983) que en muchos cultivos en condiciones óptimas, la evapotranspiración se incrementa cuando incrementa el LAI hasta que éste alcanza un valor de 3. Incrementos de LAI superiores a 3 tienen pequeña influencia en el incremento de la evapotranspiración, y por tanto en el valor de Kc. Sin embargo, otros cultivos no tienen valores umbrales de fracción de cobertura vegetal y LAI, ya que en su ciclo de crecimiento no alcanzan los valores mencionados. En todo caso, la determinación del momento en que se alcanza la cobertura efectiva completa suele ser compleja y costosa, ya que además de la dificultad de medir cobertura vegetal es preciso estimarla en algunos casos en cultivos de varios metros de altura, por lo que es frecuente utilizar fases fenológicas para apreciarla. Sin embargo es necesario tener en cuenta el posible deslizamiento temporal de la fase fenológica en relación con la evolución de la cobertura. Un procedimiento para determinar la fracción de cobertura vegetal cuyo uso se está generalizando rápidamente es el de adquisición de fotografías digitales en proyección vertical. El tratamiento digital de las imágenes permite obtener la fracción de cobertura vegetal (Calera et al., 2001).

Fase media La denominada fase media es la que abarca desde que el cultivo alcanza la cobertura efectiva completa hasta el comienzo de la maduración. Es una etapa en la que el coeficiente de cultivo alcanza sus valores máximos, Kc,med manteniendo el valor prácticamente constante, de tal forma que su evolución suele presentarse en forma de meseta. La cobertura vegetal verde se mantiene asimismo, durante este período, aproximadamente constante. El inicio de la maduración se manifiesta a menudo en las hojas por el envejecimiento, amarilleamiento o senescencia de las hojas, y su consecuente caída; los frutos se empiezan a colorear, y en último término se reduce el ritmo de evapotranspiración relativo a ETo. Valores de Kc,med se muestran en la tabla 3.2. Dado que los valores de esta tabla se han estimado para unos valores climáticos promedio de velocidad de viento igual a 2 m s–1 y humedad relativa mínima promedio del 45%, los valores de Kc,med pueden ajustarse a diferentes condiciones climáticas en la fase media mediante la ecuación (Allen et al,. 1996): 217

Kc,med = Kc,med(tabla) + [0,1 +0,04 u2 – 0,004 HRmin] [h/3]0,3 Kc,med

[59]

= Valor del coeficiente de cultivo en la fase media.

Kc,med(tabla) = Valor del coeficiente de cultivo en la fase media en la tabla 3.2. u2

= Velocidad del viento promedio diaria a 2 m de altura [m s–1].

HRmin

= Humedad relativa mínima promedio en la fase media [%].

h

= Altura del cultivo [m].

Fase final El estadio denominado fase final abarca desde el inicio de la madurez hasta la cosecha o la senescencia. En el caso de algunos cultivos que se cosechan en verde la duración de esta fase viene dada necesariamente por la fecha de la cosecha, mientras que otros permanecen hasta su secado en el campo. El valor del coeficiente de cultivo al término de la fase final, Kc,fin depende también fuertemente de las condiciones en que se realice la cosecha. El ajuste de este valor en función de las condiciones climáticas se puede hacer por las ecuaciones (Allen et al., 1998): Para el caso de Kc,fin ≥ 0,4 Kc,fin = Kc,fin(tabla) + [0,1 + 0,04 u2 – 0,004 HRmin] [h/3]0,3 Para el caso de Kc,fin < 0,4 Kc,fin = Kc,fin(tabla) + 0,001 (HRmin – 45) Kc,fin

[60]

= Valor del coeficiente de cultivo en la fase final.

Kc,fin(tabla)= Valor del coeficiente de cultivo en la fase final en la tabla 3.2. u2

= Velocidad del viento promedio diaria a 2 m de altura [m s–1].

HRmin

= Humedad relativa mínima promedio en la fase final [%].

h

= Altura del cultivo [m].

6.5.2.

Construcción de la curva del coeficiente de cultivo

Para la construcción de la curva esquemática que represente la evolución del coeficiente de cultivo, como se muestra en la figura 3.11 se siguen los pasos siguientes: 1. Dividir el ciclo de crecimiento del cultivo en cuatro períodos correspondientes a cada una de las fases anteriormente descritas: inicial, desarrollo, media y final. A continuación determinar la longitud de cada uno de estos períodos, mediante la tabla 3.3 o mediante información local. 2. Identificar los tres valores de Kc correspondientes a la fase inicial, a la fase media y a la fase final. Corregir estos valores en función de la frecuencia con la que el suelo se moja, en función de las características climáticas, y de las características de manejo, tal y como se especifica en la definición de estas fases. 218

3. Construir la curva conectando por líneas rectas los diferentes puntos que definen el inicio y final de cada fase. La fase inicial y la fase media se representan por líneas horizontales. Es de resaltar que los valores de los coeficientes de cultivo y de la duración de las diferentes fases en que se divide el ciclo de crecimiento del cultivo que se muestran en las tablas 2 y 3 deben utilizarse a título de guía. Estos valores deben ser cuidadosamente cotejados con observaciones locales de agricultores, centros de extensión agraria y de investigación. Asimismo es necesario señalar la precaución que se ha de tener al manejar coeficientes de cultivo para no intercambiar aquellos que están basados en la superficie de gramíneas con aquellos otros que están basados en la superficie alfalfa. Un procedimiento usual de conversión de coeficientes de cultivo basados en alfalfa a coeficientes de cultivo basado en gramíneas es multiplicar aquellos por un coeficiente Kr que va de 1,0 a 1,35, dependiendo del clima, en la forma en la forma Kcgramínea = Kcalfalfa Kr; así para climas húmedos y vientos débiles, Kr adopta el valor de 1,05; para climas semiáridos y moderadamente ventoso, 1,2, y 1,35 para climas áridos y muy ventosos. 6.5.3.

Aplicación del coeficiente de cultivo dual

La aplicación del concepto de coeficiente de cultivo dual anteriormente mencionado permite estimar por separado la componente del flujo de vapor de agua debida a la transpiración, Kcb ETo, y la componente debida a la evaporación del suelo desnudo, Ke ETo, que refleja de forma precisa el estado del suelo, en la forma: ETc = (Kcb + Ke) ETo

[61]

El procedimiento a seguir es más complejo y requiere un mayor proceso de cálculo que en el caso de la aplicación de un único coeficiente de cultivo, ya que precisa utilizar un intervalo temporal diario, y requiere estimar el coeficiente de cultivo basal, Kcb, y la fracción correspondiente al suelo desnudo, Ke. El cálculo de Kcb se realiza de forma similar al coeficiente de cultivo único. Así se procede a dividir el ciclo de crecimiento en las fases anteriormente descritas, seleccionar los valores del coeficiente de cultivo basal para la fase inicial, media y final, desde las tablas adecuadas (valores típicos para un cereal son Kcb,ini = 0,15; Kcb,med = 1,10; Kcb,fin = 0,25), proceder a ajustar a las condiciones climáticas y construir la evolución temporal de Kcb determinando los puntos de inicio y final de cada una de las fases. El cálculo de Ke requiere la estimación de balance hídrico diario de la zona del suelo que es susceptible de ser secada por evaporación, típicamente con un espesor comprendido entre 0,10 y 0,15 cm, además de estimar las diferentes fases de secado del suelo. La descripción en detalle del procedimiento se puede encontrar en Allen et al. (1998).

7.

EVAPOTRANSPIRACIÓN BAJO CONDICIONES DE ESTRÉS HÍDRICO

Las fuerzas que ligan el agua al suelo (capilaridad, absorción,…) disminuyen su energía potencial, de tal forma que limitan la disponibilidad del agua para las plantas. 219

Cuando el suelo tiene un adecuado suministro de agua, las plantas extraen sin dificultad la que requieren para mantener su crecimiento máximo. Cuando el contenido del agua en el suelo disminuye, la energía potencial del agua se hace cada vez menor, y cuando el potencial cae por debajo de un valor umbral, el cultivo no puede mantener el ritmo de extracción del agua que asegure el ritmo de crecimiento máximo. En este caso, se dice que el cultivo está en estrés hídrico. En estas condiciones, el ritmo de la evapotranspiración está limitado por la disponibilidad de agua en la capa de suelo de la zona de raíces, y el valor de la ET cae por debajo del correspondiente al cultivo en condiciones óptimas. El cociente entre el ritmo de evaporanspiración del cultivo fuera de las condiciones óptimas, o condiciones no estándar, ETc,aj debido al estrés hídrico y el ritmo de evapotranspiración en condiciones óptimas, ETc, se denomina coeficiente de estrés hídrico, Ks, en la forma: Ks = ETc,aj/ETc

[62]

En la que el valor de Ks se encuentra entre 0 y 1. El valor de 1 indicaría la ausencia de estrés hídrico. La estimación del coeficiente de estrés hídrico Ks a partir del contenido de agua en el suelo, permitirá estimar la evapotranspiración del cultivo en condiciones no estándar, aplicando la metodología Kc-ETo. Así, con el concepto de coeficiente de cultivo único, la evapotranspiración de una cubierta vegetal vendrá dada en la forma: ETc,aj = Ks ETc = Ks Kc ETo

[63]

Si se utiliza el coeficiente de cultivo dual, quedará: ETc,aj = (Ks Kcb + Ke) ETo

[64]

Ecuación en la que el efecto de estrés hídrico en el suelo se describe multiplicando el coeficiente de estrés hídrico por el coeficiente de cultivo basal, lo que indica que la escasez de agua impacta en la transpiración. La estimación del coeficiente de estrés hídrico requiere el balance hídrico diario sobre la capa de suelo en la que se asientan las raíces, en el cual se necesita conocer propiedades hídricas del suelo como la capacidad de campo, y de aquellas que describen la interrelación suelo-planta como el valor umbral del contenido en agua para el que la planta empieza a experimentar estrés, el punto de marchitamiento y la profundidad de las raíces, que varía de acuerdo con el crecimiento de la vegetación. La figura 3.12 muestra los flujos de agua que entran y salen del volumen de suelo necesarios para realizar el balance hídrico y las magnitudes que expresan el contenido en agua del suelo, necesarias para definir el coeficiente de estrés hídrico. El coeficiente Ks, que se define como el cociente entre el contenido en agua en el volumen de suelo y el que corresponde al valor umbral, se expresa en la forma: Ks = (TAW – Dr)/(TAW – RAW) = (TAW – Dr)/(1 – p) TAW 220

[65]

Riego Evapotranspiración

Lluvia

Saturación

Umbral

Agotamiento

Capacidad de campo

Escorrentía

RAW TAW

Punto de marchitamiento

Percolación Ascenso capilar Fig. 3.12.

Representación esquemática del balance hídrico en el volumen de suelo.

Ks

= Coeficiente de estrés hídrico, adimensional. Su valor oscila entre 0 y 1.

Dr

= Agotamiento del agua en suelo. Se define como la capacidad de campo menos el contenido en agua existente en el volumen de suelo de raíces [mm].

TAW

= Contenido total de agua que puede estar disponible para las plantas en el volumen de suelo (capacidad de campo menos punto de marchitamiento) [mm].

RAW

= Agua fácilmente extraíble (sin estrés hídrico) por la planta. Es la diferencia entre TAW y el contenido mínimo en agua en el suelo, esto es, el valor umbral, a partir del cual empieza el estrés hídrico [mm].

(TAW – Dr) = Es el contenido en agua existente en el volumen de suelo [mm]. (TAW – RAW)= Es el contenido en agua del suelo umbral, esto es, a partir del cual la planta entra en situación de estrés hídrico [mm]. p

= Fracción de TAW que un cultivo puede extraer desde la zona de raíces sin sufrir estrés hídrico. Así, tenemos que p = RAW/TAW.

Dr se estima a partir del balance hídrico, y requiere el conocimiento del contenido en agua al inicio del cálculo de balance hídrico. Si consideramos que el sistema parte de un estado a capacidad de campo, lo que sucede por ejemplo tras una cuantiosa lluvia o riego, Dr es el agua extraída de la zona de raíces debido a la evapotranspiración acumulada en el intervalo temporal considerado. El balance hídrico de la zona de suelo en la que se encuentran las raíces, despreciando la elevación capilar y la percolación hacia capas profundas, será: 221

Dr,i = Dr,i–1 – I + ETc,aj Dr,i

[66]

= Agotamiento al final del día i [mm].

Dr,i–1 = Agotamiento al final del día i–1 [mm]. I

= Infiltración neta en el suelo procedente de lluvia o riego [mm].

ETc,aj = Evapotranspiración del cultivo a lo larco de ese día [mm]. TAW, es el contenido total de agua que puede estar disponible para las plantas en el volumen de suelo, y su cuantía depende del tipo de suelo y la profundidad de las raíces. Se calcula en la forma: TAW = 1.000 (θCC – θPM) zr

[67]

TAW = [mm]. θCC

= Contenido en agua del suelo a capacidad de campo [m3 m–3].

θPM

= Contenido en agua del suelo en el punto de marchitamiento [m3 m–3].

zr

= Profundidad que alcanzan las raíces [m].

El factor p, esto es la fracción de TAW que expresa el contenido en agua del suelo fácilmente extraible, depende del cultivo y de la demanda evaporativa de la atmósfera. Su valor varía desde valores de 0,30 para plantas con raíces poco profundas y altos ritmos de ETc (> 8 mm día–1), hasta valores de 0,70 para plantas con raíces profundas y bajos valores de ETc (< 3 mm día–1). Un valor común del factor p para muchos cultivos es de 0,50. La tabla 3.2 muestra valores de p para diferentes cultivos considerando una ETc de aproximadamente 5 mm día–1. A menudo se considera un valor de p constante para un estadio de crecimiento, en vez de considerar su variación diaria. Es usual ajustar el valor de p señalado en la tabla a otros valores de ETc mediante una relación lineal en la forma: p = ptabla + 0,04 (5 – ETc)

[68]

La ecuación 65 expresa la respuesta de los cultivos al estrés hídrico como una función del contenido en agua en el suelo a través del factor p, y esto es solamente una primera aproximación, ya que el ritmo al cual las raíces pueden extraer el agua depende más del nivel de energía potencial del agua en el suelo que del contenido de agua en él. Como el potencial del agua en el suelo depende del tipo de suelo, el valor de p también ha de ser ajustado al tipo de suelo. De forma general los valores de p mostrados en la tabla 3.2 para suelos de textura fina (arcillosos) han de ser reducidos entre un 5-10%, y para suelos de textura gruesa (arenas) han de ser incrementados un 5-10%. Además de la escasez de agua, otros factores como el contenido en sales en el agua pueden reducir el ritmo de transpiración, al hacer menos disponible el agua existente para su extracción por las plantas. La presencia de sales en el agua disminuye su potencial matricial, dada la interacción entre las sales y el agua. Además, algunas sales pueden causar efectos tóxicos en las plantas, reduciendo su metabolismo y por tanto su crecimiento. 222

7.1.

EXTENSIÓN DE LA METODOLOGÍA Kc-ETo A SUELO DESNUDO, CULTIVOS Y CUBIERTAS VEGETALES NATURALES FUERA DE CONDICIONES ÓPTIMAS

La metodología Kc-ETo puede extenderse a otras cubiertas vegetales diferentes de los cultivos agrarios, lo que permite estimar la evapotranspiración de estas cubiertas, dado que los principios físicos envueltos en la deducción de la metodología son también aplicables (ASCE28). La extensión a otras cubiertas vegetales se realiza extendiendo el concepto de coeficiente de cultivo a coeficiente de la cubierta, como cociente de la ETc de la cubierta en condiciones óptimas entre la ETo. Sin embargo, es usual seguir llamando a este cociente con el nombre de coeficiente de cultivo, aunque la cubierta sea la correspondiente al suelo desnudo o vegetación natural. 7.1.1.

Suelo desnudo

Bien después de la cosecha, o antes de que se siembre el cultivo, la superficie se puede considerar como suelo desnudo. En muchas situaciones este suelo estará cubierto parcialmente por restos vegetales secos (rastrojo) y puede existir presencia de vegetación (malas hierbas, semillas que germinan espontáneamente, etc.) creciendo con muy diferentes grados de cobertura. Cuando el suelo se encuentra desprovisto de cualquier tipo de vegetación seca o verde, el coeficiente de cultivo Kc depende fuertemente de la frecuencia y cuantía de la precipitación y/o riego. El procedimiento detallado anteriormente para determinar Kc,ini puede ser utilizado como primera aproximación. Sin embargo es preciso indicar que principalmente en climas semiáridos o áridos, la capa superficial de suelo (10-15 cm) puede secarse hasta alcanzar valores de contenido en agua muy bajos durante períodos sin precipitación. Esta situación se puede dar principalmente durante los largos, secos y cálidos veranos típicos del clima mediterráneo. Entonces, la metodología de coeficiente dual predice valores de coeficiente de cultivo basal y fracciones debidas a la evaporación del suelo cercanos a cero, por lo que la evapotranspiración de estas superficies puede ser estimada como ETc,aj = 0 en estas circunstancias (Allen et al., 1998). En el caso de superficies cubiertas total o parcialmente por residuos vegetales secos, el efecto de estas cubiertas será, en general, de reducir la evapotranspiración, proporcionalmente a la cobertura de estos residuos. En el caso de aparición de cubierta vegetal verde, el tratamiento es similar al de cultivos y cubiertas vegetales naturales. 7.1.2.

Cultivos y cubiertas vegetales naturales

El procedimiento descrito para el caso de los cultivos se puede aplicar al caso de cultivos fuera de condiciones óptimas y vegetación natural. Para ello es necesario determinar las diferentes fases en el crecimiento de la cubierta vegetal, y asignar los valores del coeficiente de cultivo correspondiente. Asimismo, en muchas ocasiones, especialmente en el caso de bosques conviene aplicar la metodología de coeficiente dual. Para la fase inicial, el valor de Kc,ini, que se calcula de igual forma como se ha descrito anteriormente, dependerá fundamentalmente de la frecuencia y cuantía con la que se moja el suelo. Para el caso de las fases media y final, el valor del coeficiente de cul223

tivo, y de la misma forma el coeficiente de cultivo basal, será distinto que para el caso de los cultivos en condiciones óptimas, ya que es frecuente que en el caso de cultivos en secano y cubiertas vegetales naturales, las condiciones de crecimiento suelen verse afectadas fundamentalmente por estrés hídrico, salinidad, escasez de nutrientes, plagas, y otras. En este caso el valor de la cobertura vegetal será menor, por lo que el Kc será afectado en mayor medida por las condiciones del suelo en que se asientan estos cultivos y cubiertas naturales. Ecuaciones que permiten expresar el ajuste en función de las condiciones de fracción de cobertura vegetal y LAI de la cubierta son descritas en Allen et al. (1998). 7.1.3.

Extensión a grandes superficies. Estimación de la evapotranspiración a escala regional

Dado que la metodología «Kc-ETo», basada en la ecuación de Penman-Monteith para estimar la evapotranspiración puede ser aplicada a todo tipo de superficies y cubiertas, se abre la posibilidad de aplicar esta metodología a grandes superficies y estimar la evapotranspiración a escala regional (ASCE28) (Black et al., 1998). En este caso las aplicaciones se encuentran esencialmente en el campo de la hidrología y de la gestión de recursos hídricos, y se dirigen al conocimiento del balance hídrico a escala de acuífero o cuenca hidrográfica. Es evidente que este tipo de análisis está condicionado por el nivel de detalle del conocimiento de las superficies y suelos a la escala en la que se desee realizar el estudio. Las tecnologías de Observación de la Tierra y los Sistemas de Información Geográfica están permitiendo disponer y manejar de información distribuida espacialmente con el nivel de detalle requerido. Asimismo un cuerpo de conocimiento se está desarrollando rápidamente (Sellers et al., 1997) para interpretar adecuadamente las medidas registradas por los satélites. Tabla 3.2. Valores de los coeficientes de cultivo en las diferentes fases del desarrollo. Se especifica la máxima altura que alcanza cada uno de los cultivos y la máxima profundidad que alcanzan sus raíces, así como la fracción p del contenido máximo en agua del suelo que puede ser extraído por la planta sin estrés hídrico (Adaptado de FAO56 y ASCE28)

Cultivo

a. Pequeñas hortalizas Bróculi Coles de bruselas Repollo Zanahorias Coliflor Apio Ajo Lechuga Cebolla: seca de verdeo para semilla Espinaca Rábano

224

Máxima altura del cultivo (h) (m)

Máxima profundidad de raíz (m)

0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 1 0,7 0,95

0,3 0,4 0,4 0,3 0,4 0,6 0,3 0,3

0,4-0,6 0,4-0,6 0,4-0,6 0,5-1,0 0,4-0,6 0,3-0,5 – 0,3-0,5

0,4 0,4 0,4 0,35 0,4 0,2 – 0,3

0,75 1 0,8 0,95 0,85

0,4 0,3 0,5 0,3 0,3

0,3-0,5 0,3-0,4 – 0,3-0,5 0,3

0.25 0.25 – 0,2 0,3

Kc ini

Kc med

Kc fin

0,7

1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1 1 1,05 1 1,05 1 0,9

p

Tabla 3.2. Continuación Cultivo

b. Hortalizas - Familia de las solanáceas (Solanaceae) Berenjena Pimiento dulce Tomate c. Hortalizas - Familia del pepino (Cucurbitaceae) Melón cantalupo Pepino: Mercado fresco Cosechado a máquina Calabaza Calabacín Melón dulce Sandía d. Raíces y tubérculos Remolacha de mesa Mandioca: primer año segundo año Chirivía Patata Patata dulce Nabo Remolacha azucarera e. Legumbres (Leguminosae) Judías verdes Judías secas Haba de verdeo seca/semilla Garbanzo Carilla ó Caupí Cacahuete Lenteja Guisante de verdeo seco/semilla Soja f. Hortalizas perennes (con parada invernal y suelo desnudo o acolchado en la fase inicial) Alcachofa Espárrago Menta Fresa g. Cultivos de fibra Algodón Lino Pita 8

Máxima altura del cultivo (h) (m)

Máxima profundidad de raíz (m)

p

Kc ini

Kc med

Kc fin

0,6

1,15 1,05 1,052 1,152

0,8 0,9 0,9 0,70-0,90

0,8 0,7 0,6

0,8 0,5-1 0,4-0,8

0,45 0,25 0,4

0,5 0,5

1 0,85

0,8 0,6

0,3

0,8-1,5

0,4

0,6 0,5

1,002 1 1 0,95 1,05 1

0,75 0,9 0,8 0,75 0,75 0,75

0,3 0,3 0,4 0,3 0,4 0,4

0,7-1,2 0,7-1,2 0,9-1,2 – 0,8-1,5 –

0.5 0.5 0,4 – 0,4 –

1,1 1,05

0,95 0,95

0,4

0,6-1,0

0,5

0,803 1,1 1,05 1,15 1,15 1,1 1,2

0,3 0,5 0,95 0,754 0,65 0,95 0,705

1 1,5 0,4 0,6 0,4 0,6 0,5

– 0,4-0,6 1,0-1,5 0,5-0,8 0,7-1,2

– 0,35 0,65 0,4 0,55

1,15 1,052 1,152 1,152 1,152 1,15 1,05 1,15 1,1 1,152 1,15 1,15

0,55 0,9 0,35 1,1 0,3 0,35 0,60-0,356 0,6 0,3 1,1 0,3 0,5

0,4 0,4 0,8 0,8 0,8 0,4 0,4 0,5 0,5 0,5 0,5-1,0

0,5-0,7 0,6-0,9 – – – – 0,5-1,0 0,6-0,8 0,6-1-0 0,6-1-0 0,6-1,3

0,45 0,45 – – – – 0,5

1 1 0,957 1,15 0,85

0,8 0,95 0,3 1,1 0,75

0,7 0,2-0,8 0,6-0,8 0,2

0,6-0,9 1,2-1,8 0,4-0,8 0,2-0,3

0,45 0,45 0,4 0,2

1,15-1,20 1,1 0,4-0,7

0,70-0,50 0,25 0,4-0,7

1,2-1,5 1,2 1,5

0,8-1,7 1,0-1,5 1,0-2,0

0,6 0,5 0,7

0,4 0,5 0,3 0,3 0.5

0,35 0,4 0,5 0,4 0,5 0,5 0,4

0,5

0,5 0,5 0,5 0,6 0,4

0,4 0,4 0,55

0,35

225

Tabla 3.2. Continuación Máxima altura del cultivo (h) (m)

Máxima profundidad de raíz (m)

p

Kc ini

Kc med

Kc fin

h. Cultivos oleaginosos Ricino Colza Cártamo Sésamo Girasol

0,35

1,15 1,15 1,0-1,159 1,0-1,159 1,1 1,0-1,159

0,35 0,55 0,35 0,25 0,25 0,35

0,3 0,6 0,8 1 2

– – 1,0-2,0 – 0,8-0,5

– – 0,6 – 0,45

i. Cereales Cebada Avena Trigo de primavera Trigo de invierno con suelos helados con suelos no helados Maíz grano Maíz dulce Mijo Sorgo grano dulce Arroz

0,3

1,15 1,15 1,15 1,15

0,4 0,25 0,25 0,25-0,410

1 1 1

1,15 1,15 1,2 1,15 1 1,00-1,10 1,2 1,2

0,25-0,410 0,25-0,410 0,60-0,3511 1,0512 0,3 0,55 1,05 0,90-0,60

2 1,5 1,5 1,0-2,0 2,0-4,0 1

1,0-1,5 1,0-1,5 1,0-1,5 1,5-1,8 1,0-1,5 1,0-1,5 1,0-1,7 0,8-1,2 – 1,0-2,0 1,0-2,0 0,5

0,55 0,55 0,55 0,55 0.55 0.55 0,6 0,5 – 0.55 0.55 0,2 26

1,0-2,0

0,55

0,9513 1,2014 0,5

0,9 1,1514 0,5

0,7 0,7 0,7

1,0013 0,9

0,85 0,65

0,35 0,4 0,6-0,9

0,5

0,9013 1,1514

0,85 1,1014

0,6 0,6

1,05

1

0,3

0,9014 1,1514 0,85-1,05 0,75 0,95 0,85

0,85 1,1014 0,85 0,75 0,95 0,85

1,2 1,2 0,15-0,30 0,1 0,1 0,1

0,5-1,5 0,5-1,5 0,5-1,0 0,5-1,0

0.6 0.6 0.4 0.5

0.4

1,25

0,75

3

0,8-1,8

0,65

0,5 1 1

1,1 1,2 1,05

1 1,1 1,05

3 4 3

0,5-0,8 0,5-0,8 –

0.35 0.35 –

0,9 1,05 0,9 0,95

0,95 1,1 0,95 1

0,95 1,1 0,95 1

2,0-3,0 2,0-3,0 8 8

0,9-1,5 0,9-1,5 1,5-2,5 0,7-1,0

–

Cultivo

0,4 0,7

1,05

j. Forrajes Heno de alfalfa Promediado el efecto de los cortes 0,4 Tomando en cuenta los periodos de corte 0,4014 para semilla 0,4 Heno de grama Promediado el efecto de los cortes 0,55 Cultivo de primavera para semilla 0,35 Heno de trébol de Alejandría Promediado el efecto de los cortes 0,4 Tomando en cuenta los periodos de corte 0,4014 Heno de Ryegrass Promediado el efecto de los cortes 0,95 Heno de pasto del Sudán (anual) Promediado el efecto de los cortes 0,5 Tomando en cuenta los periodos de corte 0,5014 Pastos Pastos en rotación 0,4 Pastos extensivos 0,3 0,9 Césped estación fría 15 0,8 estación cálida 15 k. Caña de azúcar l. Árboles tropicales Plátano primer año segundo año Cacao café: en suelo desnudo con hierba Datilera Palmera

226

1

0,5 0,65

Tabla 3.2. Continuación Cultivo

Piña suelo desnudo con cubierta de hierba Caucho Té: no sombreado sombreado 17 m. Uvas y bayas Bayas (arbustos) Uva de mesa ó pasas de vinificación Lúpulo

Kc ini

Kc med

Kc fin

Máxima altura del cultivo (h) (m)

Máxima profundidad de raíz (m)

p

0,3-0,6

0,5

0,5 0,5 0.95

0,3 0,5 1

0,3 0,5 1

0,6-1,2 0,6-1,2 10

–

–

0,95 1,1

1 1,15

1 1,15

1,5 2

– –

– –

0,3 0,3 0,3 0,3

1,05 0,85 0,7 1,05

0,5 0,45 0,45 0,85

1,5 2 1,5-2 5

0,6-1,2 1,0-2,0 1,0-2,0 1,0-1,2

0,5 0,45 0,45 0,5

0,4

0,9

0,6518

5

0,45 0,6 0,5

0,95 0,95 1,2

0,7018 0,7518 0,9518

4 4 4

1,0-2,0 1,0-2,0 1,0-2,0

0.5 0.5 0.5

0,8

1,2

0,8518

4

1,0-2,0

0.5

0,45 0,55 0,5 0,8 0.6

0,9 0,9 1,15 1,15 0,85

0,6518 0,6518 0,9018 0,8518 0,75

3 3 3 3 3

1,0-2,0 1,0-2,0 1,0-2,0 1,0-2,0 0,6-0,9

0,5 0,5 0,5 0,5 0,4

n. Árboles frutales Almendro, suelo desnudo Manzano, cerezo, peral 19 suelo desnudo, heladas suelo desnudo, libre de heladas cubierta de suelo activa, heladas cubierta de suelo activa, libre de heladas Albaricoque, melocotón, frutales de hueso 19, 20 suelo desnudo, heladas suelo desnudo, libre de heladas cubierta de suelo activa, heladas cubierta de suelo activa, libre de heladas Aguacate, suelo desnudo Cítricos, suelo desnudo 21 70% de cubierta 50% de cubierta 20% de cubierta Cítricos con cubierta de suelo activa o de hierba 22 70% de cubierta 50% de cubierta 20% de cubierta Coníferas 23 Kiwi Olivo (de 40 a 60% de suelo cubierto) 24 Pistacho, suelo desnudo Nogal 19

0,7 0,65 0,5

0,65 0,6 0,45

0,7 0,65 0,55

4 3 2

1,2-1,5 1,1-1,2 0,8-1,1

0,5 0,5 0,5

0,75 0,8 0,85 1 0.4 0,65 0,4 0,5

0,7 0,8 0,85 1 1,05 0,7 1,1 1,1

0,75 0,8 0,85 1 1,05 0,7 0,45 0,6518

4 3 2 10 3 3,0-5,0 3,0-5,0 4,0-5,0

1,2-1,5 1,1-1,2 0,8-1,1 – – 1,2-1,7 0,3-0,5 1,7-2,4

0,5 0,5 0,5 – – 0,65 0,4 0,5

o. Humedales - clima templado Enea, papiro, heladas Enea, papiro, libre de heladas Pequeñas plantas, libre de heladas Junco de los pantanos, suelo inundado Junco de los pantanos, suelo húmedo

0,3 0,6 1,05 1 0,9

1,2 1,2 1,1 1,2 1,2

0,3 0,6 1,1 1 0,7

2 2 0,3 1,0-3,0 1,0-3,0

– – – – –

– – – – –

1,05

1,05

–

–

0,6525

1,2525

–

–

p. Especial Aguas abiertas, < 2 m de profundidad o en climas subhúmedos o trópicos Aguas abiertas, > 5 m de profundidad, claras o turbias, clima templado

227

1.

2.

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

16.

17. 18. 19. 20. 21.

22.

23. 24.

228

Estos son valores normales de Kc,ini bajo una gestión de riego típica. En caso de riego de alta frecuencia por aspersores ó lluvia diaria, estos valores pueden aumentar sustancialmente, pudiendo llegar a valores de 1,0 ó 1,2. Kc,ini en función del intervalo de mojado de suelo y del ritmo de evaporación durante los periodos iniciales y de desarrollo. Para un cálculo más preciso, puede utilizarse la ecuación 58. Judías, guisantes, legumbres, tomates, pimientos y pepinos son cultivados a veces en soportes, alcanzando 1,5 ó 2 metros de altura. En estos casos es necesario tomar valores de Kc mayores. Para judías verdes, pimientos y pepinos se puede tomar 1,15, y para tomates, judías secas y guisantes, 1,20. Bajo estas condiciones, la altura máxima debe también incrementarse. Los valores de mitad de ciclo para la mandioca presuponen ausencia de estrés durante o a continuación de la época de lluvias. Los valores de Kc fin se usan para el periodo de parada durante la estación seca. El valor de Kc fin para patatas es de aproximadamente 0,4 para variedades de ciclo largo con defoliación artificial final. Este valor de Kc fin implica ausencia de riego en el último mes del periodo vegetativo. El valor de Kc fin para remolacha azucarera es mayor, hasta 1,0, cuando se riega o hay lluvias significativas en el último mes. El primer Kc fin es para recolección en verde, el segundo para recolección en seco. El Kc del espárrago normalmente permanece en el Kc ini durante la cosecha de los tallos, debido a la escasa cubierta del suelo. Los valores de Kc med son para los periodos de rebrote de la planta después de la cosecha de tallos. El Kc para la pita depende de la densidad de plantación y de la gestión del riego (estrés hídrico intencional). Los valores más bajos son para cultivos de secano con menor densidad de planta. El valor más alto es para cultivos cosechados a mano. El primer valor de Kc fin es para el caso de cosechar el grano con mucha humedad. El segundo valor de Kc fin es en caso de cosechar una vez secado el grano en el campo (hasta aproximadamente un 18% de humedad, base de masa húmeda). Si se cosecha fresco para cosumo humano. Usar Kc fin para maíz grano si el maíz dulce se deja madurar y secar en el campo. Este coeficiente Kc med para cultivos forrajeros está promediado tomando en cuenta los Kc de antes y después de los cortes. Se aplica a la etapa siguiente del primer periodo de desarrollo hasta el inicio de la etapa final del ciclo del cultivo. Estos coeficientes Kc en cultivos forrajeros son usados para inmediatamente después de un corte; en cubierta completa; e inmediatamente antes un corte, respectivamente. El ciclo del cultivo se describe como una serie de periodos de corte individuales. Las variedades de pasto de estación fresca incluyen densas plantaciones de ryegrass y festuca. Las variedades de estación cálida incluyen la grama y la St. Augustine. El valor de 0,95 para estación fresca supone una altura de corte de 0,06 a 0,08 m bajo condiciones normales de cubierta cespitosa. Donde se practica una programación de riegos cuidada y no se requiere un rápido crecimiento, los Kc para el césped se pueden reducir a 0,10. La planta de la piña tiene una transpiración muy baja porque cierra sus estomas durante el día y los abre durante la noche. Por eso, la mayoría de la ETc de la piña es evaporación del suelo. El Kc med < Kc ini porque el Kc med tiene lugar con una cubierta total del suelo, y la evaporación del suelo es menor. Los valores dados implican que el 50% de la superficie del suelo está cubierta con plástico negro y que el riego es mediante aspersores. Para riego por goteo bajo la cubierta plástica, el valor de Kc dado se puede reducir en 0,1. Incluye necesidades de agua de los árboles sombreados. Estos valores de Kc fin representan valores de Kc anteriores a la caída de la hoja. Después de la caída de la hoja, Kc fin se aproxima a 0,20 para suelo desnudo y seco, o cubierta de suelo muerta, y Kc fin se aproxima de 0,50 a 0,80 para cubierta de suelo en crecimiento activo. Corregido para estimar Kc para etapas inmaduras. La categoría «frutales de hueso» se aplica a melocotones, albaricoques, peras, ciruelas y nueces pecanas. Estos valores de Kc pueden ser calculados para Kc min = 0,15 y Kc = 0,75, 0,70 y 0,75 para la fase inicial, media y final, y fc efect = fc, con fc =fracción de suelo cubierta por los árboles (i.e., se supone que el sol está perpendicular a ellos). Los valores dados se corresponden con los de Doorenbos y Pruitt (1977) y con medidas recientes. El valor de mitad de ciclo es más bajo que los valores inicial y final debido al efecto del cierre de estomas en condiciones extremas de ET. Para climas húmedos y subhúmedos donde los cítricos tienen menos control estomatal, los valores de Kc fin, med y fin se pueden incrementar en 0,1 ó 0,2 según Rogers et al. (1983). Estos valores de Kc pueden ser calculados como Kc = fc * Kc ngc + (1 - fc) Kc,cob, donde Kc ngc es el Kc de un cítrico sin cubierta de suelo activo (calculada según nota al pie 21), Kc cob es el Kc de una cubierta vegetal activa (0,95), y fc se define en la nota al pie 21. Los valores mostrados corresponden a los de Doorenbos y Pruitt (1977) asi como a medidas recientes. Para climas húmedos y subhúmedos donde el cítrico tiene un menor control estomático, los valores de Kc ini, Kc med y Kc fin se pueden incrementar en 0,1 ó 0,2. Las coníferas exhiben un control estomático sustancial debido a la baja resistencia aerodinámica. El Kc puede reducirse por debajo de los valores mostrados, que corresponden a condiciones no limitantes de agua y en grandes bosques. Estos coeficientes corresponden a un rango de cubrición del suelo del 40 al 60%. En España, (Pastor y Orgaz, 1994. Riego deficitario del olivar: Los programas de recorte de riego en olivar. Agricultura 746:768-776) propusieron los siguientes valores de Kc para olivares con un 60% de cubierta de suelo: 0,50, 0,50, 0,65, 0,60, 0,55, 0,50, 0,45, 0,45, 0,55, 0,60, 0,65, 0,50 desde enero a diciembre. Estos coeficientes pueden ser adaptados usando un Kc ini = 0.65, Kc med = 0,45 y un Kc fin = 0,65, con fases de duración de 30, 90, 60 y 90 días respecti-

vamente para la fase inicial, de desarrollo, media, y final de ciclo, y usar un Kc durante el invierno desde diciembre a enero de 0,50. 25. Estos Kc son para aguas profundas en latitudes templadas donde hay grandes cambios de temperatura en el agua durante el año y la evaporación durante la fase inicial y el periodo de máximos valores es baja, ya que la energía de la radiación es absorbida por el agua profunda. Durante los periodos de otoño e invierno (Kc fin), el calor es liberado y se incrementa la tasa de evaporación por encima de la de una pradera. En consecuencia, Kc med coincide con el periodo donde el agua está acumulando energía térmica y el Kc fin cuando la está liberando. Estos valores de Kc se deben manejar con mucha precaución. 26. El valor de p para el arroz es de 0,2 en saturación.

Tabla 3.3. Longitud (en días) de las diferentes fases en las que se divide la evolución de los coeficientes de cultivo para distintas fechas de plantación y zonas climáticas. (Adaptado de FAO 56) Inic. (Lini)

Des. (Ldes)

Med. (Lmed)

Fin. (Lfin)

Total

Fecha de Plantación

a. Pequeñas hortalizas Bróculi

35

45

40

15

135

Sept.

Col

40

60

50

15

165

Sept.

Zanahorias

20 30 30

30 40 50

50/30 60 90

20 20 30

100 150 200

Oct/Ene Feb/Mar Oct

Coliflor

35

50

40

15

140

Sept.

Apio

25 25 30 20 25 30 20 30 25 35 15 20 25 20 30 20

40 40 55 30 35 35 30 40 35 50 25 35 30 45 55 45

95 45 105 20 25 90 15 25 30 45 70 110 10 20 55 165

20 15 20 10 10 40 10 10 10 10 40 45 5 10 40 45

180 125 210 80 95 195 75 105 100 140 150 210 70 95 180 275

Oct Abril Enero Abril Febrero Oct/Nov Abril Nov/Ene Oct/Nov Febrero Abril Oct; Enero. Abril/May Octubre Marzo Sept.

20 20 5 10

20 30 10 10

15/25 40 15 15

5 10 5 5

60/70 100 35 40

Abril; Sep/Oct Noviembre Mar/Abr Invierno

b. hortalizas - familia de la solanáceas (Solanaceae) Berenjena 30 40 40 30 45 40 Pimiento dulce 25/30 35 40 30 40 110 Tomate 30 40 40 35 40 50 25 40 60

20 25 20 30 25 30 30

130/1 40 125 210 135 155 155

Octubre Mayo/junio Abril/Junio Octubre Enero Abr/May Enero

30 30

180 145

Oct/Nov Abril/May

Cultivo

Crucíferas 1 Lechuga

Cebolla (seca) Cebolla (tierna) Cebolla (semilla) Espinaca Rábano

35 30

45 40

70 45

Región

Desierto de California, EE.UU. Desierto de California, EE.UU. Clima árido Mediterráneo Desierto de California, EE.UU. Desierto de California, EE.UU. (Semi) Árido Mediterráneo (Semi) Árido Mediterráneo Mediterráneo Mediterráneo Mediterráneo Mediterráneo Regiones áridas Mediterráneo Mediterráneo Regiones áridas; Calif. Mediterráneo Regiones áridas California, EE.UU. Desierto de California, EE.UU. Mediterráneo Regiones áridas Medit.; Europa Regiones áridas Regiones áridas Mediterráneo Europa y Medit. Regiones áridas Regiones áridas California, EE.UU. Des. de California, EE.UU. Regiones áridas Mediterráneo

229

Tabla 3.3. Continuación Cultivo

Inic. (Lini)

Des. (Ldes)

c. hortalizas - Familia del pepino (Cucurbitáceas) Melón cantalupo 30 45 10 60 Pepino 20 30 25 35 Calabaza 20 30 25 35 Calabacín 25 35 20 30 Melón dulce 25 35 30 30 15 40 Sandía

d. Raíces y tubérculos Remolacha de mesa Mandioca: año 1 Mandioca: año 2 Patata

Patata dulce Remolacha azucarera

e. Legumbres (leguminosas) Judía (de verdeo) Judía (seca) Haba seca de verdeo Carilla ó Caupí Cacahuete Lenteja Guisante

230

Med. (Lmed)

Fin. (Lfin)

Total

Fecha de Plantación

35 25 40 50 30 35 25 25 40 50 65

10 25 15 20 20 25 15 15 20 30 15

120 120 105 130 100 120 100 90 120 140 135

Enero Agosto Junio/Ago Nov; Febrero Marzo, Agosto Junio Abril; Dic. Mayo/junio Mayo Marzo Agosto Dic/Ene Abril Mar/Ago

Región

California, EE.UU. California, EE.UU. Regiones áridas Regiones áridas Mediterráneo Europa Medit.; Regiones áridas Medit.; Europa Mediterráneo California, EE.UU. Desierto de California, EE.UU. Regiones áridas Italia Oriente Próximo (desierto)

30 20 10

45 30 20

65 30 20

20 30 30

160 110 80

15 25 20 150 25 25 30 45 30

25 30 40 40 30 30 35 30 35

20 25 90 110 30/45 45 50 70 50

10 10 60 60 30 30 30 20 25

70 90 210 360 115/130 130 145 165 140

20 15 30 25 25 50 25 45 35

30 30 45 30 65 40 35 75 60

60 50 90 90 100 50 50 80 70

40 30 15 10 65 40 50 30 40

150 125 180 155 255 180 160 230 205

Abr/May Mediterráneo Feb/Mar Mediterráneo Y Árido Estación lluviosa Regiones tropicales Estación lluviosa Regiones tropicales Ene/Nov Clima (Semi) Árido Mayo Clima Continental Abril Europa Abr/May Idaho, EE.UU. Dic Desierto de California, EE.UU. Abril Mediterráneo Estación lluviosa Regiones tropicales Marzo California, Junio California, Sept. Desierto de California Abril Idaho, EE.UU. Mayo Mediterráneo Noviembre Mediterráneo Noviembre Regiones Áridas

20 15 20 15 25 15 20 90 90 20 25 35 35 20 25 15

30 25 30 25 25 25 30 45 45 30 35 35 45 30 35 25

30 25 40 35 30 35 35 40 40 30 45 35 35 60 70 35

10 10 20 20 20 15 15 60 0 20 25 35 25 40 40 15

90 75 110 95 100 90 100 235 175 110 130 140 140 150 170 90

Feb/Mar California, Mediterráneo Ago/Sep California, Egipto, Líbano Mayo/junio Climas Continentales Junio Paquistán, Calif. Junio Idaho, EE.UU. Mayo Europa Mar/Abr Mediterráneo Nov Europa Nov Europa Marzo Mediterráneo Estación seca Oeste de África Estación seca Latitudes altas Mayo Mayo/junio Mediterráneo Abril Europa Oct/Nov Regiones áridas Mayo Europa

Tabla 3.3. Continuación Cultivo

Soja

Inic. (Lini) 20 35 15 20 20

Des. (Ldes) 30 25 15 30/35 25

Med. (Lmed)

Fin. (Lfin)

Total

Fecha de Plantación

Región

35 30 40 60 75

15 20 15 25 30

100 110 85 140 150

Mar/Abr Abril Dic Mayo Junio

Mediterráneo Idaho, EE.UU. Zonas tropicales EE.UU. Centrales Japón

f. Hortalizas perennes (con dormición invernal y suelo desnudo o acolchado en la fase inicial) Alcachofa 40 40 250 30 360 Abril (1r año) 20 25 250 30 325 Mayo (2nd año) Espárrago 50 30 100 50 230 Febrero 90 30 200 45 365 Febrero g. Cultivos de fibra Algodón

Lino h. Cultivos oleaginosos Ricino Cártamo Sésamo Girasol i. Cereales Cebada/avena/trigo

Trigo de Invierno Maíz (grano)

Maíz (dulce)

Mijo Sorgo

California (corte en mayo) Invierno cálido Mediterráneo

30 45

50 90

60 45

55 45

195 225

Marzo-Mayo Marzo

30 30 25 30

50 50 35 40

60 55 50 100

55 45 40 50

195 180 150 220

Sept. Abril Abril Octubre

Egipto; Paquistán; Calif. Desierto de California, EE.UU. Yemen Tejas Europa Arizona

25 20 20 25 35 20 25

40 40 35 35 55 30 35

65 50 45 55 60 40 45

50 25 25 30 40 20 25

180 135 125 145 190 100 130

Marzo Nov. Abril Marzo Oct/Nov Junio Abril/May

Climas (Semi) Áridos Indonesia California, EE.UU. Latitudes Altas Regiones áridas China Medit.; California

15 20 15 40 40 20 20 2 30 160 30 25 20 20 30

25 25 30 30 60 50 60 2 140 75 50 40 35 35 40

50 60 65 40 60 60 70 40 75 60 45 40 40 50

30 30 40 20 40 30 30 30 25 40 30 30 30 30

120 135 150 130 200 160 180 240 335 180 140 125 125 150

Noviembre Marzo/Abr Julio Abril Nov Dic Diciembre Noviembre Octubre Abril Dic/Ene Junio Octubre Abril

La India Central 35-45 °L Este de África

30 20 20 20 30 20

40 20 25 30 30 40

50 30 25 50/30 30 70

50 10 10 10 103 10

170 80 80 90 110 140

Abril Marzo Mayo/junio Oct/Dic Abril Enero

15 20 20 20

25 30 35 35

40 55 40 45

25 35 30 30

105 140 130 140

Junio Abril Mayo/junio Mar/Abril

Desierto de California, California, Mediterráneo Idaho, EE.UU. Este de África (alt.) Clima Árido Nigeria (húmedo) La India (seco, fresco) España (primavera, verano); Calif. Idaho, EE.UU. Filipinas Mediterráneo Clima Árido Idaho, EE.UU. Desierto de California, EE.UU. Paquistán Centro de EE.UU. EE.UU., Pakis., Med. Regiones áridas

231

Tabla 3.3. Continuación Inic. (Lini)

Des. (Ldes)

Med. (Lmed)

Fin. (Lfin)

Total

Fecha de Plantación

30

30

60

30

150

Dic; Mayo

30

30

80

40

180

Mayo

j. Forrajes Alfalfa, total estación 4

10

30

var.

var.

var.

Alfalfa 4, primer ciclo de corte

10

20

20

10

60

Grama para semilla

10 5 5 10

30 10 20 25

25 10 10 35

10 5 10 35

75 30 45 105

Grama para heno (varios cortes

10

15

75

35

135

Pasto 4

10

20

--

--

--

Pasto del Sudán, primer ciclo de corte Pasto del Sudán, otros ciclos del corte

25

25

15

10

75

3

15

12

7

37

35 50 75 25 30 35

60 70 105 70 50 105

190 220 330 135 180 210

120 140 210 50 60 70

405 480 720 280 320 420

l. Frutas y árboles tropicales Plátano, primer año 120 Plátano, segundo año 120 Piña 60

90 60 120

120 180 600

60 5 10

390 365 790

Marzo Febrero

Mediterráneo Mediterráneo Hawaii, EE.UU.

20 20 20 30

40 50 50 60

120 75 90 40

60 60 20 80

240 205 180 210

Abril Marzo Mayo Abril

25

40

80

10

155

Abril

Latitudes Bajas California, EE.UU. Altas Latitudes Latitudes medias (uva de vinificación) Idaho, EE.UU.

60 20 20 30 30 20 20

90 70 70 50 90 60 10

120 90 120 130 60 30 130

95 30 60 30 90 40 30

365 210 270 240 2705 150 190

Enero Marzo Marzo Marzo Marzo Febrero Abril

Mediterráneo Altas Latitudes Latitudes Bajas California, EE.UU. Mediterráneo Mediterráneo Utah, EE.UU.

Cultivo Arroz

Alfalfa4, otros ciclos del corte

k. Caña de azúcar Caña de azúcar, virgen Caña de azúcar, rebrote

m. Uvas y bayas Uvas

Lúpulo n. Árboles frutales Cítricos Frutales de hoja caduca Olivo 5 Pistachos Nueces

232

Región Zonas tropicales; Mediterráneo Zonas tropicales

último evento de -4° C en primavera hasta primer evento de -4° C en fin de ciclo. Enero-Abril (última California, vez - 4°C) EE.UU. Idaho, EE.UU. Marzo California, EE.UU. Junio Idaho, EE.UU. Marzo Desierto de California, EE.UU. --Desierto de California, EE.UU. 7 días antes del último evento de -4°C en primavera hasta 7 días después de primer evento de -4°C en fin de ciclo Abril Desierto de California, EE.UU. Junio Desierto de California, EE.UU. Latitudes Bajas Zonas tropicales Hawaii, EE.UU. Latitudes Bajas Zonas tropicales Hawaii, EE.UU.

Tabla 3.3. Continuación Des. (Ldes)

Med. (Lmed)

Fin. (Lfin)

Total

Fecha de Plantación

o. Humedales - clima templado Humedales (enea, espadaña) 10

30

80

20

140

Mayo

180 180

60 60

90 90

35 35

365 365

Noviembre Noviembre

Cultivo

Humedales (plantas pequeñas) * 1. 2.

3. 4.

5.

8.

Inic. (Lini)

Región

Utah, EE.UU.; heladas letales Florida, EE.UU. Clima libre de heladas

Las duraciones de las fases de desarrollo de los cultivos de esta tabla son indicativos en condiciones normales, pero pueden variar sustancialmente de una región a otra en función de las condiciones climáticas y de cultivo, y de la variedad utilizada. El usuario debe obtener información local adecuada. Crucíferas incluye repollo, coliflor, bróculi, y coles de Bruselas. El amplio rango de variación en la longitud de los periodos se debe a las diferencias entre las variedades y las especies. Los periodos dados para el trigo de invierno se alargan en climas con heladas en función del número de días con potencial de crecimiento cero y de parada invernal del trigo. En condiciones normales y a falta de datos locales, la siembra del trigo de invierno en climas templados del norte se puede estimar cuando la media de la temperatura diaria del aire de 10 días consecutivos disminuye a 17° C ó bien en el 1 de diciembre, dependiendo de lo que ocurra antes. La siembra del trigo de primavera se puede estimar cuando la media de la temperatura diaria del aire de 10 días consecutivos se eleva hasta 5° C. La siembra primaveral del maíz grano se puede estimar cuando la media de la temperatura diaria del aire de 10 días consecutivos se eleva a 13° C. El periodo final para el maíz dulce será de 35 días si el grano se deja madurar y secar. En climas con heladas letales, el ciclo vegetativo de la alfalfa y del pasto se puede estimar como: Alfalfa: del último evento de -4° C en primavera hasta el primer evento de -4° C el fin de ciclo (Everson et al., 1978. «Freezing temperatures and growing seasons in Idaho» Univ. Idaho Agric. Exp. Station bulletin 494. 18 p.). Pasto: desde siete días antes del último evento de -4° C en primavera hasta siete días después del último evento de -4° C en fin de ciclo (Kruse E. G. y Haise, H. R. 1974. «Water use by natie grasses in high altitude Colorado meadows.» USDA Agric. Res. Service, Western Region report ARS-W-6-1974. 60 páginas). Los olivos producen nuevas hojas en marzo.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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235

ANEJO I. CÁLCULO DE RADIACIÓN NETA El balance de energía por radiación se calcula sumando la radiación neta de onda corta o radiación solar y la radiación neta de onda larga o terrestre, por lo que hemos de calcular cada uno de los términos del balance de radiación. Radiación solar extraterrestre La radiación solar extraterrestre instantánea que alcanza una superficie plana horizontal se calcula en la forma: Ra,i = Gsc dr cos (θz)

[69]

Ra,i = Radiación solar instantánea que llega a una superficie plana horizontal en el techo de la atmósfera [MJ m–2 día–1] [W m–2].

θz = Ángulo cenital solar, definido como el ángulo que forma la vertical a la superficie plana horizontal y la visual al centro del sol. El cálculo de esta magnitud para el caso de un plano horizontal se da en la ecuación 70. Gsc = Constante solar. Su valor es 0,082 MJ m–2 min–1 (1.367 W m–2). El ángulo cenital solar viene dado por la ecuación: Cos (θz) = sen δ sen φ + cos δ cos φ cos ω

[70]

ω = ángulo horario a la salida del sol para el día considerado. Al mediodía solar es cero. Cada hora equivale a 0,2618 rad (15°). Positivo hacia la mañana, negativo hacia la tarde φ = latitud del lugar. δ = declinación solar. La ecuación 74 proporciona el valor de la declinación en radianes. La integración de la ecuación 69 sobre el intervalo de un día proporciona la radiación solar acumulada en ese intervalo temporal (Duffie y Beckman, 1980), en la forma: Ra = [24 (60)/π) Gsc dr [(ωs) sen (φ) sen (δ) + cos (φ) cos (δ) cos(ωs)

[71]

Ra = Radiación solar extraterrestre que llega a una superficie plana horizontal en un día [MJ m–2 día–1]. Gsc = Es la constante solar definida como el valor medio de la energía por unidad de superficie y de tiempo que a lo largo de un año llega a un plano perpendicular a los rayos del sol. El valor aceptado de la constante solar es 0,082 MJ m–2 min–1 (1.367 W m–2). dr = Es la inversa de la distancia relativa Sol-Tierra, elevada al cuadrado. Es una magnitud adimensional. El cálculo de esta magnitud se da en la ecuación 73.

ωs = Ángulo horario a la salida del sol para el día considerado [rad] ecuación 72. φ = Latitud del lugar [rad]. 236

δ = Declinación solar [rad] ecuación 74. cos (ωs) = – [tan (φ) tan(δ)]

[72]

dr = 1 + 0,033 cos (2 πJ/365)

[73]

δ = 0,409 sen (2 πJ/365 – 1,39)

[74]

J = es el número del día del año entre el 1 (1 de enero) y el 365 ó 366 (31 de diciembre). Radiación solar en la superficie terrestre En caso de que no se disponga de datos medidos, la radiación solar o radiación de onda corta puede ser estimado por la denominada fórmula de Ángstrom: Rs = (as + bs n/N) Ra

[75]

Rs

= Radiación solar que llega a un plano horizontal en la superficie terrestre [MJ m–2 día–1].

Ra

= Radiación solar extraterrestre que llega a una superficie plana horizontal en un día [MJ m–2 día–1].

n

= Número de horas de sol despejado [horas].

N

= Máxima duración del día [horas] N = 24 ωs /π; ωs en radianes.

as

= Coeficiente de regresión que expresa la fracción que llega a la superficie terrestre un día completamente nublado n = 0.

as + bs = Fracción de la radiación extraterrestre que llega a la superficie terrestre los días despejados n = N. Los coeficientes as, bs dependen de las condiciones atmosféricas de humedad y aerosoles (polvo), y de la declinación (latitud y mes). Si no se dispone de calibración de estos parámetros pueden utilizarse los valores as = 0,5 y bs = 0,25.

Radiación solar de un día despejado Si se dispone de los valores calibrados de as y bs. Rso = (as + bs) Ra Ra, Rso

[76]

[MJ m–2 día–1]

Si no se dispone de los valores de as, bs Rso = (0,75 + 2.10–5 z) Ra Ra, Rso

[77]

[MJ m–2 día–1]

z = Altura de la estación sobre el nivel del mar [m] 237

Radiación solar neta (radiación neta de onda corta) Rns = (1 – α) Rs

[78]

Rns = Radiación neta solar [MJ m–2 día–1]. α = Albedo de la superficie. En el caso de una superficie de referencia = 0,23 [-]. Rs = Radiación solar incidente que llega a la superficie [MJ m–2 día–1]. Radiación neta de onda larga El flujo de energía neto en onda larga en la superficie terrestre es la diferencia entre el flujo de energía que sale de la superficie emitido por ésta en función de su temperatura, y el flujo que llega a la superficie emitido por la atmósfera. El vapor de agua, las nubes, el dióxido de carbono, los aerosoles son las principales substancias emisoras y absorbentes de la radiación de onda larga. Una ecuación utilizada para el cálculo de la radiación neta de onda larga es (Allen et al., 1998): – Rnl = σ [(T4maxK + T4minK)/2] (0,34 – 0,14√ea) {1,35Rs/Rso– 0,35) [79] Rnl

= Radiación neta de onda larga que sale de la superficie [MJ m–2 día–1].

σ

= Constante de Stefan – Boltzmann [4,903 10–9 MJ K–4 m–2 día–1].

TmaxK

= Temperatura máxima absoluta del aire en el ciclo diario, expresada en Kelvin.

TminK

= Temperatura mínima absoluta del aire en el ciclo diario, expresada en Kelvin.

ea

= Presión actual del vapor de agua. Si no es disponible se puede estimar de las ecuaciones 42 a 44 [kPa].

Rs

= Radiación solar que alcanza la superficie [MJ m–2 día–1].

Rso

= Radiación solar que alcanzaría la superficie en un día despejado [MJ m–2 día–1].

El término σ (T4maxK + T4minK)/2 es el correspondiente a la ecuación de Stefan-Boltz– mann en un intervalo diario. El término (0,34 – 0,14√ea) representa el efecto del contenido en vapor de agua en la atmósfera, y cuanto mayor es el contenido en vapor de agua menor es el flujo neto saliente de calor en onda larga. El término (1,35 Rs/Rso – 0,35) expresa el efecto de la nubosidad; así este término se hace más pequeño cuando la nubosidad aumenta, con lo cual disminuye el flujo de energía en onda larga saliente de la superficie. Radiación neta La radiación neta es la diferencia entre la energía entrante en forma de radiación de onda corta y la energía saliente en forma de radiación de onda larga: Rn = Rns – Rnl

238

[80]

CAPÍTULO IV

La lisimetría

Francisco Martín de Santa Olalla Mañas Ramón López Urrea

1.

Breve revisión histórica de la lisimetría.

2.

Definiciones.

3.

Principios de funcionamiento.

4.

Tipos de lisímetros.

5.

6.

4.1.

Lisímetros no pesantes o de drenaje.

4.2.

Lisímetros pesantes.

4.3.

Según el método utilizado para aislar la masa del suelo.

Estación de lisimetría de Las Tiesas. 5.1.

Descripción general.

5.2.

Puesta a punto y mantenimiento de sus diferentes componentes.

5.3.

Sistema Experto para la depuración de los datos obtenidos.

5.4.

Resultados.

Referencias bibliográficas.

1.

BREVE REVISIÓN HISTÓRICA DE LA LISIMETRÍA

Los primeros lisímetros datan de hace 300 años aproximadamente. En Kohnke et al. (1940) se hace una magnífica revisión del desarrollo de estos equipos. En ella se mencionan más de 150 instalaciones y se incluyen del orden de 500 referencias. Posteriormente se han realizado una serie de revisiones bibliográficas y discusiones sobre su funcionamiento, aunque de menor extensión (Makkink, 1959; Pelton, 1961; Tanner, 1967; Harrold, 1968; Black et al., 1968). A continuación se comentan algunos de los acontecimientos más importantes que han sucedido en el desarrollo histórico de los lisímetros, desde finales del siglo XVII hasta nuestros días. Una de las primeras investigaciones sobre los lisímetros fue iniciada en Francia hacia 1688 por De la Hire, matemático y meteorólogo de la corte de Luis XIV. Utilizó recipientes de plomo conteniendo un suelo franco arenoso, llegando a la conclusión de que se evaporaba más agua en los lisímetros cubiertos de césped que de aquellos conteniendo suelo desnudo. En 1796, Maurice en Suiza y Dalton en Inglaterra, ambos por separado, realizaron experimentos con lisímetros. A menudo, se ha considerado a Dalton el primer investigador en instalar lisímetros, pero éste declaró que se había inspirado en los trabajos de De la Hire. En 1870, Lawes y Gilbert en Rothamsted (Inglaterra), construyeron el primer lisímetro monolítico, es decir conteniendo suelo no perturbado. Posteriormente, Sanborn instaló en 1888 varios lisímetros de este tipo en una Estación Experimental Agrícola del Estado de Missouri (EE.UU.). En Alemania, Van Seelhorst fue el primero en instalar, en el año 1906, lisímetros equipados con dispositivos para determinar sus variaciones de peso. En 1937 se construyeron los lisímetros de Coshocton en el Estado de Ohio (EE.UU.). Estos lisímetros estaban equipados con registradores que permitían medir los componentes principales del balance hídrico: precipitación, agua de escorrentía, percolación profunda y evapotranspiración (Harrold y Driebelbis, 1967). En un principio los lisímetros se utilizaron para investigar sobre la velocidad y cantidad de agua percolada. Posteriormente se realizaron análisis químicos de esta solución. Es a partir de mediados del siglo XX, cuando los lisímetros se perfeccionan y sufren una serie de cambios importantes; se construyen en numerosos centros de investigación de todo el mundo, se utilizan principalmente para realizar estudios de evapo241

transpiración (ET), y para el calibrado de las fórmulas empíricas y semiempíricas empleadas en el cálculo de la ET. En esta etapa es cuando se redactan las mejores revisiones bibliográficas hechas sobre el diseño y uso de los lisímetros: Slatyer y McIlroy (1961), Pelton (1961), McIlroy y Angus (1963), Tanner (1967), Rosemberg et al. (1968), Perrier et al. (1974), Hillel (1982), Aboukhaled et al. (1986), Soileau y Hauck (1987), entre otros investigadores. Los lisímetros también se han usado para estudiar conceptos tales como la precipitación efectiva (Dastane, 1974) y la lixiviación mínima de sales (Meland et al., 1977), así como en el campo de la fertilización de los cultivos (Soileau y Hauck, 1987). Estudios más recientes muestran la utilización de los lisímetros para medir tanto evapotranspiración de referencia (ET0), como la evapotranspiración de cultivo (ETc). De este modo, Mantovani (1993) evaluó y calibró, para la localidad de Córdoba (España), seis de los métodos más utilizados para estimar la ET0, que se diferencian en su grado de complejidad y en el número de datos climáticos necesarios: Penman-Monteith, Penman-FAO no corregida, Penman-FAO, Hargreaves, Tanque evaporimétrico «Clase A» y FAO-Radiación. Los datos se verificaron utilizando medidas de la ET0, llevadas a cabo en un lisímetro de pesada entre 1989 y 1991. Los métodos más precisos para estimar la ET0, bajo las condiciones de Córdoba, de acuerdo con estos trabajos resultaron ser los de Penman-FAO y FAO-Radiación. En el mismo trabajo experimental, también se evaluó el modelo de Ritchie para la estimación de la evaporación y la transpiración en trigo (Triticum aestivum L.), soja (Glycine max L.) y algodón (Gossypium hirsutum L.), todos ellos de regadío. En Bushland (Texas), Schneider et al. (1993) utilizaron 48 lisímetros monolíticos instalados en tres tipos diferentes de suelos, para realizar medidas de evapotranspiración en diferentes cultivos. Khan et al. (1998) diseñaron e instalaron tres lisímetros hidráulicos, con el fin de comprobar su funcionalidad para medir la evapotranspiración potencial (ETp). Dos de ellos se sembraron de pasto pangola (Digitaria swazilandesis) con el objetivo de medir su evapotranspiración; al tercero se le interrumpió la pérdida o ganancia de agua, para detectar las variaciones del nivel de agua en su manómetro, por el efecto de la temperatura y mediante estas variaciones poder corregir las lecturas. Los resultados obtenidos muestran una buena confiabilidad en las mediciones del aparato. Cortes (1999) realizó un trabajo de investigación para medir las necesidades hídricas de dos ecotipos de maca (Lepidium meyenii). En este experimento se utilizaron seis lisímetros de drenaje simple para medir la evapotranspiración real del cultivo en estudio. En un trabajo experimental posterior (Lecina y Martínez, 2000), se ha evaluado el método de Penman-Monteith para la estimación de valores semihorarios de ET0 en el Valle del Ebro, mediante su comparación con valores medidos en un lisímetro de pesada. Los resultados de este trabajo indican que la advección es la causa principal de la infraestimación de la ET0 por el método de Penman-Monteith: hasta un 15% en los meses de verano y un 4-5% durante el otoño. 242

En la provincia de Valencia (España), Castel (2001) estudió el consumo de agua de árboles de Clementina de Nules (Citrus clementina, Hort ex Tan.) regados por goteo desde su plantación. Durante los primeros cinco años utilizó pequeños lisímetros de drenaje, y después un lisímetro de pesada grande, al cual transplantó un único árbol. Eitzinger et al. (2002) realizaron un estudio en Viena (Austria). En este trabajo se compararon diferentes métodos de estimación de la evapotranspiración, utilizados en algunos modelos climáticos de cultivo, con datos medidos en lisímetros. En otro trabajo (Seyfried et al., 2001), se recogieron datos lisimétricos durante 15 años, situados en dos regiones con diferentes tipos de suelo y condiciones climáticas. Los datos muestran cambios en el contenido de agua del suelo durante la estación libre de nieve. Tuñón et al. (1999) utilizaron lisímetros para medir la evapotranspiración y conocer el nivel real de recarga de un acuífero; también estudiaron el tránsito de contaminantes agrícolas y la reutilización de aguas subterráneas. Estudios recientes han demostrado el efecto negativo del viento sobre la calidad de los datos lisimétricos. Este inconveniente disminuye al mejorar la resolución del equipo electrónico de registro de datos (Martínez y Baselga, 1999).

2.

DEFINICIONES

El término «lisímetro» deriva de las palabras griegas «lysis» (disolver) y «metron» (medir). Este vocablo se puede aplicar a todo dispositivo utilizado para determinar la velocidad, cantidad y composición del agua que percola en un medio poroso. De este modo, hay muchas definiciones de lisímetro que se refieren a «instrumentos o dispositivos que contienen suelo y reciben lluvia natural o riego y se encuentran provistos de un sistema para recibir y medir la solución de percolación». El agua percolada se considera un componente importante del ciclo hidrológico, que se produce en la recarga del agua subterránea y en la descarga de agua hacia los cauces naturales (Aboukhaled et al., 1986). Según McIlroy y Agnus (1963), un lisímetro es: «un bloque de suelo, con vegetación o sin ella, encerrado en un recipiente adecuado y expuesto a las condiciones naturales de campo, que permite la determinación de uno de los términos de la ecuación del ciclo hidrológico cuando los otros términos son conocidos». De una forma similar Tanner (1967), define un lisímetro como: «un dispositivo en el cual un volumen de suelo, que puede estar cubierto de vegetación, es colocado en un recipiente para aislarlo del resto del suelo con el propósito de evaluar o controlar varios términos de la ecuación del balance del agua». La Organización Meteorológica Mundial (WMO, 1966) utilizó el término «evapotranspirómetro» o «evaporímetro del suelo» para referirse a: «recipientes de suelo y vegetación por medio de los cuales, el agua perdida es medida o por diferencias de peso o midiendo toda el agua que llega a la superficie y aquella que escapa del fondo del recipiente». Hillel et al. (1969) definieron los lisímetros como: «recipientes grandes llenos de suelo, generalmente ubicados en el campo para representar sus condiciones naturales, 243

en los cuales las condiciones del sistema suelo-agua-planta pueden ser convenientemente reguladas y controladas de forma más exacta, que en el perfil natural del suelo». Otra definición dada de los lisímetros es: «unos recipientes grandes llenos de suelo o encerrando una masa de suelo, ubicados en el campo para representar sus condiciones naturales, de superficie desnuda o con cubierta vegetal (cultivos o césped), utilizados para determinar la evapotranspiración de un cultivo en crecimiento, o una cubierta vegetal de referencia, o para determinar la evaporación en suelos desnudos (Aboukhaled et al., 1986).

3.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

La lisimetría en su forma más sencilla, incluye la medida volumétrica de todas las aguas que entran y salen de un recipiente que contiene una masa aislada de suelo, cuya superficie puede estar desnuda o con diferentes tipos de cubierta vegetal (Aboukhaled et al., 1986). La ecuación del balance hídrico del suelo representa las entradas y salidas de agua de un lisímetro para cada período de medida: P + R ± Es = ET + D ± ∆w

[1]

donde: P es la precipitación (mm); R es el riego (mm); Es es la escorrentía hacia dentro o hacia fuera del lisímetro (mm); ET es la evapotranspiración de la cubierta vegetal o la evaporación del suelo desnudo (mm); D es la percolación profunda o agua de drenaje recogida en el fondo del lisímetro (mm); ∆w es la variación del contenido de agua en la masa de suelo encerrada en el lisímetro en un determinado periodo (mm). Al tratarse de un recipiente con paredes laterales, la escorrentía superficial puede considerarse nula, y la evapotranspiración se obtiene mediante la siguiente ecuación: ET = P + R – D ± ∆w

[2]

La precipitación (P) y el riego (R) son medidos, utilizando pluviómetros o métodos volumétricos convencionales. Para drenar y medir el agua que percola a través de la masa de suelo (D), se utiliza una cámara de drenaje y un recipiente de volumen conocido. Las variaciones en el contenido de agua en la masa de suelo (∆w), representan la cantidad de agua almacenada en el suelo después de una lluvia o un riego, o la cantidad de agua extraída del suelo por la evapotranspiración de las plantas en el lisímetro. De ordinario la medida de ∆w es la más complicada de obtener. Los lisímetros de pesada, una vez que se corrigen las variaciones en el peso por precipitación, riego y drenaje, proporcionan una forma directa y exacta de medir los cambios en el contenido de agua del suelo. En el caso de los lisímetros volumétricos existen otros métodos para determinar el parámetro ∆w tales como, gravimetría, sonda de neutrones, tensiómetros, Time Domain Reflectometer (TDR), etc. 244

Los lisímetros de compensación con nivel freático constante se han utilizado frecuentemente para medir la evapotranspiración de referencia (ET0) y la evapotranspiración máxima (ETm) (Robelin, 1962; Eldin et al., 1969; Perrier et al., 1974; de Juan, 1981; Riou y Chartier, 1985). El nivel freático se mantiene constante en la parte inferior de estos lisímetros. Como respuesta a la evapotranspiración, el agua de la capa freática se desplaza en la rizosfera por capilaridad. El descenso del nivel freático, causado por este desplazamiento, es compensado automáticamente por un dispositivo flotador, y la cantidad de agua para reponer su nivel es medida también de forma automática. Mediante la utilización de estos lisímetros ∆w = 0, y la evapotranspiración producida entre dos ocurrencias de drenaje puede ser calculada mediante la siguiente ecuación: ET = P + R – D

[3]

donde: R es la cantidad de agua aportada por el riego o por un dispositivo alimentador que automáticamente mantiene la capa freática al mismo nivel durante el período de medida. Desafortunadamente, el final del drenaje se define muy mal y su apreciación es bastante subjetiva. No obstante, se puede considerar terminado el drenaje cuando el agua no escurre hacia el recipiente colector más que gota a gota, aunque se trata de una referencia poco satisfactoria (de Juan y Martín de Santa Olalla, 1993). Una manera de solucionar este problema es recurrir a los lisímetros de drenaje continuo y riegos diarios. Se riega la superficie del lisímetro a última hora del día para que el drenaje tenga lugar durante la noche, cuando la ETm o la ET0 es muy pequeña, nula e incluso negativa (rocío). A primera hora de la mañana se tendrán todas las condiciones requeridas: agua libre completamente escurrida, suelo totalmente en capacidad de campo (∆w = 0) y la capa freática en su nivel más alto. En los lisímetros de pesada, los cambios de peso representan una medida directa del flujo de agua que entra y sale del lisímetro. El peso total de un lisímetro en un momento dado (Mt) se puede expresar por la relación: Mt = Mo + Pcv – ET – D + R + P

[4]

donde: Mo es el peso inicial del lisímetro; Pcv es la acumulación de biomasa de la cubierta vegetal; ET es la pérdida de agua del lisímetro por evapotranspiración; D es el agua de drenaje recibida en recipientes que están fuera del lisímetro; R es la cantidad de agua aplicada mediante el riego; y P es la precipitación recibida por el lisímetro.

4.

TIPOS DE LISÍMETROS

Principalmente existen dos criterios para clasificar los lisímetros. El primero de ellos se basa en la forma de determinar el contenido de agua en el suelo, y con arreglo a él los lisímetros se agrupan en dos grandes categorías: los lisímetros o evapotranspirómetros no pesantes, también conocidos como volumétricos, de drenaje o de compensación, y los lisímetros de pesada. El segundo criterio se basa en el método utilizado para aislar la masa de suelo, y de acuerdo con él los lisímetros se agrupan en tres grandes tipos: lisímetros monolíticos (con el suelo sin perturbar), lisímetros de relleno o perturbados y lisímetros tipo Ebermayer (caso intermedio). 245

4.1.

LISÍMETROS NO PESANTES O DE DRENAJE

Dentro de este grupo se pueden considerar los siguientes tipos: 4.1.1.

Lisímetros de drenaje sin nivel freático

El agua en exceso es recogida en el fondo del lisímetro y medida volumétricamente. Por otro lado, la lluvia y los riegos son medidos mediante pluviómetros. El suelo contenido en el recipiente se mantiene a capacidad de campo, debido a la aportación de riegos diarios o incluso de mayor frecuencia. La evapotranspiración durante un periodo determinado, se considera igual a la diferencia entre la cantidad de agua aplicada y drenada. Se trata de recipientes cilíndricos o cubos de material muy diverso (plástico, acero, poliéster reforzado con fibra de vidrio, etc.) que encierran un volumen de suelo conocido, perturbado o no, de superficie variable entre 0,25 (evapotranspirómetro tipo Mather) y 4 m2, y con una profundidad que oscila entre 0,47 (tipo Mather) y 1,03 m (de Juan y Martín de Santa Olalla, 1993). Estos lisímetros tienen alguna limitación, debido a que la superficie que encierra el recipiente es reducida y las medidas de evapotranspiración se ven muy afectadas por el «efecto borde»; por otro lado, el contenido de agua en el perfil del suelo del lisímetro a capacidad de campo, no es el mismo después de varias ocurrencias sucesivas de drenaje. En la figura 4.1 se muestran esquemáticamente las características básicas de diseño de los lisímetros de drenaje sin nivel freático (Slatyer y McIlroy, 1961). Otro lisímetro de drenaje utilizado para medir la evapotranspiración, es el tipo Thornthwaite (figura 4.2). Consiste en un recipiente de acero de 1 m2 de superficie y, Entrada de aire

Tubo de bombeo

93 cm

Suelo natural

Suelo de relleno

Piso inclinado

Espacio colector Fig. 4.1.

246

56 cm

2 cm

0,5 cm

10 cm

Tamiz de bronce sobre trípode soportando el suelo

Lisímetro de drenaje.

Conexión de bomba

Entrada de aire

10 cm

Arena Grava

Tamiz metálico

Fig.4.2.

10 cm 60 cm

Suelo sin perturbar

5 cm

60 cm

Césped

15 cm

10 cm

Vista frontal

Soldadura externa e interna

Evapotranspirómetro tipo Thornthwaite (Aboukhaled et al., 1986).

con dos de sus lados opuestos a 80 y 90 cm de profundidad, para permitir un fondo en declive y así facilitar la extracción del agua de drenaje. El exceso de agua se evacúa regularmente por medio de una bomba conectada a la parte superior del lisímetro. 4.1.2.

Lisímetro de compensación con nivel freático constante

El nivel freático se mantiene constante en la parte inferior de éstos. En respuesta a la evapotranspiración, el agua del nivel freático se desplaza en la zona radicular por capilaridad. El descenso del nivel freático, provocado por este desplazamiento, es compensado por un dispositivo de flotador, y la cantidad de agua necesaria para reponer su nivel, es medida de forma automática. Tanque calibrado (mm) Recipiente - 3 m2 Fuente de agua

Filtro Tanque de agua

Tubería flexible Probeta (mm) Flotador

E

Bomba 1,60 m

Drenes Nivel de agua

Grava

Colector de drenaje Tubo (mm)

Fig. 4.3.

Lisímetro de drenaje con nivel freático constante.

247

Se trata de evapotranspirómetros de bajo coste y fácil manejo, pero con el inconveniente de que el nivel freático tiene un movimiento ascendente frecuentemente inadecuado, principalmente en condiciones de alta evaporación, dando lugar a valores de evapotranspiración más bajos que los reales. En algunas ocasiones se utilizan riegos superficiales para compensar este error (Aboukhaled et al., 1969; Puech y Hernández, 1973). Otra limitación es que el nivel freático en muchas ocasiones no representa las condiciones del campo circundante y tiende a retrasar la maduración del cultivo. En la figura 4.3, se puede observar un ejemplo de lisímetro de drenaje con nivel freático constante (Puech y Hernández, 1973). Se aprecia la instalación de la fuente de agua superficial y los dispositivos para drenar el agua excedente. 4.1.3.

Lisímetro de compensación con nivel freático en la superficie

En estos evapotranspirómetros el nivel freático se mantiene constante por encima de la superficie del suelo, por medio de un dispositivo regulador flotante, o agregando agua periódicamente. La evapotranspiración se mide directamente, determinando la cantidad de agua necesaria para recuperar la posición original del nivel freático. Estos equipos son de bajo coste y permiten obtener valores diarios de evapotranspiración, pero tienen el inconveniente de que sólo se pueden utilizar en estudios de cultivos inundados y vegetación acuática. Un lisímetro de este tipo se puede ver en la figura 4.4; se ha utilizado en estudios de hidrología de pantanos y en determinaciones de la evapotranspiración potencial del papiro. Los niveles de agua en el lisímetro y en la cámara de alimentación se encuentran a la misma altura. La entrada de agua es regulada por medio de un flotador, según las fluctuaciones del nivel de agua provocadas por la evapotranspiración, y ésta es medida haciendo lecturas periódicas de dicho nivel en el tanque de almacenamiento (Aboukhaled et al., 1986). Tanque de agua Tubo de reboso

Tubo de remanso

Lisímetro

Manómetro Plataforma

Suelo sin perturbar

2600 mm

Borde del lisímetro + 0,05 m Máximo nivel de agua ± 0,00 m

Arena Grava

500

Tubería 2000 mm 500 Fig. 4.4.

248

Tanque de drenaje 5400 mm

Cámara de compensación 300 mm

Lisímetro de compensación con nivel freático en la superficie.

4.1.4.

Tipos especiales de lisímetros de drenaje

Se trata de evapotranspirómetros sin paredes laterales o sin fondo, sin paredes ni fondo y lisímetros gigantes (Makkink, 1959; Thompson y Boyce, 1971; Nakshabandi e Ismail, 1972; Kitching y Bridge, 1974; Aboukhaled et al., 1986). 4.2.

LISÍMETROS PESANTES

Dentro de este grupo se pueden considerar los siguientes tipos: 4.2.1.

Lisímetros de peso mecánico

Los cambios de peso provocados por la evapotranspiración, precipitación o riego se detectan utilizando diferentes tipos de balanzas mecánicas. Existe un recipiente exterior o unas paredes de retención, que permiten un desplazamiento vertical libre del recipiente que contiene la masa de suelo y el cultivo. Estos evapotranspirómetros pueden pesarse utilizando simples balanzas portátiles, básculas móviles de plataforma y grúas. El tamaño de los mismos, viene determinado por la capacidad de estas balanzas. Por otro lado, la exactitud limitada de estos dispositivos no permite realizar medidas a intervalos menores de varios días. El principio de contrapeso de las balanzas mecánicas se ha aplicado con éxito en la construcción de lisímetros de alta precisión, que nos permiten medir la evapotranspiración a intervalos de tiempo horarios e incluso menores. La sensibilidad de éstos puede llegar a 0,03 mm de agua (Aboukhaled et al., 1986). En la figura 4.5 se presenta un lisímetro de pesada mecánica instalado en Davis (California), que fue descrito por Pruitt y Angus (1960). Tiene una superficie de 29 m2, Borde fibrocemento 6 mm

Tanque de 6 mm fibrocemento sobre báscula de 50 toneladas 0,075 m

Entrada o boca de acceso 1,22 m

1,27 m

1,93 m

0,96

6,07 m

Pivot de cuchillas

Escalera

Conducto 2,10 m

Drenaje

Cimientos de hormigón armado para 4 apoyos

1,85 m Contrapeso Miembro de torsión 0,13 m piso de hormigón

Fig. 4.5.

5,80 túnel de acceso 0,30 m Ø tubo de drenaje

Lisímetro de pesada por báscula mecánica.

249

un sistema de precisión de balanza mecánica que imprime los datos automáticamente cada 2 minutos. Además, está provisto de succión controlada, de control de la temperatura en el fondo del recipiente y de un deshumidificador de aire. 4.2.2.

Lisímetros de peso electrónico

Las variaciones de peso del recipiente interno con su suelo, son medidas electrónicamente por medio de indicadores de esfuerzo o células electrónicas de resistencia mecánica. El recipiente interno se sitúa habitualmente en un armazón de equilibrio, el cual por medio de contrapesos reduce el peso actual en el indicador de esfuerzo. Se trata de equipos de difícil construcción y muy vulnerables, lo que limita su aplicación a estaciones experimentales especializadas. Aunque es posible obtener una buena exactitud en las medidas, los indicadores de esfuerzo se ven afectados por cambios de temperatura y las células de resistencia mecánica por el balanceo del lisímetro, lo que hace necesario realizar calibraciones periódicas. El viento afecta además a la sensibilidad de estos equipos. En la figura 4.6 se puede observar un lisímetro de peso electrónico instalado en Versalles (Francia), descrito por Archer et al. (1970). Registrador de potencial

Suelo

Cámara de drenaje

60 cm

245 cm

Recipiente interno

Caja de señal

Soporte del peso Fig. 4.6.

Esfera de equilibrio

Célula electrónica de resistencia

Lisímetro de peso electrónico instalado en Versalles (Francia).

4.2.3. Lisímetros de pesada con células hidráulicas de resistencia mecánica El peso total del lisímetro se distribuye sobre células hidráulicas (bolsas, almohadas, colchones de agua o de otro líquido) y la presión resultante se transmite y se refleja en un manómetro. Los cambios de altura en el manómetro se deben a variaciones en el peso del equipo, provocadas por la evapotranspiración, la precipitación o el riego. Existen dos factores que pueden provocar errores a la hora de determinar la evapotranspiración: la expansión de agua en el manómetro debido a cambios de temperatura y la variación con el peso del lisímetro de la superficie de contacto entre éste y su célula de carga. 250

4.2.4.

Lisímetros flotantes

El recipiente interno que contiene el suelo, se encuentra flotando sobre un líquido (agua o cloruro de zinc) contenido en el recipiente externo. La ET, el riego y la precipitación provocan cambios de peso en el lisímetro, los cuales se obtienen midiendo los cambios de nivel del líquido desplazado (Brooks y Pruitt, 1966; Lourence y Goddard, 1967). Se trata de equipos menos costosos que los lisímetros pesantes de precisión y tienen una gran sensibilidad, permitiendo determinaciones horarias de ET. Se deben utilizar líquidos de alta densidad, para evitar grandes cámaras de flotación, que pueden alterar las condiciones naturales de la zona radicular. King et al. (1956) describen un lisímetro flotante construido con un recipiente de acero de 1,6 mm de espesor, cuyas dimensiones son: 1,52 m de diámetro y 1,80 m de profundidad. La cámara de flotación también se construyó de acero. El área de la sección pared-espacio-pared representa el 8 % de la superficie del suelo y los cambios de peso del lisímetro se obtienen de forma automática por un registrador sensible de nivel de agua. Un ejemplo de lisímetro flotante en solución de cloruro de zinc, se puede ver en la figura 4.7 (King et al., 1965).

Hacia el registrador

Tubo de remanso

1,05 m

Válvula de cierre

Transfomador de diferencia lineal

Suelo 6,66 cm Eje móvil

Flotador

1,00 m Válvula de cierre

Cloruro de cinc

Fig. 4.7.

Lisímetro flotando en solución de cloruro de zinc.

4.3. SEGÚN EL MÉTODO UTILIZADO PARA AISLAR LA MASA DEL SUELO De acuerdo con el método utilizado para aislar la masa de suelo, se diferencian los siguientes tipos de lisímetros: 251

4.3.1.

Lisímetro monolítico (con el suelo sin perturbar)

Un bloque de suelo es encerrado dentro de las paredes de un recipiente, del mismo modo que se encontraba originalmente; en el fondo del recipiente se coloca un sistema receptor del agua de percolación. Se recomienda utilizar los lisímetros monolíticos para estudios de escorrentía, infiltración y percolación. También son usados para determinar las necesidades de agua de los cultivos, pero debido a su elevado coste de instalación, se prefiere utilizar los lisímetros de relleno para este tipo de experimentos, siempre y cuando la perturbación del terreno no afecte al crecimiento del cultivo. 4.3.2.

Lisímetro de relleno o perturbado

El perfil del suelo encerrado en el recipiente está perturbado. Durante su construcción, es de vital importancia reducir al máximo posible la alteración de las condiciones originales de secuencia y densidad de las distintas capas (Aboukhaled et al., 1986). Al romperse las capas más profundas del perfil del suelo, se modifican sus propiedades físicas con el consiguiente efecto sobre la tensión, el movimiento del agua y el flujo de calor. Estos cambios pueden provocar un crecimiento y desarrollo desigual entre las plantas situadas en el recipiente del lisímetro y las que se encuentran en la parcela de protección. Este problema puede solucionarse controlando el crecimiento de las plantas y regando con frecuencia (de Juan y Martín de Santa Olalla, 1993). Es importante tener en cuenta que las prácticas culturales realizadas tanto en el lisímetro, como en su parcela de protección afectan más a la ET y al desarrollo del cultivo, que la propia alteración del perfil del suelo encerrado en el recipiente. 4.3.3.

Lisímetro tipo Ebermayer (caso intermedio)

Consta de un embudo y un colector situados por debajo de la masa de suelo sin alterar, carecen de paredes laterales, permitiendo sin restricciones el flujo lateral del agua de escorrentía. Se trata de un tipo especial de lisímetro monolítico, que se ha utilizado para diferentes estudios de percolación y de análisis del agua.

5. 5.1.

ESTACIÓN DE LISIMETRÍA DE LAS TIESAS DESCRIPCIÓN GENERAL

Durante los últimos años nuestro equipo de investigación ha llevado a cabo la instalación y puesta a punto de una Estación Lisimétrica, y posteriormente diversos trabajos experimentales con ella relacionados (López Urrea, 2004). Consideramos de especial interés la presentación en este Capítulo de una breve síntesis de los mismos, que puede ayudar a comprender mejor la utilidad y las limitaciones de estos equipos. La Estación de Lisimetría de Las Tiesas está formada por tres lisímetros de pesada continua y está complementada con una serie de instalaciones e infraestructuras que 252

permiten realizar ensayos relacionados con el consumo de agua de cultivos herbáceos y viñedo. La finca experimental Las Tiesas, gestionada por el Instituto Técnico Agronómico Provincial (ITAP) de Albacete, es el lugar donde está ubicada la estación. Está situada en la provincia de Albacete (España), aproximadamente a unos treinta kilómetros al oeste de la capital. Sus coordenadas son 39° 14’ latitud Norte y 2° 5’ longitud Oeste y su altitud es de 695 m sobre el nivel del mar. Según la clasificación agroclimática de Papadakis el clima es Mediterráneo Templado (MeTE) con invierno tipo Avena fresco (av), verano Maíz (M), con régimen térmico Templado cálido (TE) y de humedad Mediterráneo seco (Me). Según el «Soil Taxonomy» (Soil Survey Staff, 1999) el suelo se cataloga como «petrocalcic calcixerepts». La profundidad media es de 50 cm, y está limitada por el desarrollo del horizonte petrocálcico que se encuentra más o menos fragmentado. La textura es franco-arcillo-arenosa, ph básico, pobre en materia orgánica y en nitrógeno total y con un alto contenido en caliza activa y potasio. Esta estación se enmarca dentro de otra serie de infraestructuras todas ellas dedicadas a la investigación y experimentación agropecuaria. Por lo tanto, Las Tiesas constituye un lugar idóneo en el que una instalación de la dificultad tecnológica de construcción y funcionamiento como es la Estación de Lisimetría, recibe la atención de personal especializado y de medios técnicos que necesita. Un lisímetro de pesada está compuesto básicamente por un gran recipiente relleno de suelo sobre una báscula. Todo ello está instalado en una arqueta subterránea que lo contiene y permite el acceso al interior para su calibración y mantenimiento. Cada lisímetro consta de un cajón de acero inoxidable de dimensiones 2,3 × 2,4 × 1,7 m de profundidad. Está relleno del mismo suelo que se retiró al hacer la excavación, manteniéndose la secuencia de horizontes edáficos así como la profundidad de los mismos. La parte superior del lisímetro está situada a ras de tierra, de manera que se intenta reproducir un cultivo normal. Los alrededores del lisímetro están sembrados con el mismo cultivo instalado en éste. El recipiente está situado sobre una báscula de elevada capacidad, aproximadamente de 25 t, con una alta precisión, 250 g. Estas características son importantes pues permiten obtener los datos de evapotranspiración con una excelente sensibilidad. Cada uno de los lisímetros se halla en el centro de una parcela cuadrada con una superficie de 1 ha en la que, como ya hemos indicado, se cultiva la misma especie que hay en éste, de modo que las plantas situadas dentro del cajón están en las condiciones lo más parecidas posibles a un cultivo normal que realice cualquier agricultor. Todos los lisímetros cuentan con un sistema electrónico de adquisición de datos en los que se acumula la información periódicamente. Se efectúa un registro cada 15 minutos, cada hora y cada 24 horas. En cada registro se guardan los promedios y acumulados de los parámetros físicos más relevantes. Los acumuladores de datos están conectados vía cable a un ordenador central situado en la misma estación. El ordenador envía lecturas periódicas a las bases de datos de los acumuladores de forma que la información queda duplicada a fin de evitar pérdidas de datos. En la estación se ha instalado una estación meteorológica automatizada con los sensores necesarios para obtener los datos que se requieren en el cálculo de la evapotranspiración por diferentes metodologías. 253

Aproximadamente a 1 km de esta estación, pero ya fuera del perímetro regado, se encuentra instalada otra más compleja, en la que se miden los siguientes parámetros: humedad relativa, velocidad del viento y temperaturas del aire a diferentes alturas; dirección del viento, radiaciones (global, reflejada de onda corta, neta de onda corta, incidente de onda larga, reflejada de onda larga, neta de onda larga y difusa), temperaturas, flujo térmico y humedad del suelo a diferentes profundidades; presión atmosférica, evaporación de la cubeta de Clase A y precipitación. La disposición de los diferentes elementos de la Estación puede apreciarse en la figura 4.8 en la que también se señalan las parcelas destinadas a ensayos relacionados con el uso del agua por los cultivos. El lisímetro de Referencia se encuentra instalado en una parcela cultivada de pradera (Festuca arundinacea), mantenida en condiciones óptimas de vegetación, con el fin de obtener los valores de la evapotranspiración de referencia (ET0). Anexo a este lisímetro se encuentra instalada la estación agroclimática a la que antes hemos hecho referencia. En el lisímetro de Cultivos Herbáceos, se lleva a cabo una rotación con los cultivos que se pretendan estudiar. En esta rotación se han incluido cultivos tales como maíz, cebada-maíz dulce, remolacha, trigo-bróculi, etc, obteniendo de esta forma los valores de la evapotranspiración para cada cultivo (ETc) y por lo tanto las curvas de coeficientes Kc por comparación con la ET0 calculada en el lisímetro de referencia. El lisímetro de Cultivos Leñosos tiene la particularidad de ser monolítico, lo que confiere una especial representatividad al cultivo que en él se estudie, pues se ha respetado íntegramente el perfil del suelo. Está destinado al estudio de viñedo, regado por goteo, pudiéndose obtener un balance hídrico con gran precisión. 5.2. PUESTA A PUNTO Y MANTENIMIENTO DE SUS DIFERENTES COMPONENTES En la Estación de Lisimetría, se han venido realizando una serie de trabajos encaminados a la puesta a punto de todos los equipos que la componen, así como al mantenimiento de los mismos. Los diversos elementos mecánicos y eléctricos que integran los lisímetros, y los diferentes sensores con que cuenta la estación meteorológica, se encuentran a la intemperie, como no podría ser de otra manera, por lo que se ven afectados por los distintos agentes meteorológicos (lluvia, viento, heladas, etc.). Se ha procurado que todos los equipos de medida y adquisición de datos sean bastante robustos, con el fin de soportar todas las adversidades previstas y comentadas. En cada uno de los lisímetros, y en sus parcelas de protección, se han realizado las labores de siembra, fertilización y riego de la misma forma, procurando siempre que la densidad, distribución y altura de las plantas sea similar en ambas zonas. Se han validado diariamente los pesos medidos, observando si la diferencia entre ese día y el anterior era coherente. La detección de alguna anomalía, ha llevado consigo las correspondientes comprobaciones de peso, colocando 150 kg sobre el lisímetro. En caso de funcionamiento erróneo, se han realizado calibraciones con pesas de 500 ó 1.000 kg. Es preciso hacer referencia a que el ajuste es imprescindible cuando el peso del lisímetro sobrepasa los 1.000 kg o registra valores negativos; el ajuste se rea254

liza dentro del rango de funcionamiento del visor, esto es entre 0 y 1.000 kg, aunque lo normal es dejarlo entre 350-550 kg. Se ha puesto un especial cuidado en la limpieza semanal del hueco que queda entre las paredes del recipiente interno y las paredes externas del lisímetro, para que éste tuviera un movimiento vertical libre, ya que cualquier roce externo provocará un error de pesada La pradera del lisímetro de referencia y de su parcela de protección (Festuca arundinacea) se ha segado cada 15 días aproximadamente, para mantenerla entre 8-15 cm de altura. ESTACIÓN DE LISIMETRÍA Instituto Técnico Agronómico Provincia Finca: Las Tiesas

,40

100

Ensayos RDC

10

Lisímetro herbáceos

100,00

10

0,1

10

0

Lisímetro leñosos

Ensayos de RDC en viña (espaldera)

,1 0 100 ,0 100 0

99,90 Ensayos RDC

Colección variedades de 99,90viña (espaldera)

100,00

10 0 ,3 100 0 ,40 100 ,50 100 ,60 100 ,70 100,8 0

100, 20

Estación agrometeorológica

Colección variedades de viña (espaldera)

0

0,2

Lisímetro referencia

30 0,

100,90 101,00

101,10

Ensayos de RDC en viña (vaso)

101,20

101,30

Fig. 4.8.

Colección variedades de viña (vaso)

Plano de distribución de los lisímetros y ensayos. Estación de Lisimetría.

255

Periódicamente, se ha hecho una revisión general de la instalación eléctrica, tanto del circuito, como de las baterías del datalogger. También se ha comprobado el correcto funcionamiento de la toma de tierra del sistema. Los sensores de temperatura y humedad de suelo (TDR), se han calibrado en el laboratorio una vez concluida la campaña de riegos (en otoño), para sustituir en ese momento todos aquellos en los que se detecta alguna anomalía. Para el correcto funcionamiento de los sensores de medida, de los que consta la estación meteorológica, se han realizado una serie de tareas de mantenimiento entre las que se incluye la limpieza de la malla del fondo del colector del pluviómetro cada 15 días. Los sensores de humedad relativa y temperatura del aire, y los de velocidad y dirección del viento, se han calibrado en el laboratorio al final de cada campaña. Las cúpulas de vidrio de los radiómetros, se limpian con agua destilada cada dos ó tres días, y se cambia el gel de sílice todos los meses. Los radiómetros se han calibrado por un equipo de expertos especializados en este tipo de trabajos En cuanto a los datos generados en la estación de lisimetría, se han recogido tres veces por semana. Los cuatro datalogger se descargan manualmente desde el PC situado en la caseta de control, generándose sus archivos correspondientes. Éstos se importan a una base de datos dispuesta al efecto, desde la cual son validados todos aquellos en los que se encuentra significación suficiente. Además de estas tareas de mantenimiento se han llevado a cabo una serie de trabajos con el fin de mejorar el funcionamiento de la estación. Se ha instalado un sistema de drenaje y bombeo para evacuar el agua drenada en los lisímetros fuera de la estación. Se ha nivelado el terreno para evitar inundaciones en el lisímetro de la viña colocado en una zona baja. La colocación de una goma flexible ha protegido el hueco dejado entre las paredes internas y las externas del lisímetro, de tal manera que no se vea afectado el movimiento vertical libre del recipiente del mismo. 5.3. SISTEMA EXPERTO PARA LA DEPURACIÓN DE DATOS OBTENIDOS Entre los elementos que hacen compleja una estación experimental como es la estación lisimétrica de Las Tiesas destacan aquellos aspectos referentes a la gran producción de datos, su registro, almacenamiento en bruto, pre-procesado para depuración y almacenamiento final para análisis posterior. Asimismo la experiencia adquirida en los años de funcionamiento, ha puesto de manifiesto claramente el hecho, por otro lado bastante obvio, de que el buen funcionamiento de la estación requiere del control y análisis de los datos que proporciona, prácticamente en tiempo real. De esta forma es posible detectar anomalías en su funcionamiento y proceder a su corrección. Los sistemas de medida y adquisición de datos de los diferentes componentes de la estación descritos anteriormente, vuelcan los datos de las variables que miden en cinco datalogger (tres lisímetros más dos estaciones meteorológicas). La mayor parte de los componentes proporcionan los datos con una periodicidad de 1 s. Los datalogger registran en su memoria cíclica datos promedio cada 15 minutos. A partir de estos datos promedio cuartohorarios se construyen los datos horarios y diarios de las variables medidas. La autonomía de los datalogger se encuentra entre 15 días y 1 mes. Los datos 256

registrados en los datalogger se descargan vía modem a un disco central, directamente en los formatos (.txt) en que se han registrado, lo que permite el funcionamiento ininterrumpido de la estación. Dado que ésta proporciona la medida de muchas magnitudes físicas es necesario focalizar la atención sobre aquellas que se consideran fundamentales para el buen funcionamiento de la misma. Así, se han entendido como tales, aquellos parámetros o variables que intervienen con gran peso en la consecución de los objetivos que se pretende obtener. Entre ellos se encuentran: las pesadas de los lisímetros y aquellas magnitudes que contribuyen a la estimación de la evapotranspiración de referencia ET0, de acuerdo con la ecuación FAO-Penman-Monteith (Allen et al., 1998), la más utilizada por nosotros, tales como: Radiación neta (onda corta y onda larga), Temperatura del aire, Velocidad del viento, Humedad y Flujo de calor en suelo. Sobre las variables meteorológicas se han llevado a cabo análisis de sensibilidad en relación con su peso en la estimación de la ET0. Para un mejor funcionamiento de la estación se ha elaborado un protocolo de adquisición de datos y mantenimiento, en el que se considera, por un lado, la rutina a seguir en la adquisición de éstos. En el mismo se contempla la periodicidad de recogida de los datos almacenados en los datalogger, tres veces a la semana es la considerada como óptima; también se contempla el procedimiento de recogida de la información con los diferentes mecanismos de comprobación de los datos fundamentales, tales como son las lecturas de pesada de los lisímetros. Por otro lado se consideran en dicho protocolo las labores básicas de mantenimiento de la estación en la que se recoge el calibrado periódico de los sensores. Como un paso intermedio se recomienda también la intercomparación in-situ con otros instrumentos. Dado que es preciso el control y análisis de los datos se ha procedido al análisis, diseño e implementación de lo que hemos dado en denominar «sistema experto de depuración de datos». Nuestro «sistema experto» ha de ser capaz de proporcionarnos, además de una base de datos que contenga los datos brutos, otra base de datos que sea fácilmente accesible, y que contenga los datos de las diferentes variables adecuadamente depurados, para su utilización en análisis posteriores. La depuración persigue que los datos finales sean fiables, con ausencia de errores de funcionamiento. Conceptualmente hemos separado el sistema en dos fases: La primera es una fase automatizada que realiza las siguientes tareas: Conversión de formato e integración de datos brutos en una base de datos potente y fácilmente manejable como es Access. Detección de errores groseros, de tal forma que detecte automáticamente aquellos valores erróneos de las variables debidos a mal funcionamiento de los sensores o del procedimiento de registro. La detección incluye el momento en que se han producido esos valores. Representación gráfica de la secuencia temporal de la variable seleccionada, lo que va a permitir una primera inspección visual de los valores de dicha variable. Para esta primera fase se ha desarrollado un programa informático. Las utilidades que proporciona están expresadas de forma clara para que su manejo sea intuitivo y sencillo. Este programa de integración de datos-detección de errores-visualización gráfica se está usando satisfactoriamente. 257

La segunda fase es la depuración propiamente dicha. Consiste en eliminar los errores groseros detectados en la fase anterior y sustituirlos, cuando sea estadísticamente posible y la magnitud así lo permita, por valores interpolados. El abordar esta fase ha supuesto: Identificar los rangos de medida considerados «normales» así como la oscilación en el tiempo de las diferentes variables fundamentales consideradas anteriormente. Analizar la posibilidad de realizar una depuración automatizada fiable y robusta en función de los rangos y variabilidad considerados. En todas las variables analizadas se han encontrado rangos «normales» muy amplios, junto con la aparición de discontinuidades también «normales» debidas a un gran conjunto de causas. La casuística analizada es muy amplia. Estos argumentos nos han llevado a considerar que automatizar la depuración de datos, ya sin errores groseros, conllevaba un bajo nivel de fiabilidad dadas las características de variabilidad, junto con un elevado coste de realización del programa informático que se tendría que realizar con este objetivo. Asimismo la posibilidad de interpolar cuando la magnitud y la importancia del error así lo hicieran aconsejable, quedaba todavía en niveles más bajos de fiabilidad en un programa informático con un coste asumible. Por todo ello se ha considerado, que la opción más efectiva para la depuración de los datos consiste en la inspección visual de la secuencia temporal por un «intérprete». Este intérprete ha de estar entrenado en las características de las magnitudes físicas que mide la estación. Las tareas del intérprete consisten en: Supervisión de la creación de la base de datos en bruto. Supervisión de la fase automatizada de detección-visualización de errores groseros. Toma de decisiones para restaurar el buen funcionamiento de la estación. Inspección visual y análisis de la representación gráfica de la secuencia temporal. El análisis comporta la incorporación de la información de los diferentes elementos que componen la secuencia temporal a fin de que permita interpretarla adecuadamente. Por ejemplo en el caso de la pesada del lisímetro incorporar a la secuencia los momentos en que se ha aportado agua o se han realizado tareas de mantenimiento. Interpolación de datos cuando las características de los errores groseros y las de la variable que se considere lo hagan posible. Creación de la base de datos depurada para su utilización posterior. Comprobaciones de sensores, sistemas de registro y comunicaciones de la estación. Intercomparación rutinaria con otros equipos. Seguimiento de calibrado. Comprobación de medidas con otras estimadas mediante ecuaciones, etc. 5.4.

RESULTADOS

Como hemos indicado anteriormente, en la Estación Lisimétrica se han llevado a cabo diferentes trabajos experimentales (López Urrea, 2004). En el momento de redactar este texto están finalizados los correspondientes al trienio 2000-2002. A continuación presentamos una síntesis de los que consideramos más ilustrativos para la mejor comprensión de las posibilidades que ofrece esta instalación. 258

5.4.1. Valores de ET0 obtenidos por diferentes fórmulas empíricas. Correlación entre las distintas series de datos Durante el periodo indicado se han estimado los valores diarios de ET0 por diferentes métodos (Penman-Monteith, FAO-Jensen, Penman-FAO, Penman, Blaney-Criddle, Radiación y Hargreaves), utilizándose los datos climáticos proporcionados por la estación agrometeorológica más completa, a la que hemos hecho referencia anteriormente. De este modo, se dispone de una amplia serie de valores diarios: 350 en el año 2000, 305 en el año 2001 y 344 en el año 2002, lo que supone un total de 999 estimaciones de ET0 por los distintos métodos estudiados. FAO-Jensen

9

B

6

ET0 (mm día–1)

6 3

sep-02

12 9

D

6 3 sep-02

may-02

ene-02

sep-01

may-01

ene-01

ene-00

sep-02

ene-02

may-02

sep-01

may-01

ene-01

sep-00

ene-00

may-00

sep-00

0 may-00

Fecha Radiación

Blaney-Criddle ET0 (mm día–1)

15 12 9 6 3

15 12 9

F

6 3 sep-02

may-02

ene-02

sep-01

ene-01

sep-00

ene-00

sep-02

may-02

ene-02

sep-01

may-01

ene-01

sep-00

may-00

ene-00

may-00

0

0

may-01

ET0 (mm día–1)

12 9

15

Fecha

ET0 (mm día–1)

may-02

Penman

15

0

E

ene-02

Fecha

Penman-FAO

C

sep-01

ene-01

Fecha

may-01

sep-00

3 0

sep-02

ene-02

may-02

sep-01

may-01

ene-01

sep-00

0

ene-00

3

12

ene-00

6

15

may-00

ET0 (mm día–1)

12 9

may-00

A

ET0 (mm día–1)

Penman-Monteith 15

Fecha

Fecha

12 9 6 3

Fecha

sep-02

may-02

ene-02

sep-01

may-01

ene-01

sep-00

ene-00

0 may-00

G

ET0 (mm día–1)

Hargreaves 15

Fig. 4.9. Evolución de las estimaciones diarias de ET0 por diferentes métodos, a lo largo de los años 2000, 2001 y 2002.

259

En la figura 4.9 se han representado los valores estimados de flujo de calor latente diarios por diferentes métodos, siendo su evolución similar a lo largo de los tres años de duración del trabajo experimental. Alcanzándose los valores máximos en los meses de julio y agosto, mientras que los meses de enero y diciembre son los de una menor demanda evaporativa. En la figura 4.9(A) se puede observar que la ET0 calculada por Penman-Monteith alcanza valores de hasta 10 mm día–1 en la época de máxima demanda evaporativa, mientras que en los meses de enero y febrero los valores oscilan entre 0,5-2 mm día–1 aproximadamente. El promedio de los tres años estudiados ha sido de 3,86 mm día–1. En el caso de las ET0 calculadas por el método de FAO-Jensen figura 4.9(B), en los años 2000 y 2002 se sobrepasan los 12 mm día–1 en algunos días de máxima demanda evaporativa. La media del periodo analizado es de 4,52 mm día–1. En la figura 4.9(C) se puede ver que las estimaciones del método de Penman-FAO también sobrepasan los 12 mm día–1, en algunos días de los meses de máxima demanda durante los años 2000 y 2002, siendo el promedio para los tres años de 4,74 mm día–1, muy similar al método de FAO-Jensen. El valor promedio de la ET0 estimada por el método original de Penman, figura 4.9 (D), es de 2,33 mm día–1, muy por debajo del resto de métodos. Los valores máximos son de 6 mm día–1 aproximadamente. Las estimaciones realizadas por el método de Blaney-Criddle, figura 4.9 (E), son muy elevadas en épocas de baja demanda evaporativa, con un valor medio de 4 mm día–1 aproximadamente. El promedio para los tres años estudiados ha sido de 6 mm día–1. Estas estimaciones han sido las más altas de los siete métodos estudiados. Las ET0 calculadas por los métodos de Radiación figura 4.9(F) y de Hargreaves figura 4.9(G) tienen valores y una evolución muy similar a las estimadas por PenmanMonteith, con un valor promedio para los tres años de 3,96 y 3,73 mm día–1, respectivamente. En la tabla 4.1 se presentan las diferentes correlaciones obtenidas entre los siete métodos de cálculo de la ET0 estudiados. Tabla 4.1. Matriz de correlaciones para los diferentes métodos de estimación de la ET0 Penman-Monteith FAO-Jensen Penman-FAO Penman Blaney-Criddle Radiación Hargreaves

Penman-Monteith

FAO-Jensen

Penman-FAO

Penman

Blaney-Criddle

Radiación

Hargreaves

1 ** ** ** ** ** **

0,96 1 ** ** ** ** **

0,97 1,00 1 ** ** ** **

0,94 0,97 0,97 1 ** ** **

0,93 0,87 0,88 0,86 1 ** **

0,93 0,93 0,94 0,95 0,98 1 **

0,92 0,88 0,89 0,90 0,94 0,94 1

** altamente significativo (P < 0,01).

Todas las correlaciones obtenidas han sido altamente significativas, con unos valores de coeficiente de correlación (r) muy elevados, que oscilan entre 0,86 y 1. La correlación del método de Penman-Monteith con el resto es superior a 0,9 en todos los casos. También hay que destacar la perfecta correlación existente entre los métodos de FAO-Jensen y Penman-FAO. 260

Allen et al. (1998) recomiendan la utilización del método de Penman-Monteith para obtener las estimaciones diarias de la evapotranspiración de referencia, por ser el que mejor se adapta a una amplia gama de regiones y zonas climáticas de todo el mundo. Por este motivo se han comparado los valores diarios de la ET0 calculados por Penman-Monteith con las estimaciones obtenidas por el resto de métodos descritos.

9 6 y = 1,26x – 0,36 R2 = 0,91

3 0 0

3 6 9 12 ET0 Penman-Monteith (mm día –1)

15

C 10 8 6 4 2

y = 1,59x + 0,07 R2 = 0,89

0 0

2 4 6 8 ET0 Penman-Monteith (mm día –1)

10

E

14 12 10 8 6 4 2 0

y = 1,09x – 0,25 R2 = 0,87 0

2

4

6

8

10

12

ET0 Penman-Monteith (mm día –1)

Fig. 4.10.

14

ET0 Penman-FAO (mm día–1)

12

B 15 12 9 6 y = 1,26x – 0,13 R2 = 0,94

3 0 0

ET0 Blaney-Criddle (mm día–1)

A 15

14 12 10 8 6 4 2 0

ET0 Hargreaves (mm día–1)

ET0 Radiación (mm día–1)

ET0 Penman (mm día–1)

ET0 FAO-Jensen (mm día–1)

La figura 4.10 presenta los gráficos de las regresiones de los valores de ET0 estimados por diferentes métodos sobre los calculados por Penman-Monteih. Los métodos de Hargreaves y Radiación son los que mejor se relacionan con Penman-Monteith, aunque el primero produce una ligera subestimación para valores superiores a 6 mm día–1, mientras que el segundo a partir de este valor produce una sobrestimación muy pequeña. Los métodos de FAO-Jensen, Penman-FAO y principalmente Blaney-Criddle sobrestiman los valores de ET0, mientras el método original de Penman produce subestimaciones importantes durante todo el periodo estudiado.

14 12 10 8 6 4 2 0

3 6 9 12 ET 0 Penman-Monteith (mm día –1)

15

D

y = 0,96x + 2,30 R2 = 0,86 0

2 4 6 8 10 12 ET 0 Penman-Monteith (mm día –1)

14

F

y = 0,95x + 0,08 R 2 = 0,84 0

2 4 6 8 10 12 ET 0 Penman-Monteith (mm día –1)

14

Comparación entre los valores de ET0 calculados por Penman-Monteith y los estimados por otros métodos.

En la tabla 4.2 se presenta el resultado de la comparación de seis métodos de estimación de la ET0 media diaria con Penman-Monteith, mediante análisis de regresión simple entre los valores estimados por los diferentes métodos y los calculados por Pen-

261

man-Monteith, con indicación del cálculo de errores y del índice de similitud. Los diferentes métodos de estimación se han tomado como variables dependientes y el de Penman-Monteith como variable independiente. Tabla 4.2. Comparación de distintos métodos de estimación de la ET0 media diaria con el de Penman-Monteith. Análisis de regresión de los valores estimados por diferentes métodos sobre los calculados por Penman-Monteith Método de estimación

FAO-Jensen Penman-FAO Penman Blaney-Criddle Radiación Hargreaves

N

Omed (mm día–1)

Pmed (mm día–1)

999 999 999 999 999 999

3,86 3,86 3,86 3,86 3,86 3,86

4,52 4,74 2,33 6,00 3,96 3,73

A B R2 Pmed/Omed (mm día–1) (%) ET0 (est) = A + B · ET0 (PM)

117 123 60 155 103 97

–0,36 –0,13 0,07 2,30 –0,25 0,08

1,26 1,26 0,59 0,96 1,09 0,95

0,91 0,94 0,89 0,86 0,87 0,84

RMSE (mm día–1)

ER (%)

IS

1,28 1,32 1,87 2,32 1,00 0,97

33,22 34,22 48,50 60,16 25,96 25,08

0,94 0,94 0,79 0,80 0,96 0,96

N: número de observaciones; Omed: media de los valores calculados por Penman-Monteith; Pmed: media de los valores estimados por otros métodos; A: ordenada en el origen; B: coeficiente de regresión; R2: coeficiente de determinación; RMSE: raíz cuadrada del error cuadrático medio; ER: error relativo (RMSE/Omed); IS: índice de similitud.

Los valores de A, B y R2 han resultado altamente significativos (P < 0,01) en todos los casos. Los métodos de FAO-Jensen y Penman-FAO sobrestiman los valores de ET0, un 17 y 23 % respectivamente, con unos RMSE de 1,3 mm día–1 aproximadamente, equivalentes a un errores relativos por encima del 30% en ambos casos. Los métodos que mejor comportamiento presentan son los de Radiación y Hargreaves, el primero sobrestima y el segundo subestima, pero de forma muy suave (sólo un 3% en cada caso), con unos RMSE de 1 mm día–1, lo que supuso errores relativos del 25% en ambos casos. El método de Penman subestima de forma importante la ET0, con un RMSE de casi 2 mm día–1, equivalente a un error relativo cercano al 50%. El método de Blaney-Criddle produce las mayores sobrestimaciones, presentando los valores de RMSE y ER más elevados. En todos los casos se obtienen unos buenos coeficientes de determinación, con valores superiores de 0,84. 5.4.2. Resultados obtenidos de la medida directa de la ET0 diaria en el lisímetro, durante las campañas de los años 2000, 2001 y 2002 Durante los mismos tres años considerados anteriormente se ha medido la evapotranspiración de referencia diaria, utilizando el lisímetro de pesada continua con lectura electrónica. Se dispone de tres series de datos correspondientes a cada uno de los años en los que se ha realizado el experimento. De este modo, tenemos 55 valores del año 2000, 57 del año 2001 y 128 del año 2002, lo que supone un total de 240 medidas de ET0 diarias. Son muy diversas las causas que producen datos erróneos, debido a que cualquier carga colocada sobre la superficie del lisímetro afecta a su masa. Se han tenido que eliminar las medidas del lisímetro afectadas por el riego, la precipitación y la siega de la pradera. 262

El motivo por el que en el año 2002 se dispone de una mayor serie de datos, es debido a que se dieron riegos nocturnos de dos horas, prescindiendo sólo de los registros generados en esas horas, cuando la demanda evaporativa es muy pequeña e incluso cero. De este modo, la medida de la ET0 diaria no se ha visto afectada por el riego. También existen otras causas que han provocado la eliminación de determinados registros, éstas son: comprobaciones periódicas de peso, caídas de tensión en el sistema, rotura de la toma de tierra, calibraciones por rotura de la célula de carga y averías en los datalogger. En la figura 4.11 se han representado los valores medidos en el lisímetro de flujo de calor latente diarios, siendo su evolución similar durante los tres años que ha durado el trabajo experimental. Se han alcanzado los valores máximos en los meses de julio y agosto (máxima demanda evaporativa), mientras que los meses de enero y diciembre son los de una menor demanda evaporativa. Las ET0 medidas toman valores próximos a 10 mm día–1 en la época de máxima demanda evaporativa, mientras que en los meses de invierno los valores oscilan entre 0,5-3 mm día–1 aproximadamente. El promedio de los tres años estudiados es de 3,36 mm día–1. En el año 2002 se han llegado a valores superiores en los meses de verano, que en los dos años anteriores.

12/11/2002

12/09/2002

12/07/2002

12/05/2002

12/03/2002

12/01/2002

12/11/2001

12/09/2001

12/07/2001

12/05/2001

12/03/2001

12/01/2001

12/11/2000

12/09/2000

12/07/2000

12/05/2000

12/03/2000

10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00

12/01/2000

ET0 (mm día–1)

ET0 medidas en el lisímetro

Fecha

Fig. 4.11.

Evolución de las medidas diarias de ET0 realizadas en el lisímetro, a lo largo de los años 2000, 2001 y 2002.

5.4.3. Comparación entre los valores diarios de ET0 medidos y los calculados. Análisis de regresión y correlación entre las distintas series de datos De las 240 medidas realizadas en el lisímetro se han tenido que eliminar 25 valores, correspondientes a determinados días en los que no se disponía de la ET0 estimada por los diferentes métodos. De este modo, la comparación entre las medidas del lisímetro y las ET0 calculadas se ha hecho a partir de 215 observaciones. 263

En la tabla 4.3 se puede ver el grado de relación lineal existente entre los valores diarios de flujo de calor latente, calculados por diferentes métodos y medidos en el lisímetro. Todas las correlaciones obtenidas han sido altamente significativas, con unos valores de coeficiente de correlación (r) muy altos, que han variado entre 0,89 y 1. Las correlaciones entre las medidas del lisímetro y las diferentes estimaciones realizadas han sido muy buenas en todos los casos, pero destaca el valor de r obtenido con Penman-Monteith (0,95). Tabla 4.3. Matriz de correlaciones para los valores de ET0 medidos en el lisímetro y estimados por diferentes métodos Lisímetro

Lisímetro Penman-Monteith FAO-Jensen Penman-FAO Penman Blaney-Criddle Radiación Hargreaves

Penman-Monteith FAO-Jensen Penman-FAO Penman

1 ** ** ** ** ** ** **

0,95 1 ** ** ** ** ** **

0,93 0,97 1 ** ** ** ** **

0,94 0,98 1,00 1 ** ** ** **

Blaney-Criddle

0,93 0,96 0,98 0,98 1 ** ** **

Radiación Hargreaves

0,91 0,93 0,89 0,90 0,89 1 ** **

0,91 0,94 0,94 0,95 0,95 0,90 1 **

0,92 0,93 0,90 0,91 0,92 0,94 0,96 1

** altamente significativo (P < 0,01).

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

12-01-00 12-03-00 12-05-00 12-07-00 12-09-00 12-11-00 12-01-01 12-03-01 12-05-01 12-07-01 12-09-01 12-11-01 12-01-02 12-03-02 12-05-02 12-07-02 12-09-02 12-11-02

ET0 (mm día–1)

A

Fecha

Fig. 4.12.

264

ET0 Penman-Monteith (mm día–1)

En la figura 4.12(A) se han representado los valores de ET0 medidos en el lisímetro y las estimaciones obtenidas por Penman-Monteith para el periodo estudiado. Se puede ver que siguen una evolución similar a lo largo de los tres años. Prácticamente se superpone una línea sobre otra, lo que nos indica la buena relación existente entre ambos. La figura 4.12(B) presenta la regresión de los valores de ET0 calculados por Penman-Monteith sobre las medidas lisimétricas. Este método produce una pequeña sobrestimación por debajo de 3,5 mm día–1 aproximadamente; entre este valor y 6 mm día–1 la pendiente de la recta es 1 y tangente a la bisectriz, lo que nos indica el perfecto comportamiento del método de Penman-Monteith en este intervalo. Por encima de 6 mm día–1 subestima las medidas obtenidas en el lisímetro; este hecho concuerda con el trabajo realizado por Mantovani (1993) en Córdoba (España), donde este método subestimó los valores de la ET 0 , principalmente durante los periodos de mayor demanda evaporativa. B 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

y = 0,91x + 0,43 2 R = 0,91 0

1

2

3

4

5

6

7

8

ET0 medida en el lisímetro (mm día–1)

Lisímetro Penman-Monteith

Comparación entre los valores de ET0 medidos en el lisímetro y los calculados por Penman-Monteith.

9

10

La figura 4.13 presenta la comparación entre las medidas lisimétricas y las estimaciones obtenidas por el método de FAO-Jensen. Éste produce una sobrestimación importante a lo largo de los tres años estudiados. Los resultados obtenidos en otros trabajos anteriores (Allen et al., 1989; Jensen et al., 1990; Gavilán, 2002) también presentaron sobrestimaciones importantes (12-25%), muy similares a las alcanzadas por nosotros.

Fecha

Fig. 4.13.

ET0 FAO-Jensen (mm día–1)

B

12-01-00 12-03-00 12-05-00 12-07-00 12-09-00 12-11-00 12-01-01 12-03-01 12-05-01 12-07-01 12-09-01 12-11-01 12-01-02 12-03-02 12-05-02 12-07-02 12-09-02 12-11-02

ET0 (mm día–1)

A 14 12 10 8 6 4 2 0

14 12 10 8 6 4

y = 1,24x + 0,07 R2 = 0,86

2 0 0

2

4

6

8

10

12

14

ET0 medida en el lisímetro (mm día–1)

Lisímetro FAO-Jensen

Comparación entre los valores de ET0 medidos en el lisímetro y los calculados por FAO-Jensen.

El método de Penman-FAO se comporta igual que el de FAO-Jensen, dando lugar a sobrestimaciones muy importantes a lo largo de todo el periodo estudiado. Esto es lógico, ya que ambos métodos utilizan la ecuación de Penman modificada por la FAO (Doorenbos y Pruitt, 1977) y sólo se diferencian en el factor de ajuste (c). El método de FAO-Jensen utiliza el factor de ajuste dado por Doorenbos y Pruitt (1977), desarrollado posteriormente por Allen y Pruitt (1991), mientras que el método de Penman-FAO utiliza la ecuación c dada por Frevert et al. (1983). La comparación entre las medidas lisimétricas y el método de Penman-FAO se presenta en los gráficos de la figura 4.14.

Fecha

Fig. 4.14.

ET0 Penman-FAO (mm día–1)

B

12-01-00 12-03-00 12-05-00 12-07-00 12-09-00 12-11-00 12-01-01 12-03-01 12-05-01 12-07-01 12-09-01 12-11-01 12-01-02 12-03-02 12-05-02 12-07-02 12-09-02 12-11-02

ET0 (mm día–1)

A 14 12 10 8 6 4 2 0

14 12 10 8 6 4

y = 1,22x + 0,32 R2 = 0,87

2 0 0

2

4

6

8

10

ET0 medida en el lisímetro (mm

12

14

día–1)

Lisímetro Penman-FAO

Comparación entre los valores de ET0 medidos en el lisímetro y los calculados por Penman-FAO.

El método original de Penman subestima de forma importante (un 34%) las medidas del lisímetro, durante los tres años analizados. Según Jensen et al. (1990) utilizando este método se puede llegar a subestimaciones mínimas en climas áridos. La figura 4.15 presenta la comparación entre los valores de ET0 medidos en el lisímetro y los calculados por el método original de Penman. 265

Fecha

Fig. 4.15.

ET0 Penman (mm día–1)

B

12-01-00 12-03-00 12-05-00 12-07-00 12-09-00 12-11-00 12-01-01 12-03-01 12-05-01 12-07-01 12-09-01 12-11-01 12-01-02 12-03-02 12-05-02 12-07-02 12-09-02 12-11-02

ET0 (mm día–1)

A 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

y = 0,59x + 0,25 R2 = 0,86 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ET0 medida en el lisímetro (mm día–1)

Lisímetro Penman

Comparación entre los valores de ET0 medidos en el lisímetro y los calculados por el método original de Penman.

La comparación entre las ET0 estimadas por el método de Blaney-Cridddle y las medidas en el lisímetro se puede ver en los gráficos de la figura 4.16. Este método también ha sobrestimado (más del 60%) las medidas lisimétricas. En otros trabajos de investigación (Jensen et al., 1990; Gavilán, 2002), este método también produjo sobrestimaciones, aunque no fueron tan importantes. B

ET0 (mm día–1)

10 8 6 4 2 12-01-00 12-03-00 12-05-00 12-07-00 12-09-00 12-11-00 12-01-01 12-03-01 12-05-01 12-07-01 12-09-01 12-11-01 12-01-02 12-03-02 12-05-02 12-07-02 12-09-02 12-11-02

0

Fecha

Fig. 4.16.

ET0 Blaney-Criddle (mm día–1)

A 12

12 10 8 6 4

y = 0,85x + 2,74 R2 = 0,83

2 0 0

2

4

6

8

10

12

ET0 medida en el lisímetro (mm día –1)

Lisímetro Blaney-Criddle

Comparación entre los valores de ET0 medidos en el lisímetro y los calculados por el método de Blaney-Criddle.

La figura 4.17 presenta los gráficos donde se relacionan las medidas lisimétricas con las estimaciones diarias realizadas por el método de la Radiación. Este método sobrestima ligeramente (un 8%) las ET0 medidas durante todo el periodo estudiado, existiendo una buena relación entre ambos. Estos resultados son muy similares a los obtenidos por Jensen et al. (1990) para zonas áridas. En los trabajos realizados en Córdoba (España) por Mantovani (1993) y Gavilán (2002), las sobrestimaciones fueron de un 2 y un 13% respectivamente La figura 4.18 presenta los gráficos donde se relacionan las medidas del lisímetro de ET0 diarias con las estimaciones realizadas por el método de Hargreaves. Este método sobrestima las medidas para ET0 por debajo de 2 mm día–1, entre 2 y 3,5 mm día–1 aproximadamente la pendiente de la recta de regresión es 1 y tangente a la bisec266

A

B

8 6 4 2 0

Fecha

Fig. 4.17.

ET0 Radiación (mm día–1)

10

12-01-00 12-03-00 12-05-00 12-07-00 12-09-00 12-11-00 12-01-01 12-03-01 12-05-01 12-07-01 12-09-01 12-11-01 12-01-02 12-03-02 12-05-02 12-07-02 12-09-02 12-11-02

ET0 (mm día–1)

12

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

y = x + 0,26 R2 = 0,83 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ET0 medida en el lisímetro (mm día –1)

Lisímetro Radiación

Comparación entre los valores de ET0 medidos en el lisímetro y los calculados por el método de la Radiación.

triz, lo que indica un perfecto comportamiento del método de Hargreaves para este intervalo de valores, mientras que por encima de 3,5 mm día–1 subestima las medidas lisimétricas. En general da lugar a subestimaciones del 3%, similares a las obtenidas por Mantovani (1993), e inferiores a las alcanzadas en los trabajos de Jensen et al. (1990) y Gavilán (2002). Hay que destacar el buen comportamiento que presenta este método, tratándose de una ecuación muy sencilla, que sólo requiere medir la temperatura máxima, mínima y media del aire. B

8 6 4 2 0

12-01-00 12-03-00 12-05-00 12-07-00 12-09-00 12-11-00 12-01-01 12-03-01 12-05-01 12-07-01 12-09-01 12-11-01 12-01-02 12-03-02 12-05-02 12-07-02 12-09-02 12-11-02

ET0 (mm día–1)

10

Fecha

Fig. 4.18.

ET0 Hargreaves (mm día–1)

A 12

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

y = 0,88x + 0,30 R2 = 0,84 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ET 0 medida en el lisímetro (mm día–1)

Lisímetro Hargreaves

Comparación entre los valores de ET0 medidos en el lisímetro y los calculados por el método de Hargreaves.

En la tabla 4.4 se presenta el resultado de la comparación de las ET0 diarias medidas en el lisímetro con las estimaciones obtenidas por siete métodos diferentes, mediante análisis de regresión simple entre los valores calculados por distintos métodos y las medidas lisimétricas, con indicación del cálculo de errores y del índice de similitud. Se han tomado como variables dependientes los siete métodos de estimación y las medidas hechas en el lisímetro como variable independiente. Los valores de A, B y R2 han resultado ser altamente significativos (P<0,01) en todos los casos. 267

Tabla 4.4. Evaluación de distintos métodos de cálculo de la ET0 media diaria. Análisis de regresión de los valores estimados sobre los medidos en el lisímetro Método de estimación

Penman-Monteith FAO-Jensen Penman-FAO Penman Blaney-Criddle Radiación Hargreaves

N

Omed (mm día–1)

Pmed (mm día–1)

215 215 215 215 215 215 215

3,52 3,52 3,52 3,52 3,52 3,52 3,52

3,63 4,43 4,61 2,31 5,73 3,79 3,41

A B R2 Pmed/Omed (mm día–1) (%) ET0 (est) = A + B · ET0 (PM)

103 126 131 66 163 108 97

0,43 0,07 0,32 0,25 2,74 0,26 0,30

0,91 1,24 1,22 0,59 0,85 1,00 0,88

0,91 0,86 0,87 0,86 0,83 0,83 0,84

RMSE (mm día–1)

ER (%)

IS

0,67 1,54 1,58 1,60 2,39 1,04 0,90

19,17 43,81 44,97 45,39 68,00 29,49 25,60

0,98 0,91 0,91 0,82 0,75 0,95 0,96

N: número de observaciones; Omed: media de los valores medidos en el lisímetro; Pmed: media de los valores estimados por diferentes métodos; A: ordenada en el origen; B: coeficiente de regresión; R2: coeficiente de determinación; RMSE: raíz cuadrada del error cuadrático medio; ER: error relativo; IS: índice de similitud.

El método de Penman-Monteith es el que mejor comportamiento presenta, aunque produce una ligera sobrestimación (sólo un 3%), con un RMSE de 0,67 mm día–1, lo que equivale a un error relativo por debajo del 20%; presenta un coeficiente de determinación (R2) por encima de 0,9 y un índice de similitud próximo a la unidad. Los métodos de FAO-Jensen y Penman-FAO sobrestiman de forma importante los valores de ET0, alrededor del 30% en ambos casos, con unos RMSE de 1,5 mm día–1 aproximadamente, lo que equivale a errores relativos superiores al 40%. El método de Penman subestima en gran medida los valores de ET0 diarios durante todo el periodo estudiado, con un RMSE de 1,60 mm día–1, lo que equivale a un error relativo superior al 40%. El método de Blaney-Criddle es el que peor comportamiento presenta, debido a las enormes sobrestimaciones que presenta, con un RMSE de más de 2 mm día–1, equivalente a un error relativo cercano al 70%. El método de la Radiación sólo sobrestimó las medidas lisimétricas un 8%, con un RMSE de 1,04 mm día–1, equivalente a un error relativo de casi el 30%. Hay que destacar el valor de la ordenada en el origen (A), que es el más pequeño y la pendiente (B), cuyo valor es 1. Este método ha presentado un muy buen comportamiento, tras los de Penman-Monteith y Hargreaves. Después de Penman-Monteith el mejor comportamiento lo presenta el método de Hargreaves. Éste ha dado lugar a una ligera subestimación (un 3%), presenta el segundo valor más bajo de RMSE (0,9 mm día–1), lo que supone un error relativo del 25% aproximadamente. En todos los casos se obtienen unos buenos coeficientes de determinación (R2), con valores por encima de 0,8. Los métodos de FAO-Jensen, Penman-FAO y especialmente Blaney-Criddle, se ven limitados por sus altas sobrestimaciones y el de Penman por sus importantes subestimaciones.

6.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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270

CAPÍTULO V

Eficiencia en el uso del agua

Francisco Martín de Santa Olalla Mañas José Fernando Ortega Álvarez Ramón López Urrea

1.

Introducción.

2.

Componentes de la eficiencia global de riego.

3.

Análisis de la eficiencia agronómica del agua (WUE).

4.

Algunas experiencia de WUE de rendimiento. 4.1. Introducción. 4.2. Diseño de los experimentos. 4.3. Experimento de WUE de rendimiento en trigo. 4.4. Experimento de WUE de rendimiento en kenaf.

5.

La eficiencia del agua en el secano.

6.

Referencias bibliográficas.

1.

INTRODUCCIÓN

El incremento de la demanda de agua para usos agrícolas, y lo limitado del recurso, conduce, sin remedio, a la conclusión de que la agricultura tiene que ser eficiente en su uso, cuando además se trata, como sabemos, de la mayor consumidora de este recurso. Sobre el concepto de eficiencia se ha escrito quizá más que sobre ningún otro al tratar del uso del agua en la agricultura. Lo que queremos indicar, cuando utilizamos la expresión «uso eficiente del agua en la agricultura», puede comprenderse intuitivamente; el término se hace complejo cuando se intenta profundizar y engloba muy diversas acepciones que se usan, con frecuencia, de forma inapropiada. En líneas generales, una eficiencia debe medirse en términos de «output» e «input», cuando es posible hacerlo con precisión. En el caso del agua para riego valoraríamos como output la que se extrae de su punto de almacenamiento, y como input la que se pone a disposición de las raíces de las plantas. Ambas magnitudes pueden ser medidas y obtendríamos, a partir de ellas, una eficiencia global de riego (Eg), que incluiría la que se refiere a los procesos de captación, el transporte, el almacenamiento, la distribución y la aplicación. Su valor puede oscilar evidentemente entre 0 y 1; por desgracia, en algunos sistemas, no supera el valor de 0,25 (Luján, 1992). Es decir, en estos casos, las tres cuartas partes del agua que sale de los embalses no se pone efectivamente a disposición de las raíces. En un sistema bien diseñado este valor debe superar el 0,8. Esta eficiencia recibe a veces otras denominaciones, que en realidad corresponden a la de algunos de los componentes que engloba. Más adelante analizaremos la naturaleza de los mismos y los valores de su eficiencia específica. En la literatura internacional se expresa en ocasiones como: «Efficient Water-Use» (Steduto, 1996). Efficient Water-Use = e =

Water input Water output

[1]

A partir del momento en que el agua se pone a disposición de las raíces de las plantas comienza un proceso fisiológicamente complejo, en donde el output ya no es el agua sino el CO2 utilizado en el proceso de fotosíntesis, o la biomasa producida, siendo el input la cantidad de agua recibida. Esta eficiencia ha recibido en los textos especializados el nombre de «Water–Use Efficency», WUE, concepto introducido por Viets (1962). Tanner y Sinclair (1983) realizaron un estudio muy completo sobre la eficiencia en el uso del agua en la producción agrícola, revisado posteriormente por Sinclair et al. (1994). 273

Mientras que el primer proceso es esencialmente hidráulico, el segundo es eminentemente fisiológico o, más propiamente dicho, agronómico (Stanhill, 1986). Su valor ya no oscilará entre 0 y 1; es mucho más difícil de acotar, pues se engloba en todo el proceso de crecimiento y desarrollo de la planta. En teoría, no es posible definir un valor máximo que puede alcanzar (Monteith, 1993). A pesar de que contiene una cierta imprecisión, su uso está muy extendido entre los ecofisiólogos y los agrónomos y admite algunas acotaciones interesantes desde el punto de vista aplicativo, que posteriormente analizaremos. Respetaremos la expresión inglesa WUE precisamente por su difusión y aceptación a nivel internacional. En algunos textos en castellano se habla de la eficiencia agronómica del agua. Se trata de dos procesos consecutivos, científica y técnicamente muy diferentes. Ambos inciden en el resultado final de forma muy significativa, pero los caminos que es preciso recorrer para mejorar sus valores, y las técnicas que es necesario aplicar, pertenecen a disciplinas bien diferenciadas. El análisis de las mismas entendemos que debe realizarse por separado, aunque evidentemente una mejora integral de la eficiencia del uso del agua en el regadío debe de comprender actuaciones sobre ambos parámetros.

2.

COMPONENTES DE LA EFICIENCIA GLOBAL DEL RIEGO

Retomando el concepto de eficiencia global del riego (Eg), recordemos que la hemos definido como la relación entre el volumen medio de agua de riego infiltrada y puesta a disposición de las raíces de los cultivos, y el volumen total que se ha extraído del punto de suministro, sea éste un embalse, cauce fluvial o una perforación subterránea. Esta es una concepción técnica derivada de la ingeniería del riego, que puede no tener una correspondencia directa con términos hidrológicos y balances hidrográficos en grandes áreas. Así, podrían definirse diferentes eficiencias, en función del objetivo de análisis, aunque aquí nos referiremos al concepto técnico de la eficiencia global de riego (Eg). Las referencias disponibles en la literatura técnica sobre los valores de ésta eficiencia son variadísimas, oscilando entre 0,1 y 0,9 (Luján, 1992). Principalmente depende de la distancia recorrida en el proceso de transporte, distribución y aplicación del agua, del sistema de riego empleado, de la antigüedad de todas las instalaciones (captaciones, estructuras de almacenamiento, conducciones generales, secundarias o en parcela, emisores del sistema de riego, etc.), y su grado de mantenimiento, del manejo y gestión del agua y las instalaciones, función, a su vez, de múltiples factores: la formación e información del regante, del sistema de pago del agua utilizado y, en ciertos casos, de los usos y tradiciones locales. La disparidad de valores encontrados en evaluaciones llevadas a cabo por diferentes instituciones encargadas de la gestión y organización de los sistemas de riego conducen a una casuística de situaciones casi ilimitadas. Luján (1992), en el Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX), dependiente hoy del Ministerio de Medio Ambiente, ha realizado un interesante análisis de esta eficiencia, tratando de sistematizar la información existente y de formular algunos procedimientos de estimación de la misma, válidos para los diferentes trabajos que comportan la planificación, el diseño y la ejecución de los proyectos de riego. 274

Lamentablemente no existe ningún parámetro que por sí solo sea suficiente para describir el comportamiento del riego, por lo que siempre se valoran varios términos a la vez. La eficiencia global de riego (Eg) se puede descomponer en el producto de una eficiencia de conducción (Ec), de distribución (Ed) y de aplicación (Ea); corresponden a la que se produce en los procesos de conducción y distribución del agua a los agricultores las dos primeras, y de aplicación mediante el sistema de riego la tercera. Eg = Ec · Ed · Ea

[2]

Algunos autores, con una visión más amplia, incluyen también la eficiencia de almacenamiento (Es), definida como la relación entre el volumen que se deriva para riego y el volumen que entra a un embalse de almacenamiento para el mismo fin. La eficiencia media de almacenamiento es, en general, elevada, ya que las principales pérdidas son debidas a procesos de evaporación en el tiempo de almacenamiento, a posibles pérdidas en función del grado de impermeabilidad del vaso y, en su caso, a la transpiración por plantas de ribera. No obstante, en climas áridos o semiáridos y en momentos de máxima demanda evaporativa, especialmente si el volumen total de agua almacenado no es muy elevado respecto a la superficie evaporante, pueden ser importantes. La red de conducción, cuando existe, parte de la toma de agua, es de uso comunal, transporta caudales elevados, en general superiores a 100 m3 h–1, y no existe en ella tomas directas para riego. En algunas ocasiones se distingue una red primaria única y varias redes secundarias, dependiendo de la topografía del terreno. Las pérdidas de agua en el proceso se pueden producir por infiltración a través de las paredes, muy importantes en conducciones abiertas en tierra, no revestidas, por evaporación, por transpiración de la vegetación existente en el cauce y sus proximidades, así como por deficiencias en el manejo de estas conducciones, tales como desbordamientos, errores de distribución, etc. Cuando el sistema funciona todo él bajo presión, estas pérdidas deben ser reducidas, pero en sistemas de conducción antiguos y mal conservados, las pérdidas en el proceso de conducción alcanzan el 50% del total. Los valores de Ec pueden oscilar entre 0,5 y 0,95. Estos últimos para modernas conducciones bajo presión y de recorrido reducido, en las que las pérdidas de agua se deben a fugas por averías, algún error de manejo, etc. Las redes de distribución parten de la red de conducción, normalmente de los canales secundarios o de balsas de regulación y estaciones de bombeo al efecto, y finaliza en las tomas de agua de las unidades de riego de la parcela. Puede ser colectiva en su totalidad, o tener parte de la misma carácter privado. En los sistemas de riego por gravedad, las causas de las pérdidas de agua en la red de distribución son las mismas que en la de conducción. Con mayor frecuencia carecen de revestimiento y, también, son más frecuentes los errores de manejo si el regante no está bien formado. Caso muy diferente es el de los sistemas de riego bajo presión, aspersión o goteo, en donde la red de distribución parte de la estación de bombeo y se distribuye en tubería bajo presión hasta la toma del propio sistema de riego. En este caso, considerando este componente de la eficiencia como la relación entre el agua que se pone a disposición del regante en la toma en parcela y la aportada (p.e., bombeada) en cabecera de la red, las pérdidas se reducen a fugas por averías o infrecuentes errores de manejo, aunque en función del 275

sistema de riego en parcela y el diseño de la red, pueden incluirse otras pérdidas. Entre ellas destacan las pérdidas inevitables debidas, por ejemplo, a la limpieza de filtros en redes colectivas para riego localizado, en las que es cada vez más frecuente ofrecer al regante el agua ya filtrada mediante estaciones autolimpiantes instaladas en cabecera. De modo general, si la red está bien diseñada, conservada y manejada, las pérdidas en el proceso de distribución son poco importantes. En conjunto, la eficiencia de la red de distribución (Ed) se mueve en un rango de valores similar a las de la red de conducción. La terminología utilizada para describir el comportamiento del riego a nivel de parcela, desde que el agua está disponible en la toma de la parcela hasta que queda almacenada en el volumen de actividad radicular y es utilizada por el cultivo, incluye normalmente los términos de eficiencia de aplicación y uniformidad, a su vez relacionados entre sí. No existe ningún parámetro que por sí solo sea suficiente para describir el comportamiento del riego, por lo que, de ordinario, se valoran varios parámetros a la vez. No obstante, la Ea es un término que engloba varios aspectos, entre los que destacan: las pérdidas por percolación debidas a la falta de uniformidad de aplicación del agua por el sistema de riego, las pérdidas por escorrentía superficial, debidas tanto a un mal diseño del sistema, como a un manejo inadecuado (p.e., superando las dosis de aplicación), las pérdidas por evaporación y arrastre durante el riego y las posibles pérdidas que se produzcan en el transporte del agua en las conducciones desde el punto de toma en la parcela hasta su descarga y aplicación por el sistema de riego (Keller y Bliesner, 1990; Tarjuelo, 1999). La uniformidad del riego indica el grado de igualdad de dosis recibida por los diferentes puntos de la parcela. Para analizar la uniformidad de distribución de agua al regar una parcela solo hay que contemplar las zonas donde se concentra la actividad radicular, no debiendo tener en cuenta las zonas secas entre plantas (caso de riego localizado en árboles). De esta manera se introduce el concepto de «zonas con planta». El grupo de trabajo de ASCE en Eficiencia de Riego y Uniformidad de Distribución (Clemmens y Solomon, 1995), introduce el concepto de agua interceptada para hacer más próximo el concepto de uniformidad a lo que experimenta el cultivo. Este incluye tanto el agua infiltrada como el agua utilizada por la cubierta vegetal (por ejemplo para reemplazar transpiración durante el riego). Dependiendo de las necesidades de manejo pueden definirse distintas Uniformidades de Distribución (UD) como la relación entre alguna medida de mínima altura interceptada y la altura media interceptada. El sentido de mínimo lo proporciona la media de las menores alturas interceptadas en una fracción concreta de «zona con planta». Dada la dificultad para determinar la verdadera distribución del agua interceptada, la manera más práctica para determinar el valor de la UD global es medir la UD para cada uno de los componentes que contribuyen a la uniformidad y entonces combinarlos a través de ecuaciones estadísticas y funciones de distribución del agua aplicada sobre la parcela. Así, la función normal permite caracterizar muy bien el reparto del agua sobre la parcela y relacionar, partiendo del Coeficiente de Uniformidad de Christiansen (CU), múltiples parámetros que definen la calidad de riego. Conviene recordar que la falta de uniformidad en sistemas de riego a presión es consecuencia de: la variación de fabricación de los emisores, de las diferencias de presión en la subunidad, del envejecimiento y las obstrucciones así como de los cambios de temperatura (solo en riego localizado en este caso). En riego por superficie es consecuencia de: la diferencia de tiempos de contacto en los diferentes puntos de la parcela debido a la forma de las curvas de avance y de receso, de la falta de uniformidad del suelo, del 276

estado de la nivelación (microtopografía), etc. En cualquier caso, esta falta de uniformidad, que origina zonas de la parcela sobre-regadas (pérdidas por percolación) y otras infra-regadas (déficit), condicionará el manejo del riego para cubrir su objetivo respecto a la producción de los cultivos, y actuará directamente sobre la Ea. Conceptualmente, la idoneidad de un riego depende, al menos, de: el incremento del agua almacenada en la zona radicular del cultivo producido por el riego, las pérdidas por percolación profunda y por escorrentía superficial, la uniformidad de la lámina infiltrada y el déficit de humedad del suelo después del riego. Además, pueden considerarse otros aspectos, como la acumulación de sales en el perfil. La eficiencia de aplicación del riego se suele entender como el porcentaje de agua bruta aplicada que es aprovechada para satisfacer las necesidades del cultivo y, en su caso, las de lavado derivadas del uso de agua de mala calidad. Sobre esta Ea, capaz de reunir el efecto de otros muchos factores, además de la uniformidad de riego, inciden directamente otros aspectos muy relacionados con el manejo. Entre ellos cobra una especial importancia la programación de riegos seguida o, en algunos sistemas de riego (p.e., aspersión o microaspersión), las condiciones meteorológicas en que se aplica el riego. Obviamente, la programación de riegos seguida debe ajustarse a las necesidades de los cultivos, en caso de aplicar más agua de la necesaria ésta se perdería por percolación disminuyendo la Ea y, además, originando problemas ambientales y económicos por lavado de nutrientes (nitrato principalmente). Por otra parte, siendo el ejemplo más claro el riego por aspersión, aplicar agua durante momentos de máxima demanda evaporativa y fuerte viento originaría pérdidas muy elevadas por evaporación y arrastre por el viento, habiéndose medido valores puntuales por encima del 20, e incluso 30% del agua descargada (Tarjuelo et al., 2000). Para conocer cómo se realiza la aplicación de agua en un riego y poder identificar y solucionar los posibles problemas de manejo y funcionamiento de las instalaciones, hay que realizar una evaluación del sistema (Tarjuelo, 1999). Al menos, debido a la complejidad de una evaluación completa que mida los principales parámetros que definen la calidad de un riego, debería evaluarse la uniformidad de distribución del agua por el sistema de riego, al ser un condicionante y limitante de la Ea, debiéndose asesorar sobre las condiciones de trabajo y manejo, así como las posibles mejoras que permitan obtener una buena Ea. En muchos casos, las modificaciones necesarias para la mejora son muy simples y no requieren fuertes inversiones de capital; así, el funcionamiento de un riego por aspersión puede mejorarse variando la presión de trabajo, el tamaño y número de boquillas, la duración de la postura de riego o cambiando el material desgastado. El funcionamiento de un riego localizado puede mejorarse cambiando la duración y frecuencia de riegos, el número de goteros por planta, etc. En riego por surcos o por escurrimiento libre, el empleo de la técnica de recorte de caudal, la adecuación de la longitud de los surcos y tablares, el empleo de sistemas de recuperación del agua de escorrentía superficial, el riego a pulsos o el riego por cable son claros ejemplos de la mejora que se puede realizar en su manejo. Cabe destacar la gran importancia que una buena nivelación, por ejemplo mediante las técnicas láser, tiene en la mejora de la práctica de este tipo de riego, que normalmente siempre justifica la inversión necesaria para realizar dichos trabajos (Fereres, 1998). Existen numerosos trabajos en la literatura técnica que estudian esta eficiencia, tanto referidos a sistemas de riego específicos como al conjunto de los existentes (Heermann et al., 1990; Keller y Bliesner, 1990; Wolters, 1992; Santos Pereira, 1999). 277

Un sistema moderno de riego bien diseñado, bien mantenido y bien manejado debe lograr eficiencias de aplicación (Ea) que superen el 0,75, siendo lo ideal que estén por encima del 0,80-0,85. Existen numerosas mediciones de campo, por ejemplo con sistemas de riego pivot en La Mancha con valores de (Ea) superiores a 0,85 (Montero et al., 1998). Sin embargo, las eficiencias más elevadas se pueden lograr con sistemas de goteo cuando están bien diseñados y manejados.

3.

ANÁLISIS DE LA EFICIENCIA AGRONÓMICA DEL AGUA (WUE)

Es conveniente abordar ahora la eficiencia del agua en su utilización por la planta una vez tomada por las raíces. El correcto uso del WUE requiere concreciones referentes a la escala de tiempo y espacio (Steduto, 1996). Cuando hablamos de WUE-fotosíntesis la escala de tiempo es reducida (min., horas) y las de espacio son la hoja o la planta entera. Si nos referimos al WUE de biomasa las escalas de tiempo son mayores, al menos de una semana, pudiendo referirse al ciclo entero de crecimiento. La de espacio es el conjunto de la planta o la parcela cultivada. Lo mismo sucede en otras acepciones del término. La tabla 5.1, adaptada de Steduto (1996), resume algunas definiciones del WUE de uso más común. Tabla 5.1. Principales definiciones del término WUE Denominación

WUE de fotosíntesis WUE de biomasa WUE de rendimiento

Expresión

A/T Biomasa/ET HI × biomasa/ET

Escala de tiempo

Escala de espacio

Minutos, horas Semana, ciclo Ciclo

Hoja, planta Plantas, cultivo Planta, cultivo

WUE: Eficiencia en el uso del agua; A: Tasa de asimilación neta en la hoja; T: Tasa de transpiración en la hoja; ET: Tasa de evapotranspiración del cultivo; Biomasa: Biomasa producida por encima del suelo; HI (Harvex Index): Indice de cosecha, es decir, relación entre biomasa que se cosecha, y la total producida por la planta.

Por lo que respecta a la WUE de fotosíntesis, existen notables diferencias entre las plantas C3, C4 y CAM que como es sabido corresponden a rutas diferentes en la fijación del CO2. En condiciones de medio ambiente similares los valores más bajos se obtienen en las de tipo C3, grupo al que pertenecen gran parte de las plantas cultivadas (trigo, remolacha, girasol, tomate, etc.). Este valor es más alto en las C4, en donde se encuentra el maíz, el sorgo y la caña de azúcar entre otras, y es superior en las CAM, en donde se localizan escasas plantas de interés agrícola, como la piña, el ágave o algunos cactus. El valor del WUE de fotosíntesis, en las plantas CAM, puede ser 3 ó 4 veces superior a las C 3 , y 1,5 ó 2 veces mayor que en las C 4 (Ludlow,1976). Si se produce un incremento de CO2 en la atmósfera existe una ventaja relativa de las plantas C3 sobre las C4.También es posible señalar que esta misma ventaja existe cuando nos desplazamos de medios más cálidos a más fríos o de latitudes más bajas a latitudes más altas permaneciendo invariable la concentración de CO2 (Osmond et al.,1982). La mejora que puede esperarse en la WUE de fotosíntesis puede venir principalmente por vía genética, actuando sobre los procesos enzimáticos del metabolismo. 278

En cuanto al WUE de biomasa, De Witt (1958) analizó la relación existente entre la biomasa acumulada en un periodo y la ET durante el mismo, encontrando que ésta era lineal. La pendiente variaba para una misma especie con las condiciones ambientales o de cultivo. Cuando el valor de la ET se normaliza, al dividirlo por la ET de referencia (Doorenbos y Pruitt, 1977; Allen et al., 1998) se hace más constante dicha pendiente. La expresión que utiliza es: Biomasa = m

ETc ETref.

[3]

donde ETc y ETref. son las evapotranspiraciones de cultivo y de referencia respectivamente. Esta expresión está muy extendida entre los agrónomos. Existen diferentes valores de m según especies que reflejan un comportamiento bastante constante del WUE de biomasa. El hecho de que tanto la fotosíntesis como la transpiración dependen de la radiación interceptada, y de que el camino para la entrada del CO2 debe ser compartido con el de salida del vapor de agua, ha sido presentado por algunos autores como una explicación de la constancia del WUE de biomasa para cada especie (Hsiao, 1993a,b). Algunos autores (Meek et al.,1984; Varlet-Grancher et al.,1989; Stanhill, 1981) han puesto de manifiesto, que mientras para el proceso fotosintético la planta utiliza únicamente la radiación PAR (400-700 nm), todo el conjunto de la radiación recibida es utilizada en el proceso de transpiración. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la radiación PAR es una fracción relativamente constante de radiación total incidente. Asimismo la relación existente entre la absortividad de muchas plantas entre la radiación PAR y no-PAR es relativamente constante. Evidentemente si se produjera una reducción de la fracción no-PAR, respecto a la fracción PAR sería posible incrementar la fotosíntesis sin aumentar la transpiración lo que incrementaría el valor del WUE de biomasa. Determinados materiales plásticos, susceptibles de ser utilizados en túneles o invernaderos reúnen estas características. No es sin embargo una práctica generalizada, probablemente debido a que el incremento de costo de este tipo de cubiertas no se compensa con la mejora del WUE. Las posibles mejoras de esta eficiencia pueden venir de la reducción de la evaporación desde el suelo, componente de ET que no usa la planta, o de un incremento en la capacidad de carboxilación en algunas especies a partir de la mejora genética. Donde existen más posibilidades para la mejora de la eficiencia en el uso del agua por las plantas es en la que hemos denominado WUE de rendimiento. Así como en la WUE referente a la biomasa total de la planta existen, al menos a corto plazo, reducidas expectativas de mejora, no parece que se haya alcanzado el límite en el índice de cosecha (HI). Todavía hay numerosas lagunas en el conocimiento de los mecanismos que regulan el reparto de los fotoasimilados y, en concreto, la parte de éstos que se destina al aparato vegetativo de la planta y la que se destina al reproductor, el fruto o la semilla que normalmente son los objetivos de la cosecha. Incluso hay posibilidades de mejora en la relación existente entre la biomasa de la planta que compone el aparato aéreo y las raíces, aspecto éste de singular interés en zonas áridas y semiáridas (Steduto, 1996). 279

Además de las referencias que hemos hecho anteriormente, existen otros muchos estudios interesantes sobre cómo pueden afectar las condiciones ambientales al valor del WUE. Estos efectos se pueden referir tanto al momento presente, donde la variabilidad del medio es la regla y la homogeneidad la excepción, como al futuro, estudiando por ejemplo la incidencia que el cambio climático puede introducir debido al efecto invernadero con el consiguiente aumento del nivel de CO2 en la atmósfera (Morison, 1985; Eamus, 1991; Hsiao, 1993a; Tyree y Alexander 1993; Van de Geing y Goudriaan, 1996). Se ha discutido sobre el comportamiento del WUE de biomasa en condiciones de estrés hídrico, entre otros, por Hsiao (1982,1993a,b); la variación de la cantidad de radiación total interceptada consecuencia del estrés hídrico, que actúa tanto sobre el nivel de asimilación neta como de la transpiración, parece ser una de las razones del valor relativamente constante del WUE de la biomasa en ambas situaciones. Circunstancias diferentes se dan cuando se estudia el WUE de rendimiento, donde existen amplias referencias sobre la incidencia del estrés en el HI, no necesariamente negativas. En los diferentes experimentos de Riego Deficitario Controlado (RDC) que en nuestro equipo de investigación hemos venido efectuando en los últimos diez años, un parámetro que siempre hemos determinado ha sido el WUE de rendimiento. Cuando el porcentaje de reducción del suministro de agua ha sido similar en todas las etapas fenológicas de la planta, los valores más bajos de agua recibida corresponden normalmente a los menores valores de cosecha, pero a los valores de WUE más altos. Lo contrario sucede cuando el agua de riego que recibe la planta sobrepasa los valores estimados de ET. En este caso es frecuente que el agua se utilice en mayor proporción para el desarrollo de órganos vegetativos que reproductores y como consecuencia de ello el índice de cosecha (HI) disminuye y lo mismo sucede con el WUE de rendimiento. Cuando la reducción de las aportaciones hídricas se ha realizado selectivamente en determinados periodos fenológicos, satisfaciendo en los restantes de forma plena las mismas, apenas se han visto afectados ni el rendimiento ni la calidad de la cosecha. En estos casos se han obtenido valores de WUE muy satisfactorios, que correspondían a producciones aceptables y a calidades satisfactorias. Remitimos al lector interesado en profundizar en esta materia al apartado de este texto dedicado al Riego Deficitario Controlado, así como a las diferentes publicaciones que hemos realizado sobre el tema (Martín de Santa Olalla et al., 1994a,b; Martín de Santa Olalla et al., 2004; Fabeiro et al., 2001, 2002, 2003a,b). Un campo todavía con abundante materia por explorar es la incidencia de algunos otros factores (nutrientes, salinidad, etc.) sobre la variación del WUE. El efecto de la fertilización nitrogenada ha sido abordada entre otros por Field et al. (1983) y Jones et al. (1986), quedando todavía numerosas incógnitas por despejar. Algo similar ocurre con el efecto de salinidad abordado por Lea-Cox y Syvertsen (1993) y Richards (1992). Los resultados son con frecuencia contradictorios, y tienden más bien a mostrar una constancia en el WUE que variaciones sensibles en uno y otro sentido. 280

4.

ALGUNAS EXPERIENCIAS DE WUE DE RENDIMIENTO

4.1.

INTRODUCCIÓN

Nuestro equipo de investigación tiene una amplia y contrastada experiencia en la realización de experimentos de Programación de Riegos (de Juan et al., 1992; de Juan et al., 1993; Martín de Santa Olalla et al., 1994a,b; Fabeiro et al., 2001; Fabeiro et al., 2002; Fabeiro et al., 2003a,b; Martín de Santa Olalla et al., 2004). El fin principal de estos trabajos experimentales ha sido conocer la respuesta de los cultivos más importantes en Castilla-La Mancha a diferentes tratamientos hídricos. De este modo, se ha podido profundizar en el conocimiento de las necesidades hídricas de algunos cultivos. Esto nos ha permitido ajustar, siempre que ha sido necesario, los coeficientes de cultivo dados por la FAO (Doorenbos y Pruitt, 1977; actualizados por Allen et al., 1998) a las condiciones de clima semiárido de nuestra zona de trabajo. Para complementar la información aportada por las experiencias de Riego Deficitario Controlado, algunas de las cuales se presentan en otro capítulo de este texto, se han venido realizando experimentos de WUE de rendimiento (López Urrea et al., 2004). Los objetivos principales de estos trabajos experimentales han sido: • Evaluar la respuesta agronómica de algunos cultivos al aporte de diferentes tratamientos hídricos. • Encontrar una función que relacione la producción con el agua total (riego y precipitación efectiva) aportada al cultivo. • Analizar la eficiencia agronómica en el uso del agua de rendimiento (WUE de rendimiento) de los diferentes cultivos estudiados. El trabajo de campo se ha realizado en la finca experimental de «Las Tiesas», propiedad de la Excma. Diputación Provincial de Albacete y gestionada por el Instituto Técnico Agronómico Provincial. La finca se encuentra situada en los términos municipales de Barrax y Albacete (España), y sus coordenadas geográficas medias son 39° 14’ latitud Norte, 2° 5’ longitud Oeste y su altitud es de 695 m sobre el nivel del mar. El entorno es perfectamente representativo de los regadíos de la zona. La clasificación agroclimática de Thornthwaite caracteriza el clima local como semiárido (D), mesotérmico (B´2), con nulo o escaso exceso de humedad (d), y con moderada concentración de necesidades de agua en verano (b´3) (Fabeiro, 1995). Según la Soil Taxonomy (Soil Survey Staff, 1999), el suelo de la parcela experimental se cataloga como Petrocalcic Calcixerepts. Para la programación diaria del riego se ha recurrido al método simplificado del balance hídrico del suelo. Se ha utilizado un programa informático elaborado por nuestro equipo de trabajo (Martín de Santa Olalla y de Juan, 1993) desarrollado según la metodología formulada por Doorenbos y Pruitt (1974, 1977), y Doorenbos y Kassam (1986) actualizada por Allen et al. (1998). La evapotranspiración de referencia (ET0) se ha calculado diariamente mediante la ecuación de Penman-Monteith FAO-56 (Allen et al., 1998). Para medir la humedad del suelo de las parcelas elementales, se instalaron sondas tipo Watermark a diferentes profundidades. Estos sensores no nos han permitido vali281

dar el balance hídrico de la programación de riegos. Estas sondas han sido buenas indicadoras del estado hídrico del suelo, pero no resultan muy precisas al determinar la humedad volumétrica del mismo. 4.2.

DISEÑO DE LOS EXPERIMENTOS

Desde la campaña de 2002 se han venido realizando una serie de experimentos de WUE de rendimiento, para las condiciones de clima semiárido de nuestra zona de trabajo. En la figura 5.1 se presenta el diseño realizado en los experimentos de WUE de rendimiento. Se ha estudiado un factor de riego a distintos niveles durante todo el ciclo

3m

0,5 m

bordes

10 m 80 % ETm

100 % ETm

20 % ETm

120 % ETm

0 % ETm

60 % ETm

40 % ETm

80 % ETm

100 % ETm

120 % ETm

pasillos parcela elemental 0 % ETm

Fig. 5.1.

20 % ETm

40 % ETm

60 % ETm

Croquis tipo del diseño de los experimentos de WUE de rendimiento.

0,45 m

0,70 m

0,70 m

Parcela elemental 10 x 3 m

0,70 m

0,45 m

Tubería portagoteros PE 17 mm

Tubería PE 32 mm

Tapón

Contador caudal Codo 32 Válvula mariposa

Tubería PE 50 mm

Hidrante

282

Tubería PE 40 mm Fig. 5.2. Croquis de detalle de la colocación del sistema de riego en las parcelas elementales del experimento de WUE en trigo.

agronómico del cultivo. Se han realizado siete tratamientos hídricos, que han variado entre el 0 y el 120% de la evapotranspiración máxima (ETm) del cultivo, con dos repeticiones de cada uno de ellos. En total cada experimento ha tenido catorce parcelas elementales distribuidas como se puede ver en el ejemplo de la figura 5.1. En la figura 5.2 se presenta un croquis con la instalación del sistema de riego en las parcelas elementales, adecuado al diseño del experimento de WUE en trigo. A continuación se presentan los resultados obtenidos en los experimentos de WUE de rendimiento en trigo y kenaf. 4.3.

EXPERIMENTO DE WUE DE RENDIMIENTO EN TRIGO

El trabajo experimental se realizó durante la campaña agrícola de 2003, entre los meses de enero y julio. El experimento tenía unas dimensiones de 714 m2 distribuidos en catorce parcelas elementales de 30 m2 cada una; se dejó una separación entre parcelas de 0,5 m y un borde de 2 m rodeando a todo el experimento. Se estudió un factor de riego a siete niveles durante todo el ciclo agronómico del cultivo. En total se aplicaron siete tratamientos hídricos constantes y dos repeticiones de cada uno de ellos. Se utilizó una de las variedades de trigo blando (Triticum aestivum L., cv. «Estero») más representativas de la zona. La tabla 5.2 muestra la programación real de riegos llevada a cabo durante la campaña, expresada como porcentaje de satisfacción de la evapotranspiración de cultivo (ETc). También se presentan los volúmenes totales de agua (riego y precipitación efectiva) aplicados en las parcelas elementales, así como los rendimientos y las WUE obtenidas. Se realizó un análisis de varianza del rendimiento y de la WUE para estudiar las diferencias producidas en los mismos, como consecuencia de los distintos tratamientos hídricos aplicados durante el experimento. Se produjeron diferencias significativas (P < 5%) entre las producciones obtenidas, pasándose de 6.617 kg ha–1 en el tratamiento más restrictivo T1 (55% ETc) a 8.115 kg ha–1 en el tratamiento T5 (85% ETc). En las WUE de rendimiento también se produjeron diferencias muy significativas (P < 1%), correspondiendo, como es frecuente que suceda, la mayor eficiencia al tratamiento hídrico más restrictivo. Los valores de rendimiento y de WUE con la misma letra, pertenecen al mismo grupo homogéneo al aplicar el Test Multirango de Duncan. Tabla 5.2. Tratamientos hídricos y volúmenes de agua aplicados en las parcelas elementales del experimento. Producciones y WUE de rendimiento obtenidas por tratamientos Tratamiento

Nivel de ETc (%)

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

55 65 70 75 85 100 110

Nivel de significación

Riego Precipitación efectivo (mm) efectiva (mm)

20,5 54,6 75,1 95,5 136,5 197,9 232,0

212,0 212,0 212,0 212,0 212,0 212,0 212,0

Agua total (mm)

Rendimiento (kg ha–1)

WUE (kg ha–1)

232,5 266,6 287,1 307,5 348,5 409,9 444,0

6.617a 6.689a 6.915a 7.394ab 8.115 b 8.054 b 8.031 b

28,46a 25,09ab 24,09 b 24,04 b 23,29 b 19,65 c 18,09 c

*

**

Nivel de significación: *: diferencias significativas (P < 5%); **: diferencias muy significativas (P < 1%).

283

Funciones de producción y de WUE de rendimiento En el experimento se estudiaron diferentes funciones de producción (Solomon, 1985; Howel et al., 1990) que relacionan ésta con el volumen total de agua recibido por el cultivo. El método estadístico fue el de la regresión simple. Se utilizaron funciones polinómicas de primer y segundo grado, determinándose en cada caso sus coeficientes, su error estándar, el coeficiente de determinación (R2), el nivel de significación estadístico y el análisis residual, que incluye la varianza, la desviación típica y la media. Para el caso del rendimiento de trigo la función matemática obtenida, polinómica de segundo grado, presenta un R2 altamente significativo (P < 0,1%), con un valor de 0,893. En la figura 5.3 se presenta esta función, donde se puede apreciar una respuesta positiva del rendimiento del trigo al agua. El valor máximo se obtiene en el T5 con un rendimiento de 8.115 kg ha–1. Los dos tratamientos de mayor dotación hídrica (T6 y T7) no aumentan el rendimiento, sino que lo reducen ligeramente. Función de producción 8.500

Rendimiento (kg ha–1)

8.000 7.500 7.000

2

y = –0,0405x + 35,539 x + 313,17 6.500

2

R = 0,893

6.000 5.500 200

250

300

350

400

450

Agua total (mm) Fig. 5.3.

Función de producción que relaciona el rendimiento del cultivo y el agua total (riego y precipitación efectiva) recibida por el trigo.

El trigo pertenece a un grupo de cultivos con una alta eficiencia agronómica a los efectos del uso del agua de riego. Se trata de un cultivo que se cosecha antes del verano, cuando todavía la demanda evapotranspirativa es reducida. Las curvas de eficiencia y producción se cruzan, y su cosecha aumenta con pequeños incrementos de agua. Mediante el análisis de regresión se buscaron funciones que relacionan el agua total recibida por el cultivo, variable independiente o explicativa, con el valor de la WUE de rendimiento, variable dependiente. La función que mejor ajuste presenta es una polinómica de segundo grado, con un coeficiente de determinación altamente significativo (P < 0,1%), cuyo valor es muy elevado (R2 = 0,953). 284

Función de WUE de rendimiento 45

WUE (kg mm–1)

40 35

y = 3E – 05x2 – 0,065x + 41,052 R2 = 0,953

40 25 20 15 200

250

300

350

400

450

Agua total (mm) Fig. 5.4.

Relación entre la WUE de rendimiento y el agua total recibida por el cultivo.

Parámetros de calidad Se hizo un análisis de varianza de los distintos parámetros de calidad estudiados en función de los diferentes tratamientos hídricos aplicados. En el contenido proteico, el peso específico y porcentaje de humedad del grano no se han producido diferencias significativas (P > 5%). Sin embargo, en el porcentaje en peso de calibres de primera, sí se han producido (P < 5%) obteniéndose los valores más altos en los tratamientos de mayor dotación hídrica. Asimismo, el peso de los mil granos presenta diferencias muy significativas (P < 1%). Tabla 5.3. Análisis de varianza de los diferentes parámetros de calidad estudiados Tratamiento

Nivel ETc (%)

Agua total (mm)

Proteína (%)

Peso específico (kg hl–1)

Humedad (%)

Calibres 1a (% en peso)

Peso 1.000 granos (g)

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

55 65 70 75 85 100 110

233 267 287 308 349 410 444

18,1a 17,3ab 17,6ab 16,7 b 17,0 b 16,8 b 16,5 b

76,0a 77,1ab 76,1a 79,2ab 79,2ab 79,2ab 79,8 b

8,85a 9,00ab 8,90ab 9,30 b 9,20ab 9,25ab 9,25ab

49,02a 58,71ab 62,33abc 75,08 bc 72,50 bc 74,48 bc 78,83 c

31,20a 34,00ab 31,15a 37,15 bc 36,65 bc 37,15 bc 38,50 c

n.s.

n.s.

n.s.

*

**

Nivel de significación

Nivel de significación: n.s.: no significativas; *: diferencias significativas (P < 5%); **: diferencias muy significativas (P < 1%).

4.3.1.

Conclusiones

El trigo es un cultivo con una alta eficiencia agronómica en el uso del agua, alcanzándose el valor más alto (28,46 kg mm–1) en el tratamiento hídrico más restrictivo T1 (55% ETc) y el más bajo (18,09 kg mm–1) en el de mayor aporte de agua T7 (110% ETc). 285

El rendimiento más elevado se ha conseguido con el 85% de las necesidades hídricas, mientras que dotaciones superiores han provocado un ligero descenso en la producción. Como consecuencia de este experimento puede recomendarse una programación de riegos como la seguida en el T5 (85% ETc), donde se ha conseguido el rendimiento más alto, una muy buena WUE de rendimiento y, unos valores óptimos de los diferentes parámetros de calidad analizados. 4.4.

EXPERIMENTO DE WUE DE RENDIMIENTO EN KENAF

El experimento se realizó durante la campaña agrícola de 2003, entre los meses de junio y octubre. El experimento tenía unas dimensiones de 477 m2 distribuidos en catorce parcelas elementales de 20 m2 cada una, se dejó un borde de 2 m rodeando a todo el experimento. Se estudió un factor de riego a siete niveles durante todo el ciclo agronómico del cultivo. En total se aplicaron siete tratamientos hídricos constantes y dos repeticiones de cada uno de ellos. Se utilizó una sola variedad de kenaf (Hibiscus cannabinus L., cv. «Tainung»). Los diferentes niveles de evapotranspiración de cultivo (ETc), el riego, la precipitación efectiva y el agua total aplicada en cada una de las parcelas elementales del experimento se presentan en la tabla 5.4. La eficiencia de aplicación del sistema de riego fue del 85,3% y la precipitación efectiva se calculó según el método del Bureau of Reclamation de los Estados Unidos (Villalobos et al., 2002). En esta tabla también se incluyen los rendimientos medios y los valores de WUE de rendimiento obtenidos en cada tratamiento. Tabla 5.4. Nivel de satisfacción de la ETc y volúmenes de agua recibidos por las parcelas elementales del experimento. Producciones y WUE de rendimiento obtenidas en cada tratamiento. Tratamiento

Nivel de ETc (%)

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

25 40 60 75 85 90 100

Riego Precipitación efectivo (mm) efectiva (mm)

46 132 240 331 397 421 474

102 102 102 102 102 102 102

Nivel de significación

Agua Rendimiento en WUE en seco total (mm) seco (kg ha–1) (kg ha–1)

148 234 342 433 499 523 576

6.761,1 9.344,6 11.852,6 13.768,3 16.966,6 14.392,1 15.618,6

45,7 39,9 34,6 31,8 34,0 27,5 27,1

***

***

Nivel de significación: ***: altamente significativo (P < 0,1 %).

Se hizo un análisis de regresión múltiple tomando como variables dependientes los diferentes parámetros de producción y calidad estudiados y, como variable independiente o explicativa el agua total recibida por el cultivo en cada tratamiento. Tanto en las producciones como en los valores de WUE de rendimiento se producen diferencias altamente significativas (P < 0,1%). Los rendimientos han oscilado entre 6.761 kg ha–1 del tratamiento más restrictivo (25% ETc) y 16.966 kg ha–1 del tratamiento T5 (85% ETc). Dotaciones hídricas superiores (T6 y T7) provocan descensos en la producción. 286

Como en el caso anterior, la mayor eficiencia corresponde al tratamiento hídrico más restrictivo T1 con 45,7 kg mm–1. También hay que destacar la buena eficiencia conseguida en el tratamiento T5 con 34,0 kg mm–1. En la tabla 5.5 se presenta el resultado del análisis de regresión múltiple del resto de parámetros estudiados. En la altura de las plantas se han obtenido diferencias altamente significativas (P < 0,1%) en función de las distintas dosis de agua aplicadas al cultivo. Las mayores alturas han correspondido, como es lógico, a los tratamientos hídricos de mayor dotación (T5, T6 y T7). En el porcentaje de materia seca no se han producido diferencias significativas, mientras que tanto en el contenido, como en el índice de corteza se han obtenido diferencias significativas (P < 5%). El porcentaje en corteza ha descendido sensiblemente al aumentar la dosis de agua, sin embargo el índice de corteza ha aumentado al incrementarse los volúmenes aplicados en las parcelas elementales del experimento. El contenido en corteza (CC) y el índice de corteza (IC) son dos parámetros tipificados, elaborados a partir de una muestra de 20-25 plantas por parcela elemental, cuyos componentes y métodos de cálculo se muestran a continuación: CC = (PC/PT) × 100

[4]

IC = [PC/(H × D)] × 1.000

[5]

Siendo PC: peso seco de la corteza de la muestra en g; PT: peso total de los tallos de la muestra en g; H: altura media de las plantas muestreadas en cm; D: diámetro medio de las plantas muestreadas en mm (Oliveros, 1993). Tabla 5.5. Análisis de regresión múltiple de diferentes parámetros estudiados durante el experimento Tratamiento

Nivel de ETc (%)

Altura (cm)

Materia seca (%)

Contenido corteza (%)

Índice de corteza

T1 T2 T3 T4 T4 T6 T7

25 40 60 75 85 90 100

173 193 210 210 233 235 235

33,18 33,28 31,37 33,99 31,44 31,94 32,13

38,95 37,88 36,55 35,19 36,50 37,05 35,45

13,60 14,95 15,57 15,49 15,44 16,93 17,13

***

n.s.

*

*

Nivel de significación:

Nivel de significación: ***: altamente significativo (P<0,1%); n.s.: no significativo (P>5%); *: significativo (P<5%).

Funciones de producción y de WUE de rendimiento Se realizó un análisis de regresión simple para encontrar una función que relacione la producción con el volumen de agua total recibido por el cultivo. Se obtuvo una ecuación matemática, polinómica de segundo grado, que presenta un coeficiente de determinación (R2) altamente significativo (P < 0,1%), cuyo valor es de 0,938. La figura 5.5 presenta el resultado del análisis de regresión. Se puede apreciar una respuesta muy positiva del rendimiento al agua de riego. La producción más elevada se ha obtenido con 499 mm, alcanzándose 16.966,6 kg ha–1(T5). 287

Rendimiento seco (kg ha–1)

Función de Producción 18.000 16.000 14.000 12.000 10.000 y = –0,0307x2 + 43,943x + 789,37 R2 = 0,938

8.000 6.000 4.000 0

100

200

300

400

500

600

700

Agua total (mm) Fig. 5.5.

Relación entre el agua aplicada en cada tratamiento y el rendimiento de kenaf en seco.

Igualmente, se estudió la relación entre la WUE de rendimiento y el agua aplicada en los diferentes tratamientos hídricos. Se ha obtenido una ecuación matemática, polinómica de segundo grado, con un R2 altamente significativo (P < 0,1%) y cuyo valor es de 0,918 (figura 5.6). Función de WUE de rendimiento

WUE en seco (kg mm–1)

50 45 40 35 30 25 y = 4E-05x

20

2

R2

15

– 0,0691x + 54,444 = 0,918

10 100 Fig. 5.6.

200

300

400

500

600

Función de WUE de rendimiento obtenida en el experimento de kenaf.

Como cabía esperar, la eficiencia más alta corresponde al tratamiento hídrico más restrictivo (T1), pero hay que destacar el tratamiento T5 con el que se consigue una muy buena WUE de rendimiento y ahorros importantes de agua. 288

4.4.1.

Conclusiones

La producción más elevada se ha obtenido en el tratamiento T5, donde se ha aplicado una restricción hídrica del 15 %, durante todo el ciclo agronómico del cultivo. El valor de WUE más alto ha correspondido al tratamiento hídrico más restrictivo T1. Se recomiendan estrategias de riego como la realizada en el tratamiento T5 (85% ETc). De esta forma, se consiguen las mayores producciones y una muy buena eficiencia agronómica en el uso del agua.

5.

LA EFICIENCIA DEL AGUA EN EL SECANO

En condiciones de cultivo en secano existen muy limitadas posibilidades de mejorar la disponibilidad de agua para el cultivo. Ésta depende de la humedad almacenada en el suelo y de la lluvia caída durante el periodo de crecimiento. Sustancialmente se trata de incrementar el agua disponible reduciendo las pérdidas y mejorando la eficiencia en el uso de ésta (Loomis, 1983). Del total de agua que una parcela recibe por precipitación, una parte de la misma se pierde a través de procesos de escorrentía, drenaje o por evaporación directa desde la superficie desnuda; el resto queda almacenado en la zona radicular y puede ser extraída por la planta, bien por el cultivo en ese momento implantado o por algunos de los que le sigan en la rotación. Modificando la expresión de Passioura (1977), se puede establecer que la producción, en estas condiciones de aportación limitada de agua, se puede expresar como sigue: P = T × WUE (biomasa) × HI

[6]

Siendo P la producción de cosecha y T el agua transpirada. Tanto WUE (biomasa) como HI han sido ya definidos. Su producto lo hemos denominado WUE rendimiento. La mejora de los tres factores que integran la expresión anterior, y que son relativamente independientes entre sí, incrementa la producción. La evaporación y la escorrentía son las mayores pérdidas en el balance de agua en las regiones áridas y semiáridas. Diferentes técnicas agronómicas, entre ellas el recubrimiento del suelo con materiales naturales, cubiertas vegetales, pajas, etc., o industriales como plásticos, contribuyen sensiblemente a la retención de una mayor cantidad de agua a disposición de las raíces. López Bellido (1998), a partir del trabajo de Stewart y Steiner (1990), realiza una revisión de las técnicas agronómicas para mejorar la eficiencia del agua en el secano; muchas de estas técnicas pueden ser igualmente útiles para el regadío. Aunque remitimos al lector a los textos anteriormente citados, para un estudio más detallado, resumimos aquí los aspectos que nos parecen más relevantes. El primero de ellos se refiere a la elección adecuada del calendario de cultivos, que puede ser diseñado más eficazmente explotando adecuadamente el potencial climático. Una de estas técnicas es la de cultivar en épocas menos cálidas y más húmedas para reducir la transpiración. En esta línea, López Bellido (1998) presenta algunas comparaciones entre cultivos sembrados en otoño e invierno en el caso del altramuz (Lupinus albus L.), garbanzo y remolacha 289

en Andalucía. En algunos casos, la elección del cultivar puede ayudar, aunque los avances de la genética para mejorar la eficiencia en el uso del agua han sido escasos. La profundidad y actividad del sistema radicular hace que algunas especies herbáceas como el girasol sean capaces de extraer agua de hasta dos metros de profundidad y otras sólo lo hagan de los primeros centímetros del suelo. Su resistencia ante el estrés hídrico es por tanto muy diferente. La elección de la densidad de planta óptima es un elemento clave en el aprovechamiento del agua por la planta. En general, las altas densidades aprovechan mejor el agua que las bajas. López Bellido (1998) presenta ejemplos de parámetros de producción para diferentes densidades en trigo y maíces cultivados en el Valle del Guadalquivir. Un aspecto muy interesante es el de la relación entre el uso de fertilizantes, de forma especial el nitrógeno, y la eficiencia en el uso del agua. El rápido desarrollo de la parte vegetativa del cultivo dependiente, como sabemos en gran medida del nitrógeno tomado por la planta en la primera fase de su crecimiento, mejora el reparto de la ET en favor de la T. En áreas o años de lluvia escasa, la respuesta positiva a la fertilización nitrogenada queda limitada a niveles moderados de N (Cantero-Martínez et al., 1995). El mantenimiento de los residuos del cultivo sobre la superficie del suelo, al efectuar un «mulching» sobre el mismo, es un sistema eficaz de incrementar el almacenamiento de agua. En este hecho están fundamentadas las técnicas de laboreo reducido o no laboreo. Técnicas estudiadas ampliamente en la década de los años setenta entre otros por la Universidad de Iowa han sido difundidas en nuestro país por Monsanto (1984) y otros. Márquez (1986) ha estudiado la maquinaria adecuada para estos sistemas y López Bellido (1998) presenta ejemplos sobre agua almacenada con diferentes sistemas de laboreo convencional, reducido y no laboreo, tomados de experimentos propios y de Unger et al. (1988). Frye et al. (1988) aborda el papel de las cubiertas anuales de leguminosas en el uso eficiente del agua y del nitrógeno. Coincidimos con López Bellido (1998) en que los recursos dirigidos a la mejora de la eficiencia del agua en la agricultura de secano han sido escasos, siendo necesario crear tecnologías adaptadas a las condiciones de cada área. Tal y como este autor indica, la integración detallada de los datos agroclimáticos con las características de los suelos es esencial para prever la evolución de las reservas de agua y por lo tanto las posibilidades de que pueda extraerlas el cultivo. El desarrollo de estas técnicas puede ser, así mismo, de aplicación en zonas de regadío con recursos hídricos limitados, o irregularmente repartidos durante la campaña de riego. En estas condiciones de regadío, el desarrollo de los ciclos del cultivo de forma que puedan aprovechar la precipitación efectiva de la mejor forma posible es un medio capaz de mejorar la eficiencia del agua que se aporta por el riego. Este es el fundamento de los denominados «riegos de apoyo», muy desarrollados en zonas que disponen de agua abundante en primavera pero donde ésta es insegura durante el verano. En este sentido, Fereres (1998) hace unas comparaciones interesantes entre los requerimientos de agua para riego en Andalucía Occidental para cultivos de ciclos fenológicos diferentes, tales como trigo, maíz, algodón y arroz y otros.

6.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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293

CAPÍTULO VI

La calidad del agua. Contaminación de las aguas producida por la agricultura. Limitaciones para su uso en la agricultura

Jorge de las Heras Ibáñez José Luis Moreno Alcaraz

1.

El concepto de calidad del agua. 1.1. La calidad del agua según la Directiva Marco de Aguas (2000/60/CE).

2.

Caracterización y control de la calidad del agua. 2.1. Parámetros físico-químicos y microbiológicos de control y seguimiento. 2.2. Índices Bióticos, con especial referencia a la fauna macroinvertebrada. 2.3. Sistemas de control y seguimiento en España: Redes de control de calidad.

3.

Perturbaciones de la calidad del agua debidas a la actividad agraria. 3.1. La eutrofización de las aguas. 3.2. Contaminación por compuestos fitosanitarios.

4.

Límites de la actividad agrícola en función de la calidad de las aguas.

5.

Referencias bibliográficas.

1.

EL CONCEPTO DE CALIDAD DEL AGUA

Es difícil establecer generalizaciones acerca del agua. Aunque se puede afirmar que el agua es uno de los recursos más abundantes de la Tierra, se sabe que la proporción disponible con seguridad para el consumo humano no llega al 1% del total. El agua es un líquido, en su mayor parte, pero también puede ser un sólido o un vapor. El agua potable es sin duda indispensable para la supervivencia humana, pero las enfermedades de origen hídrico constituyen la amenaza más frecuente para la salud en el mundo en desarrollo, y se estima que cada día cobran alrededor de 25.000 vidas humanas (PNUMA, 1991). Antes de comenzar a determinar aquellos parámetros que se utilizan habitualmente para determinar la calidad del agua, es necesario abundar en el propio concepto de calidad, el cual ha experimentado una notable evolución durante los últimos años. Para definir la calidad del agua, resulta imprescindible anteponer un uso predominante. Será este uso el que determine los parámetros más importantes a considerar ya que, en función de los mismos, se podrá clasificar un agua en términos de calidad. Así, no es lo mismo si el agua va destinada a riego, baño o para consumo. Cabe, en primer lugar, hacer una consideración sobre lo que se entiende por calidad natural del agua, ya que su determinación es una necesidad para el proceso de regulación de contaminantes asociados a la actividad antrópica. En este sentido, entendemos por calidad natural aquel conjunto de características físicas, químicas y biológicas que definen un agua sin intervención humana. De esta manera, sólo cuando debido a la actividad humana se modifica alguna de estas variables, este concepto deja de tener sentido, debiendo utilizarse el término más genérico de calidad del agua. Resulta importante esta reflexión, puesto que en numerosas ocasiones son elementos o compuestos provenientes de la propia geología y ecología del curso de agua, los que van a interferir en el concepto de calidad (Seoánez, 1995). En este sentido, las normativas reguladoras de la calidad de las aguas en función del uso, toman cada vez más en consideración la procedencia de dichos compuestos a la hora de establecer límites legales. Según el Libro Blanco del Agua en España (MIMAM, 2000), la calidad de las aguas es una variable descriptora fundamental del medio hídrico, tanto desde el punto de vista de su caracterización ambiental, como desde la perspectiva de la planificación y gestión hidrológica, ya que delimita la aptitud del agua para mantener los ecosistemas y atender las diferentes demandas. En esta definición del concepto de calidad se incide directamente en una variable ecológica (mantenimiento de ecosistemas) ciertamente novedosa que, en realidad, ya recogía el espíritu de la que luego sería la futura 297

Directiva Marco del Agua, sobre la que se tratará más adelante. Ciertamente la inclusión de variables ecológicas en el concepto de calidad, además de todas las consideraciones de uso mencionadas anteriormente, han de ser tenidas en cuenta en cualquier reglamentación sobre este recurso en cualquier país de la Unión Europea. Si el criterio a definir es el estrictamente agronómico, esto es, aptitud del agua para regadío, existen diferentes clasificaciones. Los criterios más comúnmente utilizados son recogidos por la FAO (1990) y se refieren en primer término a los riesgos de salinización y de reducción de la capacidad de infiltración en función de la conductividad y de ésta y de la Relación de Absorción de Sodio (RAS), respectivamente. Los criterios de FAO incluyen información sobre otros problemas potenciales, derivados de la toxicidad de determinados iones específicos y oligoelementos, el exceso de nitrógeno y bicarbonato y el pH (MIMAM, 2000). Las directrices propuestas sólo son aplicables en determinados supuestos referentes al clima, suelo, manejo y métodos de riego, condiciones de drenaje y patrones de absorción de la humedad por el cultivo. Cuando las características locales no se ajustan a los supuestos considerados se requiere un estudio específico del caso que podrá dar lugar a una modificación de los criterios citados. Si el uso preferente del recurso es otro (baño, consumo), los criterios de aptitud varían, tal y como ya se indicó anteriormente. Lo cierto es que, independientemente del uso del agua, el concepto de calidad ha cambiado sustancialmente en los últimos años y, con él, los criterios de aptitud. 1.1. LA CALIDAD DEL AGUA SEGÚN LA DIRECTIVA MARCO DE AGUAS (2000/60/CE) La gestión secular del recurso agua como un vulgar bien comercial, así como la continua consideración de las masas de agua continentales y costeras como medios receptores de vertidos y sustancias contaminantes, ha provocado el deterioro de las aguas comunitarias. Según indica la Directiva Marco de Aguas (DMA), en su preámbulo 4, «las aguas comunitarias están sometidas a la creciente presión que supone el continuo crecimiento de la demanda de agua de buena calidad en cantidades suficientes para todos los usos». Desde 1988, en que el Consejo presentara las primeras propuestas para mejorar la calidad ecológica de las aguas superficiales comunitarias, se ha venido confirmando a través de diversas declaraciones y propuestas, la necesidad de tomar medidas para proteger las aguas comunitarias tanto en términos cualitativos como cuantitativos (informe emitido en 1995 por la Agencia Europea del Medio Ambiente). Como consecuencia de esta situación, el Consejo, el Comité de las Regiones, el Comité Económico y Social, y finalmente el Parlamento Europeo el 23 de octubre de 1996, solicitaron a la Comisión que presentara una propuesta de Directiva del Consejo que estableciera un marco para una política europea de aguas. La DMA, nace como consecuencia de la necesidad de una legislación comunitaria que aborde la calidad ecológica (preámbulo 2), de tomar medidas para proteger las aguas comunitarias tanto en términos cualitativos como cuantitativos (preámbulo 4) y de establecer los principios básicos de una política de aguas sostenible en la Unión Europea (preámbulos 3, 5, 16, 23, 41). Es así como surge la actual DMA, el marco legal comunitario que dictará en adelante los principios de una política comunitaria de aguas que deberá ser aplicada en todos los países miembros de la Comunidad. La Directiva estableció tres años de 298

plazo a partir de su publicación el 23 de octubre de 2000, para la adaptación y trasposición del derecho interno a la DMA, por lo que actualmente ya se ha adaptado en los países miembros. Una vez traspuesta la legislación comunitaria a la nacional, cada país miembro debe cumplir los objetivos ambientales fijados por la Directiva, siguiendo el calendario y cumpliendo los plazos indicados para alcanzar dichos objetivos. 1.1.1.

Objetivos principales de la Directiva

La Directiva sentencia en su primer preámbulo que «el agua no es un bien comercial como los demás, sino un patrimonio que hay que proteger, defender y tratar como tal», marcando, desde su concepción, unos objetivos claramente ambientales. Tradicionalmente, la calidad del agua ha venido definiéndose en función de los usos a los que el agua va destinada (potable, baño, pesca, etc.). Sin embargo, la DMA ha cambiado este enfoque drásticamente, considerando que los criterios de calidad deben basarse en criterios medioambientales, concretamente en conseguir un buen estado ecológico de los ecosistemas acuáticos. Por primera vez se consideran los ríos como ecosistemas fluviales compuestos de elementos íntimamente relacionados, como la flora, la fauna, el sustrato, las características del hábitat fluvial y la zona de ribera, en lugar de ser considerados como meros canales que transportan un recurso muy útil para el hombre, el agua, del que se puede disponer y gestionar a conveniencia. Los objetivos generales de la DMA son cinco (art. 1): • Prevenir el deterioro adicional, proteger y mejorar el estado de los ecosistemas acuáticos y de los ecosistemas terrestres y humedales directamente dependientes de los acuáticos. • Promover el uso sostenible del agua basado en la protección a largo plazo de los recursos hídricos disponibles. • Incrementar la protección y mejora del medio acuático mediante la reducción progresiva de vertidos, emisiones y sustancias peligrosas. • Reducir y evitar la contaminación de las aguas subterráneas. • Paliar los efectos de las inundaciones y sequías. Como se observa, la conservación y recuperación ambiental de los ecosistemas acuáticos es el elemento conductor de la Directiva. Concretamente, y como objetivo explícito y último, la Directiva obliga a «proteger, mejorar y regenerar todas las masas de agua superficial..., con objeto de alcanzar un buen estado de las aguas superficiales a mas tardar 15 años después de la entrada en vigor de la presente Directiva, de conformidad con lo dispuesto en el anexo V...» (art. 4). Este buen estado que deben poseer las aguas superficiales españolas (ríos, humedales, lagos, aguas de transición y costeras), se deberá conseguir a través de la evaluación del estado ecológico de las masas de aguas. 1.1.2.

Evaluación del estado ecológico

El estado ecológico se define en el artículo 2.21 como «una expresión de la calidad de la estructura y el funcionamiento de los ecosistemas acuáticos asociados a las aguas superficiales, que se clasifica con arreglo al anexo V». Así, el anexo V clasifica el estado ecológico en cinco niveles de calidad (muy bueno, bueno, aceptable, deficiente 299

y malo), en función de su grado de alteración o desviación respecto a las condiciones ambientales inalteradas o naturales que deberían presentar las masas de agua en ausencia de alteraciones antropogénicas. La evaluación adecuada del estado ecológico de una masa de agua superficial, es un proceso complejo que incluye una fase previa de caracterización y tipificación de las masas de agua presentes en cada demarcación hidrográfica (anexo II). El proceso se divide en las siguientes fases: 1. Caracterización de los tipos de masas de agua superficial. En primer lugar se clasificarán en una de las siguientes categorías generales: río, lago, aguas de transición, costeras, artificiales y muy modificadas. 2. Cada categoría de agua superficial se clasificará en tipos (ecotipos) según dos sistemas, A y/o B. El sistema A clasifica la masa de agua en primer lugar en regiones ecológicas o ecorregiones según su ubicación geográfica (anexo XI), y en segundo lugar en tipos según tres descriptores: altitud, tamaño y geología. El sistema B propone un mayor número de descriptores o variables de diversa índole, incluyendo físico-químicas, hidrológicas, geológicas, morfométricas, climáticas, etc., por lo que actualmente es el más utilizado para tipificar las masas de agua. 3. Una vez se han clasificado las masas de agua en tipos, el siguiente paso es evaluar el estado ecológico actual de las mismas. La Directiva propone el uso de indicadores del estado de las aguas, que, en el caso de los ríos, son de tres tipos (anexo V): Indicadores biológicos • Composición y abundancia de la flora acuática. • Composición y abundancia de la fauna bentónica de invertebrados. • Composición, abundancia y estructura de edades de la fauna ictiológica. Indicadores hidromorfológicos • Régimen hidrológico (caudales y conexión con agua subterránea). • Continuidad del río. • Condiciones morfológicas (profundidad, anchura, sustrato del lecho y estructura de la ribera). Indicadores físicos y químicos • Generales (temperatura, oxígeno, salinidad, acidificación, nutrientes). • Contaminantes específicos (sustancias prioritarias y otras). La elección adecuada de las variables o parámetros (métricas) utilizados para caracterizar los indicadores, deben ser aptas tanto para fijar las condiciones del buen estado ecológico como para discriminar entre los diversos niveles de calidad. Entre las variables más utilizadas en la caracterización de los indicadores biológicos y por tanto en la evaluación del estado ecológico, se encuentran los índices bióticos, que serán comentados más adelante. 300

Es importante señalar que la Directiva habla de control ecológico y control químico, así como de estado ecológico y estado químico, para referirse al tipo de indicadores de calidad utilizado en la evaluación del estado de una masa de agua. 4. Establecimiento de las condiciones de referencia específicas de cada tipo. Estas condiciones son las correspondientes al muy buen estado ecológico de los indicadores de calidad hidromorfológicos, fisico-químicos y biológicos (anexo V), y definen el estado natural de una masa de gua perteneciente al tipo, es decir, en ausencia de intervención humana. Cada demarcación hidrográfica debe crear una red de estaciones de referencia por cada tipo de masa de agua. 5. Evaluación del estado ecológico de una masa de agua a partir del cociente entre el valor observado respecto al índice o parámetro y el valor de referencia correspondiente, calculado a partir de la red de estaciones de referencia del tipo. Este cociente, denominado cociente de calidad ecológica, EQR («ecological quality ratio»), varía entre 0 y 1, y representa la desviación o alteración del tramo en cuestión respecto de las condiciones naturales o de referencia. La clasificación final del estado ecológico de una masa de agua vendrá definida por el menor de los valores de los indicadores de calidad obtenidos en los controles de calidad biológicos y fisicoquímicos. El resultado será la clasificación de la masa de agua en uno de los cinco niveles de calidad indicados en el anexo V, y deberá presentarse sobre un mapa utilizando el siguiente código de colores: azul (muy buen estado ecológico), verde (buen estado), amarillo (aceptable), naranja (deficiente) y rojo (malo). Hay que puntualizar que en el caso de las masas de agua artificiales creadas por la actividad humana, o muy modificadas como consecuencia de alteraciones físicas producidas por la misma, sería imposible pretender alcanzar el buen estado ecológico. En este caso, se habla de alcanzar un buen potencial ecológico o el potencial ecológico máximo posible, aplicando los mismos elementos de calidad que sean de aplicación a cualquiera de las otras cuatro categorías de aguas superficiales que más se parezca a la masa de agua artificial o muy modificada de que se trate (anexo V). Los resultados deberán igualmente reflejarse en un mapa, pero con un código diferente. Los niveles de calidad son cuatro: bueno y superior (verde), aceptable (amarillo), deficiente (naranja) y malo (rojo), pero además se emplearán líneas bicolores, de tal forma que debe añadirse a cada color mencionado el gris claro para masas de agua artificiales y el gris oscuro para las masas de agua muy modificadas. 1.1.3.

Planes hidrológicos

Los estados miembros deberán presentar para el año 2009 los correspondientes Planes Hidrológicos de Cuenca (PHC), donde figurarán, además de los resultados de la caracterización de las masas de agua y su clasificación en tipos, otros aspectos obligatorios, entre los que se incluyen: • Un estudio de las repercusiones de la actividad humana en el estado de las aguas, es decir la identificación de presiones o impactos antropogénicos que incluirá una estimación de la contaminación puntual y difusa, del estado cuantitativo y de las extracciones practicadas. Ello se materializará en una evaluación del impacto producido por dichas presiones. 301

• Un análisis económico del uso del agua, que tenga en cuenta el principio de recuperación de costes de los servicios relacionados con el agua, incluidos los costes medioambientales y los relativos a los recursos, y de conformidad con el principio de «quien contamina paga». • Un programa de medidas necesarias para paliar dichos impactos y conseguir los objetivos ambientales de la Directiva, es decir para alcanzar el buen estado ecológico de las masas de agua. • Un registro de zonas protegidas, como las masas de agua utilizadas para abastecimientos, zonas de uso recreativo, zonas designadas para la protección de hábitats y especies, zonas pertenecientes a la red Natura 2000, etc. (anexo IV). • Establecimiento de una red de control, formada por un número suficiente de puntos de control que ofrezca una visión general, completa y coherente del estado ecológico y químico de cada cuenca hidrológica. También se establecerá un programa de seguimiento de dichos estados en la red de control, efectuado sobre todos los parámetros representativos de los indicadores de calidad biológicos, hidromorfológicos y físico-químicos. Cabe destacar que el elemento clave de los Planes Hidrológicos de Cuenca son los programas de medidas, que deben ser el instrumento mediante el cual se deben alcanzar los objetivos ambientales, y se constituye como un conjunto de estrategias y medidas para proteger, mejorar y restaurar el estado ecológico de las masas de agua europeas. 1.1.4.

Aplicación

La aplicación de la Directiva no les está resultando fácil a los países miembros. A la evidente dificultad técnica que supone la evaluación del estado ecológico tal y como se requiere, se le añade la no menor dificultad en cumplir los objetivos en los plazos exigidos (Tabla 6.1). No hay que ocultar que las Confederaciones Hidrográficas adolecen en muchos casos de la cualificación y medios necesarios para cumplir los objetivos de la Directiva, por lo que está siendo necesario un apoyo técnico en forma de contrataciones de asistencias técnicas para realizar la tipificación de las masas y el establecimiento de las condiciones de referencia. Igualmente, se han creado Grupos de Trabajo europeos para interpretar la Directiva y redactar manuales de aplicación, sobre todo en relación a las metodologías más complejas de abordar. Tabla 6.1. Plazos exigidos para el cumplimiento de la Directiva Marco de Aguas Obligación

Trasposición legislación estatal Estudios de impacto y análisis económico Registro zonas protegidas Programas de seguimiento de la calidad Planes hidrológicos Programas de medidas Ejecución programas de medidas Cumplimiento objetivos ambientales

Plazo

22 diciembre de 2003 22 diciembre de 2004 22 diciembre de 2004 22 diciembre de 2006 22 diciembre de 2009 22 diciembre de 2009 22 diciembre de 2012 22 diciembre de 2015

En resumen, la DMA fija una estrategia combinada de combatir la contaminación. Por una parte mediante normativas y medidas sobre los valores límite de emisión y 302

vertidos (sustancias prioritarias, sustancias peligrosas), y por otra, el establecimiento de objetivos de calidad ambiental a través de la evaluación y seguimiento del estado ecológico de las masas de agua.

2. CARACTERIZACIÓN Y CONTROL DE LA CALIDAD DEL AGUA 2.1. PARÁMETROS FÍSICO-QUÍMICOS Y MICROBIOLÓGICOS DE CONTROL Y SEGUIMIENTO Tal y como ya se ha comentado anteriormente, los criterios y parámetros de control de la calidad del agua, vendrán definidos en función de su uso. En general, y haciendo referencia a las líneas marcadas por las distintas Directivas que han ido modificando dichos parámetros para el uso más restrictivo cual es el consumo (80/778/CEE y 98/83/CE), los parámetros físico-químicos han ido siendo modificados en función de tres variables: 1.

Cambio en el uso dominante del territorio.

2.

Conocimiento del recurso a partir de sucesivos estudios cada vez más precisos.

3.

Aumento de la capacidad analítica de los laboratorios.

Así, en España actualmente el RD 207/2003 de 7 de febrero, por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano, se especifica la relación de compuestos a analizar en su Anexo I. En dicho Anexo, se establecen 4 grupos: A.

Parámetros microbiológicos.

B.1. Parámetros químicos. B.2. Parámetros químicos que se controlan según las especificaciones del producto. C.

Parámetros indicadores.

D.

Radiactividad.

De entre todos los compuestos a determinar, resulta novedosa la incorporación de ciertas sustancias que no se consideraban en anteriores reglamentaciones (plaguicidas específicos, trihalometanos (THMs), Tricloroeteno, Tetracloroeteno, Acrilamida, Epiclorhidrina, Cloruro de vinilo, etc.), resultado de la consideración de las anteriores variables. Algunas de estas sustancias, como es el caso de los plaguicidas, serán analizadas posteriormente en este capítulo. En todo caso, se constata el hecho de que el concepto de calidad del agua va adquiriendo una mayor complejidad a medida que surgen nuevas Directivas europeas, y que resulta necesario dotar de mayores medios a los laboratorios de control y seguimiento si se pretende caracterizar de forma adecuada la misma. Además de los parámetros físico-químicos, para el caso de las aguas de abastecimiento y las destinadas a baño, es necesario controlar las poblaciones microbianas. En el RD 207/2003 se consideran ciertos microorganismos de referencia tales como Escherichia coli, enterococos y Clostridium perfringens, cuya presencia ha de ser nula 303

en la muestra de agua (0 UFC). Por otro lado, comienza a ser relativamente frecuente en laboratorios especializados en analítica de aguas, la incorporación de otros microorganismos heterótrofos que pueden ser muy útiles a la hora de determinar el estado sanitario del agua. Una variedad de tests basados en cultivos simples sobre placas (tests HPC, Bartram et al., 2003) pueden registrar la presencia de un rango muy amplio de microorganismos. Si bien no existen tests HPC universales, sí se encuentran algunos métodos estandarizados para la detección de estos microorganismos.

Fig. 6.1.

Equipos de análisis físico-químicos de muestras de agua en campo.

2.2. ÍNDICES BIÓTICOS, CON ESPECIAL REFERENCIA A LA FAUNA MACROINVERTEBRADA La preocupación de los países desarrollados por la degradación progresiva de los cursos de agua, ha provocado que los organismos competentes desarrollen programas de control y vigilancia de la calidad de los mismos. En España, tras la Ley de Aguas de 1985, se desarrolló un sistema de control y seguimiento de la calidad del agua con el fin de mejorar el nivel actual y asegurar una mayor calidad en el futuro. Este sistema (Red COCA), utiliza el Índice de Calidad General (ICG) como estimador fundamental, basado en parámetros de carácter físico-químico. Sin embargo, el uso exclusivo de este tipo de índices, ha sido duramente criticado en primer lugar por su carácter puntual, esto es, por su incapacidad para integrar los datos temporales, lo que obliga a un seguimiento casi continuo, y en segundo lugar, por la imposibilidad de realizar análisis para la detección de todos los posibles contaminantes. Ambos inconvenientes disparan los costes de un seguimiento basado en la físico-química del agua. Además, el concepto calidad físico-química poco tiene que ver con la calidad biológica, ya que aporta escasa información sobre la «salud ecológica» del ecosistema (Alba-Tercedor, 1996). Surge así el uso de ciertas comunidades de organismos como indicadores de calidad ecológica, ya que estos reflejan con mayor fidelidad los acontecimientos o perturbaciones del «estado natural» a lo largo del tiempo. La existencia de organismos que presentan adaptaciones evolutivas a determinadas condiciones ambientales, se ven reflejadas en una determinada tolerancia a las diferentes alteraciones de esas condicio304

nes. Así, dependiendo de estos límites de tolerancia, los organismos se comportan como «sensibles» o «intolerantes» (no soportan las nuevas condiciones) y «tolerantes» (los que no se ven afectados por tales cambios). Por tanto, las variaciones en la estructura y composición de las comunidades se pueden interpretar como consecuencia de una perturbación, ya sea una contaminación orgánica, inorgánica o cualquier modificación física del hábitat fluvial. Un organismo bioindicador es aquel que tiene requerimientos concretos en relación a un conjunto conocido de variables físicas y químicas, de tal forma que un cambio de tales condiciones fuera de los límites de preferencia, provoca un cambio en su presencia/ausencia, densidad, morfología, fisiología o en su comportamiento (Johnson et al., 1992). Los factores que regulan la abundancia o su presencia/ausencia pueden ser de naturaleza física, química o biológica, y a su vez, pueden actuar sobre cualquier etapa del ciclo de vida del organismo indicador. Un buen indicador es aquel organismo que vive dentro de un rango de tolerancia ambiental muy restringido, de modo que un cambio mínimo afecta a su presencia o abundancia. De entre todos los grupos de organismos acuáticos que viven en los ríos, los macroinvertebrados bentónicos (animales invertebrados mayores de 3 mm en su estadío final de desarrollo, o que son retenidos en una red de 0,2-0,5 mm de luz de malla, y que viven en algún estadío vital asociados al fondo del lecho del río) han sido los más utilizados como bioindicadores de contaminación de los ríos (Hellawell, 1978). Las principales ventajas de utilizar a los macroinvertebrados bentónicos como bioindicadores, residen en primer lugar en que se trata de una comunidad diversa de especies, por lo que presentan una enorme gama de tolerancia frente a diversos parámetros de contaminación (Hellawell, 1986). Además, son de tamaño macroscópico, visibles a simple vista, lo que facilita su muestreo, separación y determinación, y finalmente, presentan ciclos de vida lo suficientemente largos que les permite permanecer el tiempo necesario en el río para poder detectar una perturbación. El uso de organismos indicadores en los planes de seguimiento presenta las siguientes ventajas: • Los organismos integran las condiciones ambientales a lo largo del tiempo. • Las comunidades biológicas son sensibles a los efectos de un estrés múltiple y pueden manifestar un impacto acumulativo. • La capacidad de detección de un amplio espectro de productos tóxicos. • Los estudios biológicos pueden servir de alarma temprana, detectando contaminación intermitente y perturbaciones sutiles que podrían no detectarse con estudios físico-químicos convencionales. • Pueden detectar otros impactos como alteraciones de la corriente, destrucción del hábitat, sobreexplotación, etc. La idea de que ciertas especies pueden ser utilizadas para indicar determinadas condiciones ambientales es bien conocida. Así, el uso de organismos acuáticos como indicadores de la contaminación de los ríos no es algo nuevo, sino que ha sido común desde que en la primera década del siglo pasado se publicaran los trabajos pioneros de Kolkwitz y Marsson, que desarrollaron el concepto de saprobiedad como la capacidad que tiene un organismo para degradar la materia orgánica, y aplicado sobre todo a la contaminación orgánica originada por un vertido, que a su vez viene acompañada de una disminución en la concentración de oxígeno disuelto. El sistema de saprobios 305

incluía una larga lista de especies de microorganismos indicadores de la degradación de la materia orgánica (bacterias, algas, protozoos, rotíferos), incluyendo patógenos y clasificando las aguas en diferentes categorías de calidad (oligosaprobias, mesosaprobias, polisaprobias). Posteriormente, se desarrollaron diferentes modificaciones de este sistema, creándose diversos «índices de saprobios», hasta que en los años sesenta surgió en Inglaterra el primer índice biótico basado únicamente en la comunidad de macroinvertebrados bentónicos, el denominado Indice Biótico de Trent (Woodwiss, 1964). A partir de él, se han ido desarrollando diversos índices bióticos, como el índice de Chandler en Escocia (Chandler, 1970), Biological Monitoring Working Party o BMWP en el Reino Unido (Armitage et al., 1983), y otros que son en su mayoría adaptaciones taxonómicas a los países de aplicación, provocadas por la propia variabilidad biogeográfica de la biocenosis.

Fig. 6.2.

Separación de macroinvertebrados de una muestra de agua en campo.

Entre esas adaptaciones de los índices originales a la fauna macroinvertebrada de otros países, se encuentra el índice biótico más utilizado en España, el anteriormente denominado BMWP (Alba-Tercedor y Sánchez-Ortega, 1988), y actualmente SBMWP, que como sus siglas indican, proviene de la modificación del BMWP británico (Armitage et al., 1983). La Asociación Española de Limnología recomendó su uso en España en su Congreso Nacional de 1991, aunque se han venido utilizando otros, como por ejemplo el índice del Jarama (García de Jalón y González del Tánago, 1980) derivado del índice de Chandler, el índice del Duero (García de Jalón y González del Tánago, 1986), o el índice del Foix, Besòs y Llobregat, FBILL (Prat et al., 1999), basado en el de Trent. El índice SBWMP asigna una valor de sensibilidad o tolerancia a la contaminación entre 1 y 10 a cada familia de invertebrados acuáticos, de modo que la suma total de las puntuaciones aportadas por cada familia presente en un tramo de río representará el valor final del índice. Los rangos o niveles de calidad en que se divide este índice se indican en la Tabla 6.2. Se trata de un índice de fácil aplicación, ya que no necesita el uso de las complejas técnicas analíticas inherentes a los parámetros fisico-químicos, el coste es considerablemente menor, el nivel taxonómico exigido es asequible a cual306

quier persona con un mínimo de entrenamiento, y por último, la obtención de datos es rápida, de forma que un operador puede visitar varios puntos en un día y presentar los resultados ese mismo día (Alba-Tercedor, 1996). Tabla 6.2.

Clases de calidad, significación de los valores de BMWP y colores a utilizar para representaciones cartográficas (Alba-Tercedor y Sánchez-Ortega, 1988)

Clase

Calidad

Valor

I

buena

>150 101-120

II III IV V

aceptable dudosa crítica muy crítica

61-100 36-60 16-35 >15

Significado

Aguas muy limpias Aguas no contaminadas o no alteradas de modo sensible Son evidentes algunos efectos de contaminación Aguas contaminadas Aguas muy contaminadas Aguas fuertemente contaminadas

Color

azul verde amarillo naranja rojo

Este índice está siendo utilizado por la Administración General del Estado, Organismos de Comunidades Autónomas, Confederaciones Hidrográficas y Centros de Investigación. En concreto, el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX (Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas), viene realizando desde 1985 un seguimiento de la calidad en las cuencas fluviales españolas mediante índices bióticos. Recientemente, un estudio realizado por este organismo, ha recopilado la información sobre los datos de calidad aportados por el índice biótico SBMWP en estudios de diverso origen (Confederaciones Hidrográficas, Comunidades Autónomas, Universidades), para un período de 5 años entre 1993-1998 (Avilés et al., 1997). En dicho trabajo se exponen los resultados de la aplicación del índice en un total de 1.181 puntos de 310 ríos pertenecientes a las 10 cuencas administrativas españolas (Norte, Duero, Tajo, Guadiana, Guadalquivir, Sur, Segura, Júcar, Ebro y Cuencas Interiores de Cataluña). Los resultados indican que el 40% de los tramos estudiados se encuentran contaminados (clases III, IV y V), siendo las Cuencas Interiores Catalanas, Guadalquivir y Guadiana, las que presentan peor estado. Además de los macroinvertebrados bentónicos, la Directiva Marco, en su anexo V, propone también a la flora acuática y los peces como indicadores biológicos para la evaluación del estado ecológico. En este sentido, las algas han sido un grupo ampliamente utilizado, principalmente diatomeas, pero su tamaño microscópico junto con el gran esfuerzo taxonómico necesario (nivel de determinación específico), requiere personal más especializado y además el tiempo consumido es mayor que en el caso de los macroinvertebrados. En cuanto a los peces, actualmente se encuentran en desarrollo diversas tentativas de estandarizar un índice válido, a pesar de que el valor indicador de la comunidad piscícola, en muchas ocasiones compuesta por una o dos especies en un tramo de río, presenta más problemas que otros organismos acuáticos que forman comunidades con mayor riqueza específica. Por último, fuera del agua, pero dependiendo íntimamente de su presencia y cumpliendo una importante función en el ecosistema fluvial, se encuentra la vegetación de ribera. No se trata de una comunidad bioindicadora de la calidad del agua, aunque, indiscutiblemente, se trata de una elemento imprescindible en la evaluación del estado ecológico del ecosistema fluvial. En España, se ha desarrollado recientemente un índice biológico, el denominado QBR (Munné et al., 1998), que no se basa en la com307

posición específica como otros índices, sino que pondera cuatro atributos de la comunidad vegetal ribereña: cobertura, estructura o madurez, complejidad y naturalidad, y el grado de alteración del canal fluvial. Este índice, creado y aplicado inicialmente a partir del análisis de las riberas de tres ríos catalanes (Besós, Llobregat y Foix), se viene utilizando recientemente en el resto de España. 2.3. SISTEMAS DE CONTROL Y SEGUIMIENTO EN ESPAÑA: REDES DE CONTROL DE CALIDAD En el Libro Blanco del Agua (MIMAM, 2000), se describen las redes de control de calidad de aguas históricas y actuales, y se presentan, además, mapas de los resultados obtenidos. Los objetivos principales de una red de medida de la calidad de aguas son: • Describir las condiciones actuales de la calidad de las aguas. • Analizar las tendencias a largo plazo. • Identificar los factores que afectan a la calidad de las aguas. Una red de calidad consiste, por tanto, en la ubicación de una serie de puntos o estaciones de muestreo sobre los que se establece un programa de control de calidad, donde se definen los parámetros a medir, el número de muestras a tomar y la frecuencia del muestreo. La red se suele diseñar en función de los diversos usos del agua (abastecimiento doméstico, vida piscícola, acuicultura, baño, regadíos, industrias), ya que los parámetros a analizar y los niveles de concentración de contaminantes permitidos varían según dichos usos. Así, en España han existido varias redes de control: • Red COAS (Control Oficial de Abastecimientos), para aguas potables. • Red Ictiofauna, que evalúa la actitud del agua para la vida piscícola en 150 tramos de río. • Red COCA (Control Oficial de Calidad del Agua), creada en 1962, incluye tanto tramos de río contaminados como de buena calidad, con el fin de evaluar la calidad general de las aguas de todo un territorio. En esta red se aplica un control de calidad basado en un índice químico, el ICG (Índice de Calidad General), cuyo valor oscila entre 0 y 100 y utiliza para su cálculo hasta 23 parámetros químicos (Tabla 6.3). En total, en España existen 456 puntos de control COCA, con una densidad media de uno por cada 1.000 Km2, donde se analizan entre 4 y 120 parámetros con una frecuencia de entre 4 y 26 muestras anuales. Algunos puntos de esta red disponen de una serie de datos de más de 30 años. • Red ROCAS (Red de Observación de Calidad de Aguas Subterráneas), implantada por el ITGE (Instituto Tecnológico y Geominero de España) en la década de los 70 del pasado siglo. En ella se analizan macroconstituyentes químicos con frecuencia semestral, y está constituida por 1.650 puntos. • Red ROI (Red de Observación e Intrusión), que evalúa la intrusión marina en acuíferos costeros, marcada por la concentración en cloruros y la conductividad (salinidad) del agua. La periodicidad del control es bimestral o semestral, y está constituida por 798 puntos. • Red Nacional de Control de la Radioactividad Ambiental en aguas superficiales, que controla el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN). 308

Tabla 6.3.

Grupos de parámetros y frecuencias de muestreo establecidas en la red COCA

Grupos de parámetros

Grupo A

Caudal Temperatura Oxígeno disuelto Sólidos suspensión pH Conductividad DQO DBO5 Coliformes totales

Grupo B

Sólidos disueltos Cloruros Sulfatos Calcio Magnesio Sodio Potasio Fosfatos Nitratos Nitritos Amoniaco Carbonatos Bicarbonatos Detergentes

Grupo C

Sílice Grasas Cianuros Fenoles Fluoruros Cadmio Cromo Mercurio

Grupo D

Arsénico Cobre Hierro Manganeso Plomo Zinc Antimonio Níquel Selenio

Frecuencia de muestreo estación normal

mensual

semestral

anual

anual

estación preferente

mensual

trimestral

trimestral

trimestral

estación especial

mensual

mensual

mensual

mensual

En 1993, las redes COCA, COAS e Ictiofauna, se integraron en una única red Integrada de Calidad de Aguas (ICA). Esta red incluye, además de los puntos de muestreo sistemáticos y periódicos, las Estaciones Automáticas de Alerta (EAA), que ejecutadas bajo el proyecto SAICA (Sistema Automático de Calidad de Aguas), envían continuamente información analítica en tiempo real a los centros de control y decisión. El índice I.C.A. se calcula con la siguiente fórmula (Martínez Bascarán, 1979): I.C.A. = (∑ Ci Pi / ∑ Ci) k donde Ci es el valor obtenido en el análisis de un parámetro, Pi el peso del parámetro (entre 1 y 4, según su importancia en los criterios normales de calidad) y k es una constante que varía de 0,25 a 1 según la contaminación aparente del agua (color, olor, etc.). A nivel mundial, resulta relevante destacar la puesta en marcha desde 1977, del sistema mundial de vigilancia del medio ambiente (SIMUVIMA) del PNUMA y la OMS, en colaboración con la Unesco para establecer una red mundial de vigilancia de la calidad del agua. Mediante el seguimiento de más de 50 variables, se obtiene información sobre la idoneidad del agua para el consumo humano y para el uso agrícola, comercial e industrial. Estudios recientes han indicado que los principales contaminantes del agua son los residuos líquidos, los nutrientes, los metales tóxicos y los productos químicos industriales y agrícolas. Algunas de las conclusiones que se pueden sacar de la evaluación del SIMUVIMA durante los últimos años son las siguientes: la naturaleza y el grado de la contaminación del agua dulce dependen en gran medida del desarrollo socioeconómico; los contaminantes más comunes del agua son las materias orgánicas de las aguas servidas domésticas, los desechos municipales y los efluentes agroindustriales; y los altos niveles de nitrato hallados en el agua en Europa occidental y los Estados Unidos son consecuencia de los fertilizantes y abonos nitrogenados que se utilizan en la agricultura intensiva. La evaluación del SIMUVIMA también reveló un 309

espectacular aumento del empleo de fertilizantes en los países en desarrollo, sobre todo en las zonas en que el riego intensivo permite el cultivo doble o triple.

3. PERTURBACIONES DE LA CALIDAD DEL AGUA DEBIDAS A LA ACTIVIDAD AGRARIA La agricultura no sólo es el sector que consume más agua en el mundo en términos de volumen. También representa, en comparación con otros sectores, un uso de bajo valor, poco eficiente y muy subvencionado. En el pasado, el gasto interno en riego era la principal partida de los presupuestos agrícolas en países de todo el mundo. Por ejemplo, desde 1940 México ha destinado el 80% de su gasto público en la agricultura a proyectos de riego. En China, Indonesia y el Pakistán, el riego ha absorbido más de la mitad de la inversión agrícola. En la India, se ha consagrado a él alrededor del 30% de la inversión pública total (Bhatia y Falkenmark, 1992). Así, una parte importante de la asistencia internacional para el desarrollo se ha destinado a establecer sistemas de riego. En los años ochenta, el riego acaparó casi el 30% de los préstamos agrícolas del Banco Mundial y una vez establecidos, los proyectos de riego se convierten en una de las actividades económicas más subvencionadas del mundo. A mediados de los años ochenta del siglo XX, Repetto (1986) estimó que las subvenciones medias al riego en seis países asiáticos cubrían el 90% de los costos totales de funcionamiento y mantenimiento. Los estudios de casos revelan, sin embargo, que por término medio, los derechos que se pagan por el riego representan menos del 8% del valor de los beneficios que esta actividad aporta. No obstante las ingentes inversiones y subvenciones, los indicadores de los resultados del riego no alcanzan los niveles esperados en cuanto al aumento del rendimiento, la superficie regada y la eficiencia técnica en el aprovechamiento del agua. En algunos casos se desperdicia hasta el 60% del agua captada o bombeada para el riego (FAO, 1990). Aunque ciertas pérdidas son inevitables, con frecuencia el agua en exceso se vuelve a filtrar en el terreno, provocando anegamiento y salinidad. Una cuarta parte de todas las tierras regadas de los países en desarrollo está afectada por grados variables de salinización. Por otro lado, el agua estancada y el drenaje insuficiente del riego elevan la incidencia de las enfermedades de origen. Pero no sólo el mal uso y abuso en el consumo de los recursos hídricos en agricultura es la única causa del deterioro de los mismos. La aplicación inadecuada de fertilizantes y productos fitosanitarios, además de otras fuentes difusas y localizadas (vertidos de aguas residuales urbanas e industriales) y la sobreexplotación de los recursos hídricos, en especial de los acuíferos, son las principales causas de que la calidad de las aguas superficiales y, sobre todo, subterráneas en España resulte en muchos casos inapropiada para sus usos potenciales debido a la presencia de sustancias no deseables (CEMACAM, 2003). Las aguas subterráneas constituyen uno de los medios receptores más importantes de contaminación, ya que, si bien se encuentran más protegidas que la superficiales, una vez que el contaminante se incorpora a dicho medio es mucho más difícil de eliminar, de ahí que en muchos casos la contaminación de las aguas subterráneas llegan a constituirse en un proceso irreversible. Sin duda el nitrato, por ser un compuesto muy soluble, se encuentra entre las sustancias que más rápidamente se incorpora a los cursos de agua naturales. Así, numerosos acuíferos de la geografía española se encuentran contaminados por nitrato: cuencas 310

rm aci ón info de Efi c Au par ienci me am ad nto ane ecre de jo d cie co n er sto ecu te en rso la p s ro d ucc ión

Nutrientes Erosión/sedimentación Calidad sanitaria Residuos orgánicos

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le mp

Microelementos tóxicos

Temperatura elevada

Fig. 6.3.

Co

Pesticidas

Nitrato Salinidad

Complejidad jerárquica de los problemas de calidad del agua relacionados con la agricultura (Rickert, 1993).

de los ríos Guadiana, Guadalquivir, Segura, Júcar (De las Heras et al., 2001) y zonas puntuales del Ebro y Tajo. Son diversas las fuentes de carga de nitratos a los cursos de aguas naturales: • Aguas de lluvia que llevan en disolución nitrato y amonio. • Vertidos de aguas residuales. • Lixiviación en vertederos incontrolados. • Residuos orgánicos procedentes de ganado estabulado. • Excedentes de fertilizantes nitrogenados, no usados por la planta y lixiviados a la zona saturada. De las fuentes de cargas anteriores la que más influencia tiene en el área de estudio considerada en el presente trabajo, es la debida a la percolación de las aguas de riego en zonas de cultivos intensivos. En consecuencia, la dosificación en exceso de fertilizante nitrogenado es la mayor causa de riesgo. Los excedentes de nitrato en el nivel superficial del suelo, que incluye la zona radicular de la planta, muy móviles, pueden ser transportados a la zona no saturada del suelo, donde se mueven a velocidades aproximadas entre 50 y 100 cm año–1, dependiendo de las características del suelo, hasta llegar la zona saturada donde ocurren procesos de dilución. Las aguas subterráneas contaminadas por nitrato son difíciles de descontaminar y en todo caso el proceso es lento. La Unión Europea limita la concentración máxima de nitrato en aguas para consumo en y dicha limitación se mantiene en la reglamentación española (el RD 207/2003 señala como valor paramétrico 50 mg l–1 para el nitrato). Parece probado que excesos respecto al nivel máximo indicado ocasionan trastornos en la salud, especialmente en lactantes, por reducción de aquellos a nitrito, dando lugar en casos extremos a cianosis y la formación de nitrosaminas (Gray, 311

1994). Así, el problema fundamental de los nitratos en la salud radica en que pueden ser reducidos a nitritos en el interior del organismo humano, especialmente en los niños de menos de tres meses de edad y en adultos con ciertos problemas. Los nitritos producen la transformación de la hemoglobina a metahemoglobina. La hemoglobina se encarga del transporte del oxígeno a través de los vasos sanguíneos y capilares, pero la metahemoglobina no es capaz de captar y ceder oxígeno de forma funcional. Bajo un punto de vista medioambiental, uno de los problemas más graves relacionados con el aporte de macronutrientes vegetales en los cursos de aguas naturales es, sin duda, la eutrofización. 3.1.

LA EUTROFIZACIÓN DE LAS AGUAS

Los conceptos oligotrófico y eutrófico fueron empleados por Thienemann (1918) para definir distintos tipos de lagos. En la actualidad, se entiende que toda masa de agua continental presenta un proceso de envejecimiento natural que viene motivado por los aportes procedentes de diversas fuentes: • Materiales superficiales del terreno. • Materiales arrastrados por lluvia y hielo. • Materiales aportados por el viento. • Materiales aportados por flujo subterráneo. El proceso global que determina la vida de una masa de agua continental se denomina eutrofización, y presenta una velocidad de actuación muy variable dependiendo de la intensidad con que intervienen los anteriores aportes, de manera que los grandes lagos pueden tardar cientos de miles de años en completar su ciclo de vida. Cuando la intensidad de los aportes aumenta, bien por causas naturales (grandes incendios en las masas forestales que cubren las cuencas de drenaje) o por causas antropogénicas (las más frecuentes), el proceso de envejecimiento de la masa de agua se acelera, acortándose la vida del lago o embalse (Ryding y Rast, 1989). Como la propia erosión, la eutrofización es, bajo un punto de vista ecológico, un proceso natural, el cual determinará el período de vida de una masa de agua continental. Las definiciones más recientes de eutrofización tienden a asignar el desarrollo del proceso a la actividad del hombre, ya que ésta ha propiciado la intensificación de procesos erosivos que promueven la pérdida acelerada e indeseable de los suelos (erosión acelerada o antropogénica) de igual forma que el aumento de los aportes de elementos y compuestos que ayudan a potenciar el proceso de eutrofización Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto, la OCDE (1982) define la eutrofización como: «El enriquecimiento en nutrientes de las aguas que provoca la estimulación de una serie de cambios sintomáticos entre los que el incremento en la producción de algas y macrófitos, el deterioro de la calidad del agua y otros cambios sintomáticos resultan indeseables e interfieren en la utilización del agua». Se desprende de la definición anterior que, de todos los aportes que recibe una masa de agua, son los nutrientes vegetales la principal causa de la eutrofización. Asimismo, se apuntan las modificaciones biológicas más notables que tienen lugar durante el proceso, y se introduce el concepto de deterioro de la calidad del agua como uno de los cambios sintomáticos del mismo que van a interferir el uso de este recurso. 312

3.1.1.

El papel de los macronutrientes en la eutrofización

El crecimiento de las poblaciones de algas viene limitado por factores bióticos (interacciones inter e intraespecíficas) y abióticas (luz, oxígeno, temperatura y nutrientes). Liebig (1840) estableció que el rendimiento último de un cultivo está limitado por el nutriente esencial que es más escaso en el entorno (Ley del mínimo). De igual forma, la producción algal en una masa de agua vendrá acondicionada por su carga de nutrientes, siendo los macronutrientes: C, P y N, la variable control principal. Por otro lado, Redfield (1934) y Fleming (1940) estudiaron la materia orgánica del plancton, estableciendo que, en la misma, se cumplía la siguiente relación atómica referida a macronutrientes: 106 C: 16 N: 1 P Esto implica que el C sólo es limitante cuando el agua está cargada de P y N, existiendo además una gran disponibilidad de luz y elevadas temperaturas, lo cual resulta muy infrecuente. En realidad, se puede decir que la limitación en C sólo afecta a ciertas especies de algas, más que a su cantidad. Con todo ello, se puede concretar que los nutrientes limitantes del crecimiento algal en una masa de agua son el nitrógeno y el fósforo en sus formas asimilables. La temporalidad es otro importante factor a tener en cuenta: un nutriente puede limitar producción de biomasa algal en un momento dado y el otro en un momento distinto, de manera que, a efectos prácticos, se suele considerar uno sólo el nutriente limitante en cada caso, siendo el fósforo el factor seleccionado en las estrategias de control de la eutrofización, debido a que se extrae fácilmente de las aguas residuales mediante tratamientos baratos y estandarizados. Bajo el punto de vista estricto del control se puede decir, por tanto, que el fósforo es el único elemento esencial que se puede conseguir que limite fácilmente el crecimiento de las algas. 3.1.2. PRINCIPALES FUENTES DE CARGA DE NUTRIENTES EN LAS MASAS DE AGUA La eutrofización es un proceso natural, por tanto, que puede acelerarse notablemente a partir del grado de incidencia de varios factores. En la mayoría de los casos estos factores van a influir sobre la cantidad de macronutrientes que pueden llegar a una masa de agua así como sobre la formación de flujos preferentes subterráneos que canalizan de manera imperceptible dichos nutrientes hacia zonas concretas, dependiendo a partir de las características hidrogeologías del terreno. En todo caso, las principales fuentes de carga más frecuentes son (De las Heras, 2001): a. Aguas residuales procedentes de la actividad agraria. Muchas actividades agrarias relacionadas con la producción animal pueden producir aguas residuales cargadas en nutrientes. En numerosas ocasiones, los efluentes procedentes de los montones de estiércol, los efluentes de ensilaje y los purines se interconectan mediante sistemas de tanques sépticos que, en numerosas ocasiones presentan problemas de filtraciones, o bien se almacenan en zanjas excavadas en el suelo. b. Terrenos agrícolas. El terreno cultivado puede ser la principal fuente de nutrientes en lagos y pantanos (Sonzogni et al., 1980). Es especialmente desta313

cable la gran incidencia que presenta la aplicación en exceso de residuos ganaderos a los cultivos. Se puede establecer una equivalencia entre algunos de estos residuos y los fertilizantes inorgánicos más utilizados. c. Terrenos no cultivados. En praderas, bosques, zonas pantanosas y otros terrenos con cubierta vegetal estable, las cargas por unidad de superficie para la mayoría de los terrenos no cultivados son relativamente bajas a excepción de los terrenos para la alimentación del ganado, en donde se registran los valores más elevados tanto para el N como para el P. 3.1.3.

Consecuencias de la eutrofización

La eutrofización genera una serie de importantes cambios en las características físicas, químicas y biológicas del lago. De forma global, estos efectos generales se pueden resumir en los siguientes puntos: a) Disminución de la diversidad de especies y sustitución de comunidades dominantes. b) Aumento de la biomasa vegetal y animal. c) Aumento de la turbidez del agua. d) Aumento del grado de sedimentación. e) Liberación de metales pesados de los sedimentos (Fe, Mn, etc.). f) 3.1.4.

Variación del pH del agua. Prevención de la eutrofización

Resulta paradójico que una de las fuentes de carga de macronutrientes más importante sean los residuos procedentes de explotaciones ganaderas y, sin embargo, la mayor parte de la superficie agrícola útil disponible en España, no sea utilizada como sumidero de dichos residuos. Sin duda, este grave problema emana de una deficiente gestión de los estiércoles y purines. Se ha demostrado que las mejores medidas de control de la eutrofización son aquellas que pasan por la prevención, esto es, la limitación del acceso de macronutrientes a las masas de agua continentales. En ese sentido, pueden destacarse tres actuaciones: a) Aplicación racional de abonos minerales y orgánicos a los cultivos. b) Aplicación efectiva de los programas de actuación desarrollados para las zonas vulnerables. c) Máxima prevención de la erosión del suelo. 3.2.

CONTAMINACIÓN POR COMPUESTOS FITOSANITARIOS

La aplicación de dosis elevadas de compuestos fitosanitarios, pesticidas o plaguicidas (insecticidas, herbicidas, fungicidas, etc.) suponen un riesgo para la calidad de las aguas subterráneas en las zonas agrícolas, puesto que pueden ser lixiviadas hasta alcanzar el nivel freático. La existencia de abastecimientos públicos con 314

aguas subterráneas en zonas agrícolas, junto con la potencial toxicidad que estos compuestos presentan, refuerza el interés por el control de la calidad de las aguas en estas áreas. Los plaguicidas son sustancias químicamente complejas que una vez aplicadas al medio están sujetas a una serie de transformaciones a nivel físico, químico y biológico (fenómenos de adsorción y absorción sobre suelos y plantas, volatilización, fotólisis y degradación química o microbiana). Estas transformaciones pueden conducir a la generación de metabolitos o a la degradación total de los compuestos. El movimiento de los plaguicidas al agua subterránea depende de las características del medio y del propio compuesto. Entre las propiedades del suelo cabe destacar la proporción de materia orgánica, la granulometría de los diferentes horizontes, la presencia de arcillas, que pueden inmovilizar el compuesto en el suelo y la presencia de iones metálicos o variaciones de pH capaces de catalizar determinadas reacciones de degradación. Por otra parte, las propiedades que más influyen en la incorporación de los plaguicidas a un acuífero son su persistencia (vida media) y su movilidad (adsorción y solubilidad). Los compuestos derivados orgánicos de síntesis de origen agrícola que pueden llegar a detectarse en las aguas subterráneas son muy variados, dependiendo de los factores antes indicados. Resulta frecuente en zonas de agricultura intensiva o bajo los suelos de extensos regadíos, encontrar metabolitos de compuestos organoclorados persistentes (que han dejado de aplicarse hace muchos años, como es el caso del DDT), junto a concentraciones variables de otros compuestos de uso habitual en la actualidad, como es el caso de ciertos triazínicos (atrazina, simacina, etc.). Según el MIMAM (2000), la contaminación debida a la utilización de productos fitosanitarios ha ocasionado en la cuenca del Guadiana la acumulación de aldrín, DDT, HCH y atrazina en zonas regables de la Mancha Occidental, que en ocasiones exceden los límites máximos autorizados para aguas potables. Según este informe, en la depresión de Baza están presentes compuestos organoclorados y organofosforados; en el aluvial del Guadalquivir, se ha constatado la presencia de HCH; en las Planas de Sagunto y Valencia Sur y el Caroch Sur, el dicloroetano alcanza concentraciones significativamente elevadas. Sin duda, la aplicación de compuestos orgánicos de síntesis de forma masiva en los suelos agrícolas de extensas zonas en España, comienza a originar importantes problemas de contaminación en los cursos de agua subterráneos. En este sentido, el RD 207/2003 de 7 de febrero, por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano, anteriormente citado, ya establece en su Anexo I (parámetros y valores paramétricos), apartado B.1. (parámetros químicos), límites a la concentración de ciertos plaguicidas (aldrín, dieldrín y heptacloro), además de un límite genérico para plaguicidas individuales (0,1 µg l–1) y otro para el total de plaguicidas en la muestra de agua (0,5 µg l–1). La intencionalidad, pues, queda clara a la hora de considerar los plaguicidas como una fuente importante de deterioro de la calidad del agua. Sin embargo, como en tantas ocasiones cuando la referencia tiene que ver con parámetros físico-químicos, queda en el aire la capacidad real de poder determinar de forma eficaz todos y cada uno de los compuestos orgánicos de síntesis de una muestra de agua dada, así como la efectividad del muestreo del recurso, ya que muchos de estos compuestos presentan una gran movilidad en la fase acuosa del suelo y pueden escapar a los controles rutinarios. 315

4. LÍMITES DE LA ACTIVIDAD AGRÍCOLA EN FUNCIÓN DE LA CALIDAD DE LAS AGUAS Resulta probado que la actividad agrícola y ganadera son, junto con otras fuentes urbanas e industriales, las principales causas de eutrofización de masas de aguas continentales en todo el mundo. La necesidad de poner en marcha prácticas agrarias que aseguren un desarrollo sostenible, sin poner en peligro la calidad de los recursos hídricos en el futuro, se hace imprescindible en la actualidad. En este sentido, la Directiva 91/676 CEE prevé la elaboración de unos códigos de Buenas Prácticas Agrarias que podrán poner en práctica los agricultores de los países miembros de forma voluntaria, teniendo como objetivo fundamental la reducción de la contaminación de las aguas por nutrientes. Estos códigos deberán contemplar disposiciones sobre: • Períodos en que no es conveniente la aplicación de fertilizantes a los terrenos. • La aplicación de fertilizantes a tierras en terrenos situados en pendiente. • La aplicación de fertilizantes a suelos hidromorfos, inundados, helados o cubiertos de nieve. • Condiciones de aplicación de fertilizantes a tierras cercanas a cursos de agua. • Capacidad y diseño de los tanques de almacenamiento de estiércol, medidas para evitar la contaminación del agua por escorrentía y filtración de líquidos que contengan residuos procedentes de productos vegetales almacenados. • Procedimientos para la aplicación a la tierra de fertilizantes químicos y estiércol que mantengan las pérdidas de nutrientes a un nivel aceptable, considerando tanto la periodicidad como la uniformidad de la aplicación. Asimismo, se establecerán programas que fomenten la ejecución de estos códigos a partir de la formación e información de los agricultores. Este tipo de normativas tratan de solucionar la falta de uniformidad de las distintas legislaciones nacionales e, incluso locales (autonómicas, en el caso de España). Sólo mediante la puesta en marcha de programas comunes se conseguirá una disminución eficaz de la eutrofización de los lagos y embalses europeos. Hay que hacer notar que, en la actualidad, la legislación ambiental de la UE se rige por el principio de no degradación (stand still), mediante el cual no se puede autorizar una mayor degradación de las aguas de los países miembros respecto de la calidad que presentan en el momento de transponer una Directiva (lo cual ha llevado a que se produzcan notables agravios comparativos en función de los distintos niveles de vida existentes). Dentro de la legislación existente al respecto de limitaciones de la actividad agraria en función de las posibles consecuencias que de la misma pudieran derivarse en materia de calidad de las aguas, resultan especialmente relevantes las distintas trasposiciones de la Directiva 91/676/CEE de 12 de diciembre de 1991, relativa a la protección de las aguas contra la contaminación producida por nitratos utilizados en la agricultura. Dicha Directiva fue traspuesta a la normativa española por el RD 261/1996 de 16 de febrero, y a partir de ese momento, se insta a las distintas Comunidades Autónomas a la declaración de aquellas zonas vulnerables que se reconozcan en su territorio. Una vez declarada una zona vulnerable, ha de establecerse un Programa de Actuación en la citada zona, que debe tener por objeto prevenir la contaminación causada por los nitra316

tos de origen agrario derivada del uso inadecuado, momentos y técnicas de aplicación, así como la escorrentía y filtración de líquidos procedentes de la actividad ganadera. Ha de limitarse, por tanto, la carga de nitrógeno para la zona, dosis óptima de fertilizante y distribución de los aportes a lo largo del ciclo del cultivo a partir de la realización de los correspondientes balances en los que han de considerarse los aportes procedentes de la materia orgánica del suelo (humus estable, residuos de cosechas anteriores, estercolados, etc.), el posible nitrógeno residual en el momento del inicio de la actividad productiva, el nitrato procedente del agua de riego, etc. Como salida principal, ha de tenerse en cuenta las extracciones de los cultivos en su ciclo de crecimiento y desarrollo. Para una adecuada gestión de la fertilización es necesaria, por tanto, la realización de análisis de fertilidad del suelo previos a la planificación, así como un seguimiento de los resultados obtenidos mediante análisis del material vegetal del cultivo, para asegurar una optimización de la nutrición vegetal en función del ritmo de absorción de la planta. Tal y como indica Fereres (2001), para manejar juiciosamente el agua en la agricultura es necesario un enfoque cuantitativo que permita conocer en todo momento el balance hídrico de un campo cultivado, existiendo suficientes conocimientos tradicionales, científicos y desarrollo tecnológico para utilizar el agua de forma eficiente. Resulta más eficaz aplicar medidas preventivas que medidas restauradoras, toda vez que estas últimas resultan mucho más costosas y, difíciles de acometer. Es necesario apostar por un tipo de agricultura y ganadería sostenible, que considere el agroecosistema en su conjunto, teniendo en cuenta en todo momento todos los insumos que van a ser aplicados sobre el mismo. Sólo de esta manera se podrá evitar el deterioro de la calidad de un recurso imprescindible y, por tanto, de valor incalculable, como es el agua.

5.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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318

CAPÍTULO VII

Agua y agricultura sostenible. Presente y futuro del cultivo en secano

Francisco J. Montero Riquelme Antonio Brasa Ramos

1.

Introducción.

2.

Agua y agricultura sostenible.

3.

El secano y los sistemas agrícolas.

4. Disponibilidad hídrica. 4.1.

Recursos hídricos.

4.2.

Producción y demanda de alimentos.

4.3.

El manejo del suelo y del agua en zonas áridas.

4.4.

Sistemas agrarios en España.

4.5.

Las limitaciones productivas en España.

5. La mejora de la disponibilidad de agua en el secano. 6. El papel de la cubierta vegetal en el mantenimiento de un sistema sostenible. 7. El viñedo: un sistema sostenible en Castilla-La Mancha.

8.

7.1.

La situación en España.

7.2.

La situación en Castilla-La Mancha.

Referencias bibliográficas.

1.

INTRODUCCIÓN

Tal y como refiere FAO (2002), el agua y la seguridad alimentaria están estrechamente relacionadas. Aproximadamente 800 millones de personas en el mundo todavía pasan hambre y la mayoría de ellos viven en regiones deficitarias de agua. Cuando en 1994 la FAO inició su Programa Especial para la Seguridad Alimentaria, era consciente de que frecuentemente la falta de acceso al agua era un factor limitativo muy importante para aumentar la producción de alimentos. En el futuro, una cuestión clave será si en las próximas décadas la escasez de agua se convierte en un serio impedimento para la producción de alimentos. Mucha gente piensa que conoce la respuesta: argumentan que la reserva mundial de agua renovable es constante y por tanto no puede ser incrementada; consecuentemente, los recursos hídricos per cápita disminuyen a medida que aumentan la población y las necesidades; además, una gran parte del agua del mundo se malgasta sin control en regadíos ineficaces, muchos con extracciones insostenibles de aguas subterráneas. En los países en desarrollo y durante los próximos 30 años podríamos aumentar el área efectivamente regada en un 34% y necesitaríamos solamente un 14% más de agua para lograrlo. Ello puede ser posible a través de dos vías. La primera es que en algunos países en desarrollo el cambio de dieta de la población está contribuyendo a mejorar la eficiencia del regadío. Por ejemplo, el arroz es un cultivo que consume mucha agua, aproximadamente el doble que el trigo. Cuando la gente coma más trigo y menos arroz se necesitará menos agua de riego. El efecto de esta tendencia será pequeño pero notorio antes de 2030 (FAO, 2002). La segunda vía, más importante, es nuestra convicción de que en los próximos treinta años la eficiencia de riego puede incrementarse de un promedio del 38% a alrededor del 42%. Un estudio de la FAO realizado en 93 países en desarrollo muestra que en 1998 la extracción de agua para la agricultura fue aproximadamente 2.128 km3 (FAO, 2003). Si la eficiencia de riego puede aumentarse hasta un 42%, y creemos que es factible con un esfuerzo conjunto y aplicando la tecnología actualmente disponible, calculamos que en 2030 será necesario utilizar solamente 2.420 km3 de agua para regar una superficie neta cultivada algo más de un tercio superior a la actual. Aunque esta conclusión es optimista, no debemos olvidar que el agua escasea ya en muchos países, y que otros muchos también padecen localmente graves sequías. En 321

los años venideros estos países y estas regiones necesitarán una atención especial y aumentar sus eficiencias de riego en cifras superiores al 4%. Una de nuestras prioridades principales debe ser por tanto aumentar la eficiencia del riego, produciendo más por cada m3 de agua empleado. La FAO intenta hacer todo lo posible para ayudar a los países en este sentido, lo cual comportará un aumento de la seguridad de los recursos hídricos y una mejora de la seguridad alimentaria. En las regiones más húmedas donde se produce cerca del 60% de los cultivos del mundo, la lluvia es la fuente de agua para la producción agrícola. La agricultura de secano se practica en el 80% de las tierras arables. En las áreas secas la captura de agua de lluvia (p. ej., terrazas y lomos, pequeñas represas, etc.) puede reducir los riesgos e incrementar los rendimientos. Hay interesantes perspectivas para aumentar la producción de secano siempre que se hagan las inversiones adecuadas en tecnología, mejoramiento institucional e investigaciones.

2.

AGUA Y AGRICULTURA SOSTENIBLE

Girona (2000) señala que si entendemos por agricultura sostenible aquella que es capaz de producir utilizando los mínimos imputs foráneos, pero que a la vez puede mantenerse ya que sus resultados económicos son positivos, tendremos una doble visión del concepto Agricultura Sostenible: una medioambiental y otra económica. Dado que el agua es uno de los factores de producción más importantes, y a la vez uno de los recursos naturales más escasos en agricultura, es fácil predecir que ésta va a jugar un importante papel en los aspectos económicos y medioambientales de la agricultura sostenible. La importancia del agua en la producción y su calidad, es decir, en los aspectos económicos del proceso, viene determinada básicamente por la dependencia que tienen de la misma tanto el crecimiento vegetativo como la acumulación de sustancias de reserva (Hsiao, 1973). La agricultura de secano, que cubre el 83% de las tierras agrícolas mundiales, proporciona alrededor del 60% de la producción alimentaria mundial. La agricultura de regadío, que es responsable del 70% de las extracciones mundiales de agua, cubre sólo el 17% de las tierras cultivadas (unos 270 millones de hectáreas) y contribuye con casi el 40% a la producción alimentaria mundial. Los productos vegetales constituyen el 92% de la dieta humana, y son unas 30 especies las que suministran la mayor parte de las calorías y proteínas a escala mundial; entre ellas están ocho especies de cereales que en conjunto suponen el 70% del suministro mundial de alimentos. Los productos animales aportan el 8% de la dieta mundial, y proceden a su vez de forma indirecta de vegetales. Durante la primera década del siglo XXI, es probable que la población mundial crezca en otros 1.000 millones de personas. La proyección media es que en 2025 se alcancen los 8.300 millones de personas, antes de que se estabilice, en el mejor de los casos, en los 10.000-11.000 millones al final del siglo XXI. Al menos en el futuro predecible, las plantas y especialmente los cereales, continuarán aportando prácticamente toda la creciente demanda alimentaria. Incluso si el 322

consumo actual per cápita de alimento permanece constante, el crecimiento de la población requeriría que la producción mundial de alimentos se incrementara en 2.600 millones de toneladas brutas, o lo que es lo mismo, el 57% entre 1990 y 2025. Los investigadores agrícolas, y los agricultores de todo el mundo afrontan el reto de desarrollar y aplicar una tecnología que permita incrementar los rendimientos del cereal un 50-75% durante los próximos 25 años, de manera que sea económica y medioambientalmente sostenible su cultivo. Una gran parte de este incremento procederá de la aplicación de tecnología ya existente. Previsiblemente habrá también nuevos avances de investigación, especialmente en selección vegetal, para mejorar la estabilidad del rendimiento y, esperemos, un mayor potencial genético de aquel. Es necesaria, la continua mejora genética de los cultivos alimentarios, usando las herramientas de investigación tanto convencionales como biotecnológicas, para elevar el límite del rendimiento e incrementar su estabilidad. En arroz y trigo, se están siguiendo tres estrategias distintas pero interrelacionadas para incrementar el máximo potencial genético de rendimiento: cambios en la estructura de la planta, hibridación y utilización de recursos genéticos más amplios (Rajaram y Borlaug, 1996; Pingali y Rajaram, 1997). Se han alcanzado progresos importantes, en estas tres áreas con el desarrollo del nuevo «super arroz», que presenta menos hijuelos pero más productivos. Aunque aún faltan probablemente de 10 a 12 años para su difusión generalizada en los campos de producción, se afirma que este tipo de planta, unido a los sistemas de siembra directa, podría incrementar el potencial de rendimiento del arroz de un 20 a un 25% (Kush, 1995). En trigo, nuevas plantas con una estructura similar a los «super arroces» (espigas más grandes con más grano y menos ahijamiento) podrían llevar a un incremento del rendimiento potencial del 10 al 15% (Rajaram y Borlaug, 1996). Introduciendo genes de especies silvestres próximas genéticamente en el trigo cultivado, se podrían aportar importantes fuentes de resistencia a diferentes estrés bióticos o abióticos, y también un mayor rendimiento potencial, especialmente si los trigos sintéticos se usan como progenitores en la producción de trigos híbridos. Borlaug y Dowswell (2000) afirman que el éxito del arroz híbrido en China (que ahora cubre más del 50% de la superficie de regadío) ha llevado a un renovado interés en el trigo híbrido. En este cultivo la mayor parte de la investigación había cesado por varias razones, principalmente la baja heterosis (que intenta aprovechar la esterilidad citoplásmica masculina) y los altos costes de producción de semillas. Sin embargo, mejoras recientes en agentes químicos de hibridación, avances biotecnológicos y la aparición del nuevo tipo de planta de trigo han dado valor a los híbridos. Con una mejor heterosis y un mejor llenado de granos, la frontera del rendimiento de los nuevos materiales vegetales podría ser de un 15 a un 20% superior (espigas más grandes con más grano y con un menor porcentaje de fibra) a la del germoplasma base actual. La producción de maíz ha empezado a despegar en muchos países asiáticos, especialmente en China. Este país tiene, hoy en día, el rendimiento medio más alto de todos los cereales en Asia, con gran parte del potencial genético aún por explotar. Además, recientes avances con híbridos y variedades de maíces de calidad proteica de alto rendimiento, pueden mejorar la calidad nutricional del grano sin sacrificar su rendimiento. Con las herramientas biotecnológicas, es probable que podamos ver una gama de mejoras de calidad nutritiva incorporadas a los cereales en los años venideros. 323

Hay una evidencia creciente de que existe variabilidad genética dentro de la mayoría de las especies de cereales con genotipos que son más eficientes en el uso de nitrógeno, fósforo y otros nutrientes, comúnmente disponibles en las mejores variedades e híbridos. Además, hay buenas perspectivas sobre la posibilidad de acumular tolerancia adicional al calor y a la sequía en germoplasmas de alto rendimiento. No obstante, el agua se constituye como el elemento clave en la definición de la capacidad productiva del material vegetal en un medio dado. Siendo un recurso natural limitado, con una demanda creciente en diferentes sectores, y con gran incidencia en la contaminación de acuíferos, la gestión hídrica se presenta como la herramienta central que puede permitir compatibilizar la finalidad medioambiental con la económica, y lograr así un entorno natural sostenible. Según Parr et al. (1990), las zonas áridas y semiáridas ocupan aproximadamente el 40% de la superficie agrícola mundial y están habitadas por más de 700 millones de personas. Alrededor del 60% de las tierras de secano, con poca lluvia, están localizadas en países en desarrollo. Dichas zonas presentan rendimientos agrícolas extremadamente bajos comparados con las regiones húmedas y subhúmedas. Muchas de las áreas de secano están caracterizadas por una base muy frágil de recursos naturales, suelos de textura arenosa, de baja fertilidad, escaso contenido en materia orgánica y baja capacidad de almacenamiento de agua, que son susceptibles de erosión por el agua y el viento. En estas zonas el modelo de lluvia suele ser errático e impredecible y los cultivos pueden sufrir déficit de humedad y sequía aun durante el período normal de precipitaciones. La productividad del suelo es un factor clave en los sistemas agrícolas de las regiones áridas y semiáridas. Se define como su capacidad para producir un cultivo específico o secuencia de cultivos bajo unas prácticas determinadas. Puede medirse en términos de producción obtenida en relación a los factores de producción utilizados. Por lo general, en los ambientes áridos y semiáridos los problemas más serios que afectan a la productividad del suelo son la erosión, la pérdida asociada de nutrientes, y el agotamiento de la materia orgánica. En los mejores suelos agrícolas, con pendientes suaves, textura media, buena estructura y un perfil profundo y bien drenado, se puede mantener un nivel alto de productividad con relativamente pocas, aunque esenciales, prácticas de conservación, que contrarresten los procesos de degradación. Por el contrario, en los suelos marginales con limitada capacidad, con pendientes pronunciadas, textura arenosa, pobre estructura, escasez de nutrientes, perfil superficial y deficientemente drenado, las prácticas de conservación deben ser máximas para evitar que aumente la degradación. Los residuos orgánicos son los que ofrecen la mejor posibilidad de restaurar la productividad de estos suelos. La figura 7.1 muestra la relación entre los procesos de degradación del suelo y los efectos beneficiosos de las prácticas de conservación. El componente vital en el equilibrio dinámico que muestra dicha figura es la materia orgánica del suelo, que se debe mantener y reponer mediante aportaciones regulares de residuos orgánicos. El uso adecuado de enmiendas orgánicas es de capital importancia para el mantenimiento de la fertilidad y productividad del suelo y para minimizar la erosión por el agua y el viento, así como prevenir las pérdidas de nutrientes por escorrentía y lavado. 324

PROCESOS DE DEGRADACIÓN DEL SUELO

PRÁCTICAS DE CONSERVACIÓN DEL SUELO

Erosión Escorrentía de nutrientes Encharcamiento Desertificación Acidificación Compactación Formación de costra Pérdidas de materia orgánica Salinización Agotamiento de nutrientes por lavado Acumulación de elementos tóxicos

Laboreo Rotación de cultivos Mejora del drenaje Manejo de residuos Conservación de agua Formación de terrazas Cultivo en fajas Fertilizantes químicos Fertilizantes orgánicos Mejora del ciclo de los nutrientes Mejora de los sistemas para adecuar el suelo, el clima y las variedades

Fig. 7.1.

3.

PRODUCTIVIDAD DEL SUELO

Relación entre los procesos de degradación y la práctica de conservación del suelo (Parr et al., 1990).

EL SECANO Y LOS SISTEMAS AGRÍCOLAS

Los sistemas agrarios se definen (Urbano y Moro, 1991) como ecosistemas formados por seres vivos (plantas de cultivo y animales domésticos) que se desarrollan en un medio determinado (clima, suelo y medio biológico), que se encuentran implicados en un proceso de interacciones recíprocas entre sí y la vegetación adventicia, y que se ven, además, afectados por la intervención del hombre con sus técnicas de cultivo. Los sistemas agrarios derivan de la influencia sobre la actividad agraria de una serie de factores o condicionantes que, sistemáticamente, se agrupan en cinco grandes bloques (Lamo de Espinosa y Bahamonde, 1992): factores climáticos y edafológicos, factores biológicos, factores económicos, factores sociales, factores políticos e institucionales. La combinación de todos estos factores configura un sistema agrario (Lamo de Espinosa, 1998) diseñado, por lo general, para cubrir uno o más de los objetivos descritos en la tabla 7.1. Cualquier sistema agrario puede haberse construido para cubrir diferentes objetivos en distintos momentos, en diferentes sitios y por distinta gente, lo que ha generado a lo largo de la historia de la agricultura múltiples y diversos sistemas agrarios (Spedding, 1975). Tabla 7.1.

Objetivos primordiales de los sistemas agrarios a) Provisión de productos

Productos principales:

Objetivos que cubren:

• Alimento humano: de origen vegetal. de origen animal.

• Alimentación de la población local. • Exportaciones y sustitución de importaciones.

• Alimento animal: de origen vegetal. de origen animal.

• Alimentación de la cabaña local. • Exportaciones de ganado o animales seleccionados.

• Materias primas para la industria: de origen animal. de origen vegetal.

• Procesado y manufactura de vestidos y accesorios. • Producción industrial de alimentos, biomasa, etc.

• Recreo. • Dinero.

• Zoológicos y otros entretenimientos. • Beneficios. Reinversión.

325

b) Empleo de recursos Recursos principales:

Objetivos perseguidos (distintos de la producción)

• Tierra.

• Conservación de la amenidad.

• Mano de obra.

• Provisión de trabajo. Provisión de medio de vida.

• Dinero.

• Inversión.

• Equipo físico.

• Uso de equipo local. Uso de equipo importado.

Según Urbano y Moro (1991), los sistemas agrarios más representativos se pueden concretar en los siguientes: • Sistemas forestales. La cubierta vegetal está formada por especies leñosas de porte diverso, que son explotadas para la obtención de madera o leña o, en su caso, mantenidos como reserva natural. • Sistemas agro-silvícolas. El objetivo de estos sistemas es lograr un equilibrio beneficioso entre «lo forestal» y la agricultura. • Sistemas pratícolas y pascícolas. La cubierta vegetal está formada por praderas permanentes y pastizales (praderas naturales de climas semiáridos y áridos). • Sistemas agrícolas con laboreo habitual del terreno ocupado por la cubierta vegetal. Estos sistemas se desarrollan con cubiertas vegetales herbáceas o leñosas, pero también incluyen los barbechos blancos y semillados. En relación a este último tipo podemos decir que, tal y como refieren Montero et al., (2001) y partiendo de la clasificación que la UE hace de las superficies por su uso, se denominan Áreas de Utilización Agrícola o Áreas Agrícolas a las superficies labradas o en barbecho, con cultivos permanentes o temporales, y las tierras ocupadas por praderas y pastos. Pertenecen a esta unidad todas las tierras con explotaciones agrícolas, quedando fuera de ella las zonas arboladas con explotación silvocultural y las superficies sin explotación. Dentro de esta unidad se distinguen los cultivos y los pastos. Los primeros son aquellas áreas de explotación agrícola cuyo destino preferente es el consumo humano o animal, diferenciándose las tierras de labranza, habitualmente sometidas a rotación de cultivos temporales, de los cultivos permanentes, áreas donde el cultivo ocupa el espacio por un largo periodo de tiempo, con árboles y arbustos que florecen y producen frutos (frutales, vid, olivo, almendro, entre otros), excluyendo a los árboles forestales de características y explotación diferentes. Por último, los pastos son las tierras utilizadas permanentemente como cultivo de forraje herbáceo y en las que si existen árboles o arbustos, sólo se consideran si el cultivo herbáceo es mayoritario en el área. Los sistemas agrícolas con laboreo habitual desarrollados en este epígrafe comprenden los cultivos herbáceos, los cultivos arbóreos y los barbechos, que en el caso de España ocupan, aproximadamente unos 20 millones de hectáreas, es decir, el 43,5% de la SAU (figura 7.2.): 11,3 millones de ha de cultivos herbáceos, 4,7 millones de ha de cultivos arbóreos y 4,3 millones de ha de barbechos. Los dos factores climáticos que, en mayor medida, han venido condicionando la posibilidad de trabajo con especies vegetales en los sistemas agrícolas españoles de 326

PRATÍCOLAS Y PASCÍCOLAS 15% SILVOPASTORALES 8%

CON LABOREO HABITUAL 43%

FORESTALES 26% SIN LABOREO HABITUAL 8%

Fig. 7.2.

Sistemas agrícolas en la agricultura española. Porcentajes de la superficie agrícola útil.

laboreo habitual son el régimen de humedad y las condiciones térmicas de los inviernos, pudiéndose delimitar en ellos cuatro grupos de cubierta vegetal y modos de explotación (Urbano y Moro, 1991): • Sistemas de cultivo con alternativas que incluyen especies vegetales capaces de aguantar el duro frío invernal del clima mediterráneo continental, pudiéndose sembrar o plantar en otoño-invierno y recolectarse a finales de primavera o principios de verano (p. e., cereales de invierno y leguminosas de grano), y especies plurianuales que han de pasar parte de su ciclo agronómico soportando el rigor del frío invernal (p. e., alfalfa). • Sistemas de cultivo que incluyen alternativas con especies vegetales sensibles al frío invernal, de siembra en la mayoría de los casos primaveral y que se recolectan a finales del verano o durante el otoño (p. e., maíz, algodón, tomate, pimiento, etc.). • Sistemas de cultivo de secano que incluyen alternativas con especies vegetales cuyo ciclo de crecimiento y desarrollo coincide con los meses del año en los que el déficit de humedad en el suelo no es intenso ni prolongado, o simplemente no existe (p. e., cereales de invierno, leguminosas anuales, colza, etc.). • Sistemas de cultivo de regadío que incluyen alternativas con especies vegetales cuyo ciclo agronómico coincide con los meses de déficit hídrico en el suelo intenso y prolongado, exigiendo la aplicación de agua (p. e., soja, maíz, sorgo, remolacha azucarera, algodón, tabaco, etc.).

4. 4.1.

DISPONIBILIDAD HÍDRICA Y PRODUCCIÓN RECURSOS HÍDRICOS

Mayor y Obasi (1997) refieren que la disponibilidad de agua dulce es uno de los grandes problemas que se plantean hoy en el mundo y en algunos aspectos el principal, porque las dificultades conexas afectan la vida de muchos millones de personas. Durante los próximos 50 años, los problemas relacionados con la falta de agua o la contaminación de masas de agua afectarán prácticamente a todos los habitantes del planeta. 327

Las regiones del mundo que sufren escasez de agua siguen creciendo en superficie y en cantidad. Lo que preocupa es que esa población exige cada vez más agua y este recurso finito debe satisfacer también las necesidades de todas las demás formas de vida. El resultado podría ser una serie de desastres locales y regionales y de enfrentamientos que entrañarían una crisis de envergadura mundial. De hecho, los problemas relativos a las aguas dulces de la Tierra ponen de relieve el dilema que se plantea a la humanidad. El valor medio de los recursos de agua globales renovables se estima en 42.700 km3 por año, y son extremadamente variables en el espacio y el tiempo UNESCO (2000). En valores absolutos, los mayores volúmenes en recursos hídricos son los de Asia y de Suramérica (13.500 y 12.000 km3 por año, respectivamente). Los menores son los de Europa y Australia con Oceanía (2.900 y 2.400 km3). Un análisis puntual refleja que, anualmente, el nivel de los recursos de agua puede variar entre el 15-25% de los valores medios. Por otra parte, los valores absolutos no reflejan completamente la disponibilidad del agua en cada continente si no se relacionan con la población de cada lugar. La figura 7.3. ilustra adecuadamente lo comentado.

Ag ua disponible/km Agua di sponibl e / m k2 2

Agua A gua disponible disponib leper percápita c· pit a

800

90

700

80 70

600

60

500

50 400 40 300

30

200

20

100

10

0

Fig. 7.3.

ASIA Y OCEANÍA

AMÉRICA LATINA Y EL CARIBE

ASIA

ÁFRICA

AMÉRICA DEL NORTE

EUROPA

0

Disponibilidad hídrica mundial en funcion de la superficie y de la población (en miles de m3).

El crecimiento rápido de la población entre 1970 a 1994 dio lugar a que la disponibilidad potencial del agua, para la población de la tierra, disminuyera desde 12,9 a 7,6 miles de metros cúbicos por año y por persona. La reducción más grande tiene lugar en África (2,8 veces), en Asia (2 veces), y en Suramérica (1,7 veces). El abastecimiento de agua para la población de Europa disminuyó solamente el 16% para ese período.

328

Actualmente, se puede decir que aproximadamente 3.600 km3 de agua dulce se extraen para consumo humano, es decir, 580 m3 per cápita por año. El diagrama de barras adjunto, figura 7.4., muestra que en todas las regiones, con excepción de Europa y América del Norte, la agricultura es el sector que consume más agua, representando globalmente alrededor del 69% de toda la extracción, el consumo doméstico alcanza aproximadamente el 10% y la industria el 21%. Agricultura

Doméstico

Industria

Fig. 7.4.

4.2.

Europa

América del Norte

América Latina y Caribe

Asia

Cercano Oriente

CIS y Estados Bálticos

África

Mundial

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Extracción de agua por región y sector (%) (FAO, 2002).

PRODUCCIÓN Y DEMANDA DE ALIMENTOS

Se prevé (FAO, 2000) que la población mundial crezca a una tasa de 1,1% hasta el año 2015, y más lentamente a partir de entonces. En consecuencia, la demanda de alimentos crecerá en ese periodo aunque a un ritmo menos acelerado. El crecimiento de esta demanda puede atenderse de tres formas: aumentando los rendimientos agrícolas; ampliando la superficie de cultivo; e incrementando la intensidad de la explotación agrícola, es decir, el número de cosechas anuales. De hecho, en los últimos 30 años aproximadamente, la mayor parte del incremento de la producción, más de tres cuartas partes, se ha debido a cosechas más abundantes, sobre todo como consecuencia de la revolución verde. Se prevé que en los siguientes 30 años ocurra lo mismo en los países en desarrollo, con el 69% del aumento de la producción a cargo del volumen mayor de las cosechas, el 12% por la intensidad de explotación, y el resto a partir de la extensión de las tierras de cultivo. Gran parte del aumento de la producción agrícola provendrá de las tierras de regadío. En la actualidad, un 20% de las tierras agrícolas de los países en desarrollo dispone de sistemas de riego, y suministra cerca del 40% de la producción agrícola total. En los pasados 30 años, la superficie de regadío creció cerca del 2% anual, con un incremento total de casi 94 millones de hectáreas entre 1962 y 1996. La superficie irrigada de los países en desarrollo en 1996 era casi el doble que en 1962. En el período 1996-2030, se prevé que el consumo de agua para riego en esos países aumente apenas un 12%, de 1.840 a 2.060 km3 anuales. Se trata de un ligero aumento en comparación con el crecimiento previsto de la superficie agrícola de regadío. La mayor parte de esta diferencia se explica por la mejora de la eficiencia del 329

riego. Una pequeña proporción de esta reducción también se deberá al cambio de las pautas agrícolas en algunos países, como China, donde se anticipa un cambio sustancial de la producción de arroz a la de trigo. 4.3.

EL MANEJO DEL SUELO Y DEL AGUA EN ZONAS ÁRIDAS

Por otra parte, la FAO afirma que incrementar la productividad de la agricultura de secano, que sigue proporcionando cerca del 60% de los alimentos mundiales, repercutiría significativamente en la producción mundial de alimentos. Con todo, las posibilidades de mejorar las cosechas dependen, en gran parte, de las pautas de las lluvias. En las zonas secas, el acopio de agua de precipitación puede reducir los riesgos e incrementar las cosechas. Para ello, se puede actuar de diferentes formas según se muestra en la figura 7.5: a través de microestructuras instaladas en el campo para dirigir el agua a plantas específicas o a hileras de plantas (conservación del agua in situ), captando agua externa a la zona de recepción y dirigiéndola a las tierras de cultivo (riego por inundación) o recogiendo agua externa a la zona de captación y acopiándola en reservorios, estanques y otras estructuras, para aprovecharla en los períodos secos (acopio para riego complementario). En las zonas secas, el mal manejo de las tierras puede reducir significativamente la productividad de los cultivos, incluso más de una tonelada por hectárea. Una de las razones es que la degradación de las tierras afecta a la superficie del suelo, dando lugar a la formación de costras y a otros fenómenos que impiden la infiltración del agua de lluvia. Entonces, la mayor parte de la lluvia escurre sobre la superficie del terreno, fluye en cursos que llevan agua cargada de limo y produce una erosión grave con la formación de cárcavas. Los cultivos se benefician muy poco. Frecuentemente, una de las principales causas de este proceso es el volteo del suelo, a mano, con tracción animal o con un tractor. El suelo queda expuesto y es susceptible tanto a la erosión hídrica como a la eólica. Las técnicas de labranza desarrolladas en las zonas templadas, con sus lluvias moderadas y vientos suaves, son suficientemente inofensivas, pero generalmente se adaptan muy mal a los climas y a los suelos tropicales. La productividad de los cultivos puede mejorarse y la erosión reducirse mediante métodos de labranza alternativos, tales como voltear el suelo sólo a lo largo de las líneas de plantas, el laboreo profundo para romper las costras superficiales, la construcción de camellones altos adaptados a las curvas de nivel, la siembra de cultivos en pequeñas cubetas, o construyendo alcorques alrededor de árboles y arbustos. Todo ello permite aprovechar mucho más eficazmente la lluvia que es limitada. Experiencias realizadas en la República Unida de Tanzania (FAO, 2002), han mostrado que en un año con buenas lluvias y con aplicación de estiércol, la rotura de la suela de labor incrementó el rendimiento del maíz de 1,8 a 4,8 toneladas por hectárea. En Damergou, Niger, con arados especiales se construyeron en menos de un mes pequeños bancales y surcos según curvas de nivel en 310 hectáreas. El costo por hectárea fue de 90 dólares EE.UU. Con una precipitación anual de solamente 360 mm el rendimiento medio de sorgo fue 2 toneladas/hectárea. En las regiones áridas y semiáridas se necesita hacer mucho más para superar los efectos de los períodos secos que anualmente ocurren. Aunque estos períodos de 330

SEQUÍAS LLUVIAS ERRÁTICAS ESTACIONES DE LLUVIA CORTAS ALTA EVAPORACIÓN

Escorrentía alta

Déficit periódicos de agua para los cultivos

Períodos secos en momentos críticos

Conservación de agua in situ

Riego por inundación

Almacenamiento para riego suplementario

Alcorques, fajas en curvas de nivel, surcos, caballones en curvas de nivel, acumulación de residuos del cultivo en líneas en curvas de nivel, terrazas, hoyos, camellones, labranza conservacionista

Riego por inundación, desviación de flujos superficiales, recarga de agua subterránea, sistemas de distribución de escorrentía, uso de la escorrentía de caminos

Presas subterráneas, presas superficiales, desarrollo de manantiales, estanques

Reducción de riesgo bajo

Reducción de riesgo medio

Reducción de riesgo alto

Pequeña inversión

Pequeña inversión

Inversión grande

Fig. 7.5.

Formas de gestión en zonas áridas. (FAO, 2002).

sequía a menudo duran menos de tres semanas, si ocurren durante los períodos críticos del cultivo, tales como la floración o el llenado del grano, ocasionan pérdidas importantes en los rendimientos. La mejor manera de afrontar este problema es captar el agua de lluvia de las áreas vecinas y conducirla al suelo cultivado. El agua puede ser almacenada en la zona radicular por períodos considerables, al menos para soportar un período de sequía de tres semanas, siempre y cuando se haya asegurado que la infiltración es adecuada. Los métodos para derivar agua desde el área de captación hacia los cultivos incluyen la construcción de acequias de derivación, inundar las parcelas con el agua de las ramblas en períodos de crecida, conducir la escorrentía mediante pequeños diques (un sistema usado con gran eficacia por los antiguos habitantes del desierto del Negev) e incluso captar la escorrentía de carreteras y caminos conduciéndola hacia los cultivos (FAO, 2002). Existen métodos para almacenar la escorrentía de períodos lluviosos para utilizarla durante períodos secos; en China, India, el África subsahariana y en otras muchas 331

zonas se usan estanques, balsas, cisternas y presas de tierra para el riego suplementario. Aunque estas obras son más costosas y los agricultores que las construyen necesitan ciertos conocimientos, tienen la ventaja de reducir significativamente las pérdidas de rendimiento, o incluso de toda la cosecha, que frecuentemente ocasionan las sequías. En cinco años, los agricultores del valle de Keita en Níger (FAO, 2002), con la ayuda de un proyecto integral de desarrollo financiado por Italia, transformó cerca de 5.000 km2 de tierras estériles y no productivas en una zona floreciente para cultivos, ganado y árboles. La participación de los propios agricultores fue de suma importancia para el éxito del proyecto, que se benefició de más de 4 millones de horas de trabajo de hombres y mujeres, plantando árboles, excavando pozos, contruyendo vertederos, represando ríos, contruyendo terrazas y camellones, realizando laboreo profundo y levantando cercos para dunas. En áreas marginales de secano la agricultura a pequeña escala puede ser productiva si se dispone de riego suplementario para superar sequías de corta duración, que son críticas al cultivo y reducen la productividad considerablemente. La producción agrícola puede aumentar considerablemente si existen métodos económicamente efectivos para almacenar agua antes de las etapas críticas del cultivo y aplicarla en estos períodos cuando las lluvias escasean. 4.4.

SISTEMAS AGRARIOS EN ESPAÑA

En el caso de España (MAPA, 2003), la configuración orográfica y su condición peninsular así como la actividad antrópica desarrollada, son los tres factores determinantes de la diversidad de sistemas agrarios presentes. Así, se pueden diferenciar tres grandes ámbitos agroecológicos: los sistemas atlántico-húmedos, con superávit anual de humedad, dominio de la pradera natural, el matorral higrófilo y el bosque caducifolio; los sistemas mediterráneos secos, con déficit anual y veranos secos, ámbito de los cultivos tradicionales de secano, de los pastizales con agostamiento y del monte de encinas y otras quercíneas, y las áreas semiáridas, casi siempre de degradación mediterránea, en el límite de la agricultura de secano y de las posibilidades del monte arbolado. Al primer grupo pertenecen los litorales atlántico y cantábrico, así como las regiones pirenaicas, con climas variando desde el marítimo cálido del litoral a marítimos frescos o mediterráneos marítimos en el interior, y los climas templados en el País Vasco y las zonas de montaña. El resto de la península se caracteriza por climas de tipo mediterráneo, templados en la meseta norte y el sistema ibérico, con transición hacia el continental en el valle del Ebro y en La Mancha y hasta el subtropical en las campiñas extremeña y andaluza. En todo el litoral mediterráneo y las Islas Baleares predomina el mediterráneo marítimo, dejando paso al subtropical y al semiárido en las zonas más secas y calurosas de Alicante, Murcia y Almería. Es en estas últimas zonas, con precipitaciones inferiores a los 300 mm año–1, donde se encuentran la mayor parte de los sistemas semiáridos, aunque también se pueden encontrar en determinados enclaves del interior. 332

Las Islas Canarias son un compendio de microclimas diversos, originados principalmente por el diferente relieve y las consecuentes variaciones de la exposición a los vientos en cada una de las islas. Abarcan desde los climas desérticos y semiáridos de las islas orientales y el sur de Tenerife y Gran Canaria, hasta los climas tropicales del norte de Tenerife o la isla de La Palma. Nos encontramos en ambientes donde las lluvias estivales son escasas y la amenaza de desertificación es elevada (Rubio, 1993). La última década ha sido particularmente fructífera en estudios que han abordado el problema de la desertificación (Fantechi et al., 1995; Mouat y Hutchinson, 1995; Hill y Peter, 1996). Basta para confirmarlo el referirse a los programas de la Unión Europea en medio ambiente. En la reunión sobre desertificación en el Mediterráneo celebrada en Creta (EU, 1996), quedó claramente expuesto que el principal factor modificante de las características del suelo y capaz de producir una degradación del mismo, a escala temporal corta, son sus diferentes usos y muy especialmente las prácticas agrícolas empleadas. 4.5.

LAS LIMITACIONES PRODUCTIVAS EN ESPAÑA

De entre los factores climáticos, no cabe duda de que el principal factor limitante de la capacidad productiva agraria es la escasez de precipitaciones, agravada especialmente en la mitad sur peninsular por su deficiente distribución a lo largo del ciclo de los cultivos, con alternancia de fenómenos torrenciales y períodos sin lluvia más o menos prolongados. Como se puede observar en la figura 7.6, con excepción de las del ámbito atlántico-húmedo, no se alcanzan los 600 mm de lluvia en las zonas de cultivo de ninguna comunidad autónoma. En la figura 7.7 puede observarse la distribución, por comunidades autónomas de la precipicitación recogida en zonas de cultivos de secano (datos medios del período 1961-1996) (MAPA, 2003).

Fig. 7.6.

Pluviometría media nacional (MAPA, 2003).

333

mm 1.400 1.200 1.000 800 600 400 200

an s t Pa abr ia ís Ex Vas c t C. rem o F. a de du ra N av ar C ra at a An luñ Ba da a C om le lu ar cí un a e id ad s (I s l Va as ) C len as ci a C as tilla na til y la Le -L ón a M an ch a M ad rid La R io ja Ar ag R eg Ca ón na ió n r de ias M ur ci a

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0

Zonas de cultivos de secano

Fig. 7.7.

Media Comunidad Autónima

Pluviometría media anual en zonas de cultivos de secano (MAPA, 2003).

El índice de potencialidad agrícola de L. Turc (Turc y Lecerf, 1972) permite relacionar las producciones anuales con datos macroclimáticos. Existe una estrecha correlación entre los valores que toman las distintas variables climáticas en un período dado y la producción de materia seca de una planta adaptada y cultivada en condiciones técnicas normales, sobre suelo bien labrado y fertilizado. En España el análisis más interesante se realiza comparando los índices de potencialidad en secano y regadío. En el cálculo del índice de regadío no se considera el efecto de la escasez de agua, por lo que éste es una indicación de la productividad que se podría llegar a obtener sin dicho factor limitante, como puede llegar a suceder, por otra parte, en los cultivos de regadío. Por tanto, de la comparación de ambos índices (tabla 7.2 y figura 7.8 ), se puede deducir el incremento de capacidad productiva que se puede llegar a obtener con la puesta en regadío de un determinado cultivo. Así, las mayores diferencias se producen en toda la mitad sur peninsular, el valle del Ebro y los archipiélagos. No obstante, el incremento de la productividad agrícola no es el único argumento, ni probablemente el más importante, para realizar la transformación en regadío de las tierras de secano, pues siempre hay que considerar la capacidad de diversificación de las producciones agrícolas que se adquiere con los regadíos. Nuevamente aquí se vuelven a poner de manifiesto las grandes diferencias existentes entre la España atlántica húmeda, donde el agua no es un factor limitante para el desarrollo de los cultivos, y la mediterránea seca, con un enorme potencial productivo difícil de aprovechar debido a la escasez de precipitaciones. Por el contrario, es en los secanos fríos del norte de Burgos o de las zonas pre-pirenaicas de Navarra, Aragón y Cataluña, junto con algunas áreas de la campiña andaluza, todas ellas zonas con elevados valores del índice de Turc en secano, donde se obtienen los mayores rendimientos cerealistas de España. 334

Tabla 7.2. Indices de potencialidad agrícola de Turc (MAPA, 2003) Comunidad Autónoma

Andalucía Aragón Principado de Asturias Baleares (Islas) Canarias Cantabria Castilla-La Mancha Castilla y León Cataluña Comunidad Valenciana Extremadura Galicia Madrid Región de Murcia Navarra País Vasco La Rioja

Índice Turc regadío

Índice Turc secano

Cultivos secano

Pastizales

Medio

Cultivos secano

Pastizales

Medio

51,1 42,0 43,1 54,0 59,7 42,9 42,3 35,2 44,7 48,3 50,6 40,7 41,5 49,4 42,4 38,5 41,0

51,5 28,8 35,8 54,5 59,4 35,6 42,4 35,0 34,7 41,1 50,7 35,4 38,3 47,7 37,2 38,8 34,8

50,9 39,7 40,4 54,0 59,4 41,3 41,4 34,5 41,7 48,9 50,2 40,2 39,6 51,1 40,5 41,5 37,8

17,1 11,4 36,2 19,2 10,6 35,4 10,7 11,9 19,2 16,6 18,6 29,7 10,2 7,5 18,0 22,6 13,6

19,8 22,8 28,5 23,8 11,1 25,3 13,1 14,3 26,7 16,9 19,7 24,9 13,3 6,3 29,9 28,4 15,6

17,2 13,5 33,4 19,8 10,3 34,8 11,5 13,7 22,0 16,4 19,2 29,3 12,1 7,8 23,2 33,9 14,7

Fig 7.8. Mapa correspondiente al índice de potencialidad agrícola de Turc en España (MAPA, 2003).

Otra limitación importante lo constituye el relieve. Un indicador claro del mismo es que la pendiente media oscila alrededor del 16,8%, observándose un 32% de la superficie con más del 20% de pendiente, llegándose en Asturias y Cantabria a pendientes medias de más del 30% y a porcentajes del 68% y del 81% de la superficie con más del 20% de pendiente. Así pues, la agricultura se ha desarrollado en las zonas donde el relieve lo ha permitido, en las llanuras mencionadas, en los valles de los ríos, 335

ganando terreno a los bosques y aterrazando los montes. Con la llegada del gran desarrollo tecnológico de la agricultura en el siglo XX, la intensificación de los cultivos ha provocado el abandono de muchas de las zonas antes ganadas al monte, agravando los ya importantes problemas de erosión en España. Asimismo, la expansión de cultivos leñosos como el olivar y el viñedo, muy bien adaptados a las condiciones climatológicas españolas, cuando se ha producido en terrenos de pendientes pronunciadas, no ha hecho sino empeorar la situación. En la tabla 7.3. y figura 7.9. puede observarse cómo la pendiente media de los terrenos donde se cultivan olivar y frutales de secano, almendro principalmente y en algunas regiones el viñedo, es casi siempre superior al 10%. Si se tiene en cuenta que las técnicas habituales de cultivo mantienen el suelo desnudo durante la mayor parte del tiempo, queda patente la magnitud del problema de la erosión. No obstante, hay que indicar que en muchas zonas la forma tradicional de cultivo es en terrazas, que son un medio eficaz de protección contra la erosión siempre y cuanto se mantengan en buen estado. En España se cultivan algo más de 18,3 millones de hectáreas, lo que representa un 36% de la superficie total nacional, con porcentajes del 45% y el 50% en Andalucía y Castilla-La Mancha, e inferiores al 5% en Asturias y Cantabria. Son estas comunidades, junto con Navarra, País Vasco y La Rioja, las únicas que tienen superficies de prados y pastos superiores al 20%, frente al 14% de media nacional, alrededor de 7 millones de ha. La superficie forestal es de 16,4 millones de ha, destacando Galicia, que con un 64% duplica la media nacional, y Cantabria y Navarra que superan tambén el 50%. En las Islas Canarias el 70% de la superficie son eriales, terrenos improductivos y superficies no agrícolas, porcentaje que para todo el territorio nacional es del 17%. Tabla 7.3. Pendientes medias según el tipo de cultivo en secano. (MAPA, 2003). Comunidades Autónomas

Andalucía Aragón Principado de Asturias Baleares (Islas) Canarias Cantabria Castilla-La Mancha Castilla y León Cataluña Comunidad Valenciana Extremadura Galicia Madrid Región de Murcia Navarra País Vasco La Rioja

Cultivos herbáceos

Frutales

Olivar

Viñedo

10,5 9,4 21,4 4,7 17,8 12,3 7,2 6,2 12,7 12,2 7,7 13,3 6,7 7,7 11,0 11,4 11,3

26,3 17,5 24,1 6,9 23,0 36,0 11,2 21,5 13,8 16,7 18,1 18,5 16,8 11,1 25,5 27,3 13,0

15,4 14,9

12,9 12,5 47,7 3,5 20,8

29,9 8,9 22,9 14,7 14,2 10,6 45,1 10,1 8,4 9,4 18,4 12,3

2,7 8,5 12,4 8,1 4,0 21,0 9,0 6,7 7,5 13,4 9,5

Los cultivos herbáceos de secano ocupan, junto con los barbechos asociados, más de la mitad de las tierras de cultivo, fundamentalmente los cereales: trigo y cebada. Los cultivos leñosos han representado y representan un papel tan importante o más que 336

Fig 7.9.

Mapa correspondiente a la distribución de pendientes en España (MAPA, 2003).

los herbáceos en la economía y el paisaje. El olivar en Andalucía, en el bajo Ebro, Castilla-La Mancha o Extremadura, el viñedo en La Mancha y otras muchas zonas, y los frutales de secano, sobre todo el almendro, en el interior del litoral levantino y las Baleares, son un ejemplo de cómo la actividad agrícola del hombre ha ejercido una influencia determinante sobre el paisaje. En la cornisa cantábrica la agricultura de secano se orienta a los pastos y la ganadería debido principalmente a las dificultades orográficas.

5.

LA MEJORA DE LA DISPONIBILIDAD DE AGUA EN EL SECANO

La adaptación de los cultivos de secano a condiciones de fuerte sequedad depende más de su capacidad de desarrollo radicular en profundidad que de la resistencia de las raíces a los bajos valores de potencial hídrico del suelo, Ψs, (De Juan et al., 1998). Con buenas disponibilidades de agua, la planta coloniza menos el perfil del suelo en profundidad que en secano, pero la emisión de pequeñas raicillas en superficie es mayor; los fuertes déficits hídricos invierten estas relaciones, es decir, favorecen el crecimiento radicular en profundidad e inhiben la proliferación de raicillas en superficie. El desarrollo foliar es uno de los procesos más sensibles a condiciones de sequía, reduciendo su tamaño y la producción de fotosintatos. La sensibilidad del desarrollo foliar al estrés hídrico es mayor cuanto más vieja es la hoja. La sequía adelanta la senescencia foliar, reduciendo la vida activa de las hojas y limitando la producción de glúcidos (De Juan et al., 1998). La evaporación y la escorrentía son las mayores pérdidas en el balance de agua en las regiones áridas y semi-áridas. Diferentes técnicas agronómicas, entre ellas el recu337

brimiento del suelo con materiales naturales, cubiertas vegetales, pajas, etc., o industriales como plásticos, contribuyen sensiblemente a la retención de una mayor cantidad de agua a disposición de las raíces. Sinclair et al. (1994) afirman que para mejorar el uso del agua pueden existir diferentes alternativas: modificaciones bioquímicas en el conjunto de la planta o en su fisiología estomática, alteración del medio ambiente del cultivo, mejora del índice de cosecha e incremento de la proporción de agua transpirada. Muchas de estas posibilidades tienen serias limitaciones o inconvenientes. Es de gran utilidad conocer qué posibilidades existen para mejorar la eficiencia del agua en la agricultura de secano. Stewart y Steiner (1990) apuntan las prácticas agronómicas que pueden aportar resultados positivos para mejorar la eficiencia del uso del agua en climas secos, entre las cuales figuran las siguientes: • Mejora del calendario de cultivos ligado a la probabilidad de precipitación estacional. • Mejora de la densidad de plantas y su distribución geométrica. Control de malas hierbas. • Mejora de los sistemas de laboreo, que incluyen laboreo mínimo, en lomos y no laboreo. • Mantenimiento de la cubierta del suelo. • Mejora de las prácticas de fertilización, que incluyen las rotaciones con leguminosas. • Mejora de los sistemas de forraje-ganado, incluyendo leguminosas forrajeras. • Prácticas de reducción de la escorrentía (cultivos en curvas de nivel y en lomos). • Sistemas de «recolección» de agua. El barbecho y las rotaciones de cultivo son prácticas generalizadas en áreas con limitaciones hídricas regulares cuyos objetivos se centran en el almacenamiento del agua disponible y en su mejor aprovechamiento. López-Bellido (1998) revisa los trabajos realizados al respecto e indica que su utilización es variable según las zonas, dependiendo del nivel de pluviometría anual y de las características de los suelos. El objetivo primario es incrementar el almacenamiento de agua en el suelo para que el cultivo siguiente tenga ciertas garantías de producir un rendimiento aceptable, junto con la lluvia esperada. Existen dos tipos tradicionales de barbecho: con y sin laboreo. En este último caso el rastrojo de cereales es pastado por el ganado, que también aprovecha las malas hierbas que crecen tras las primeras lluvias de otoño; su utilidad es muy limitada para la conservación de agua en el suelo, exponiendo al cultivo siguiente al estrés hídrico. Cuando las malas hierbas son controladas durante el período de barbecho, con laboreo o herbicidas, el sistema cultivo-barbecho puede ser eficiente para la producción de cereal. También el barbecho proporciona un tiempo para la mineralización del N del suelo y la reducción de enfermedades asociadas con el suelo (Power, 1990; López-Bellido, 1992). Según Loomis y Connor (1992), los principios de manejo del barbecho derivan directamente de la capacidad de retención de agua del suelo y de la evaporación desde la superficie expuesta de éste. La proporción de lluvia perdida por evaporación 338

depende de la textura del suelo y de la frecuencia de lluvia. Es mayor en suelos arcillosos que en los arenosos; en los primeros, la penetración del agua es menor y la evaporación mayor; en los segundos, la mayor profundidad de penetración en los suelos arenosos se contrarresta por su menor capacidad total de almacenamiento. El manejo del barbecho debe tener como objetivo maximizar la penetración de lluvia y minimizar las pérdidas por evaporación y drenaje. Hace tiempo se desarrolló la teoría de que el laboreo era esencial para romper la capilaridad del suelo, a través de la cual se creía que el agua era perdida por evaporación a la atmósfera (López-Bellido, 1998). En realidad, la principal utilidad del laboreo es el control de malas hierbas, que de lo contrario, agotan las reservas de humedad, tanto de la superficie como de los horizontes profundos del suelo. El barbecho mantenido con herbicida, denominado barbecho «químico», es más eficiente que el barbecho cultivado, aunque tienen propiedades muy diferentes. Los residuos en la superficie del suelo del barbecho «químico» interceptan la lluvia y protegen la humedad superficial de la evaporación directa. La permanencia más prolongada de la humedad en la superficie del suelo, después de cada lluvia, permite mayor oportunidad para la siembra y el establecimiento de los cultivos en el momento óptimo. En consecuencia, el barbecho está sometido a pérdidas inevitables por evaporación de la superficie del suelo, transpiración de las malas hierbas y drenaje por debajo de la zona radicular. Su eficiencia, expresada como la proporción de lluvia total que contribuye a la producción del cultivo siguiente, es baja y variable entre un año y otro. La eficiencia del barbecho, por tanto, depende del tipo del suelo, la cantidad y distribución de la lluvia y la evapotranspiración. Ensayos realizados en el sur de Australia, bajo clima mediterráneo, han demostrado que la principal ventaja del barbecho es el control de malas hierbas gramíneas y de enfermedades asociadas al cereal, más que el suministro adicional de agua o nitrógeno (Loomis y Connor, 1992). López-Bellido (1992) refiere que algunos estudios realizados en el área Mediterránea atribuyen los buenos efectos del barbecho más a la acumulación de nitratos que a la conservación de agua, la cual no parece incrementarse significativamente con el laboreo convencional, respecto al suelo cultivado. Por tanto, parecen no existir razones para no cultivar todos los años un mismo suelo, siempre que se aplique N fertilizante a los cereales. El problema básico es decidir cuál es el nivel crítico de lluvia por encima del cual es posible el cultivo sin barbecho. El sistema cereal-barbecho es para algunos investigadores una práctica despilfarradora, al no producir cada año al menos el 50% de la tierra. Además, el suelo desprovisto de vegetación durante muchos meses queda expuesto a la erosión por el viento y la lluvia. Tampoco el sistema cereal-barbecho es adecuado para la integración del ganado, pues no suministra suficiente alimento ni una dieta correcta para la producción de carne y leche, creando además problemas de sobrepastoreo. Los efectos beneficiosos de las rotaciones han sido reconocidos desde hace mucho tiempo como mejoradores del rendimiento global de las cosechas. Sin embargo, ciertos cultivos en rotación pueden tener un efecto negativo sobre los siguientes, por el incremento de los problemas de plagas, enfermedades y malas hierbas, alelopatías, o requerir alto consumo de agua. Aunque el uso de las rotaciones de cultivo declinó con la introducción de los fertilizantes químicos y el control químico de plagas y enfermedades, los problemas derivados del monocultivo han persistido (Pierce y Rice, 1988). 339

La rotación tiene efectos sobre las reservas y fuentes de N del suelo. Su impacto sobre la eficiencia en el uso del N puede ser indirecto y estar primariamente implicado con cambios en las diferentes fuentes de N del suelo (residuos de cultivo, N mineral, N biológico de las leguminosas, biomasa microbiana y materia orgánica), tanto en cantidad como en disponibilidad por la planta. Tales efectos se producen a largo plazo. Las rotaciones interaccionan con el laboreo en aspectos tales como el rendimiento de los cultivos, las propiedades físico-químicas del suelo y la eficiencia en el uso del N y el agua. Estudios de larga duración sobre laboreo-rotación han mostrado que el rendimiento de los cultivos en rotación generalmente es mejor que en monocultivo; sin embargo, hay evidencias de que los efectos de la rotación difieren entre los sistemas de laboreo. Generalmente, es aceptado que las rotaciones promueven los procesos de construcción del suelo y reducen las pérdidas por erosión, aunque su impacto no es tan pronunciado en los sistemas de laboreo de conservación como en los de laboreo convencional (Pierce y Rice, 1988). También las rotaciones pueden interaccionar con la calidad del medio ambiente, al reducir potencialmente el movimiento de los nitratos hacia las aguas subterráneas. Ello es debido, en primer lugar, a que los modelos de extracción de N por los cultivos en rotación son más sincrónicos con los modelos del ciclo del N en el suelo, respecto a ciertos monocultivos. Igualmente, la eficiencia en el uso del N puede mejorar con la sucesión de cultivos en rotación, con relación al monocultivo, reduciéndose paralelamente las necesidades de N fertilizante. Por último, la eficiencia en el uso del agua es potencialmente incrementada en la rotación, dando lugar a una mayor y más eficiente extracción de N y a la reducción de las pérdidas por lavado (Schepers, 1988).

6.

EL PAPEL DE LA CUBIERTA VEGETAL EN EL MANTENIMIENTO DE UN SISTEMA SOSTENIBLE

Desde el punto de vista medioambiental, la cubierta vegetal juega un papel decisivo favoreciendo la recarga de agua en el suelo (Wallace, 1994). La degradación de la cubierta vegetal incrementa el albedo, es decir, la fracción de radiación reflejada hacia la atmósfera, lo que provoca una disminución de la radiación neta y como consecuencia disminuye la evapotranspiración, reduciéndose la formación de nubes y la lluvia, lo cual reduce aún más la vegetación (Rowntree, 1991). Se produce también una reducción en el almacenamiento de humedad en el suelo, un aumento de la escorrentía superficial y de los procesos de erosión hídrica, con lo que solamente una parte pequeña del agua de lluvia es aprovechada por las plantas. En particular, en condiciones semiáridas, la evapotranspiración puede representar entre un 60 y un 80% del balance hídrico. Es por tanto esencial determinar la naturaleza e influencia de las diferentes cubiertas vegetales en términos históricos y actuales. La cubierta vegetal de cultivos permanentes, como el viñedo, el olivar, los almendros, o los alcornocales, entre otros muchos, se convierte en un elemento de primera necesidad en los paisajes agrícolas de secano como único espacio verde cultivado en los meses de mayor déficit hídrico. Esta biomasa transpirante contribuye a mantener un ecosistema agrícola importante generado en condiciones limitantes, con un papel acusado en ralentizar el proceso de desertificación (De Juan et al., 1998). 340

Dregne (1983) define la desertificación como el empobrecimiento de los ecosistemas terrestres por el impacto humano y López Bermúdez (1995) pone énfasis en la intervención del hombre que tiene como resultado la sobreexplotación de los recursos naturales. Por tanto, combatir la desertificación contribuye al desarrollo sostenible en territorios áridos y semiáridos a la vez que se ayuda a mitigar otros problemas de escala global como el calentamiento de la Tierra y la pérdida de biodiversidad. La cubierta vegetal juega, como estamos viendo, un papel principal en el ciclo hidrológico. Charney (1973) afirma que existe una retroalimentación climática a largo plazo entre la atmósfera y la vegetación. El calor y el vapor liberados de la cubierta vegetal cambian la temperatura y la humedad del aire. A su vez, estos cambios modulan los flujos de calor y vapor de agua del suelo y la vegetación, los cuales son especialmente sensibles a estos parámetros; en consecuencia, las cubiertas vegetales modifican su propio microclima y están continuamente adaptándose a cambios climáticos estacionales para conseguir su máximo de productividad. La productividad de cada especie vegetal está íntimamente ligada a la influencia del microclima sobre procesos como la transpiración, la fotosíntesis y la respiración, que se llevan a cabo a través de los estomas de las hojas. La actividad estomática convierte de esta manera a la planta en un agente activo en la determinación de su propio microclima (Perrier y Tuzet, 1991). A escala regional, cambios en las proporciones relativas de superficies vegetales inducen variabilidad espacial y temporal de diversas características terrestres. Se han puesto a punto metodologías para controlar el aprovechamiento del agua por el cultivo, por medio de modelos de crecimiento y simulación de cultivos y cubiertas vegetales (Allen et al., 1989), o técnicas de medición directas del contenido de humedad del suelo que permiten determinar el agua disponible, o del estado hídrico del cultivo a través de determinaciones tales como su contenido total de agua, potencial hídrico, resistencia estomática, etc. Estos tipos de medición suelen ser laboriosos debido al número de muestras requeridas para llevar a cabo un seguimiento espacial y temporal apropiado, que necesitan variables que faciliten esa información de manera sencilla y precisa. La evapotranspiración puede proporcionar al agricultor una indicación sobre la humedad del suelo disponible para la planta, lo cual implica un conocimiento del estado hídrico del cultivo, por lo que está ampliamente aceptada (Downey, 1972; Stewart y Hagan, 1973; i.a.) la elección de la evapotranspiración como medida del estrés hídrico debido a su estrecha relación con la actividad fotosintética (Van Keulen, 1982).

7. 7.1.

EL VIÑEDO: HACIA UN SISTEMA SOSTENIBLE LA SITUACIÓN EN ESPAÑA

La Viticultura desempeña desde hace muchos años un importante papel en la economía española, siendo la superficie de cultivo de la vid sólo superada por los cereales y el olivo (Sotés,1998a). La política de limitación de la producción para reducir los excedentes de vino y la consideración de planta rústica capaz de colonizar tierras inadecuadas para otros cultivos, ha llevado a que, en gran parte, el cultivo de la vid se haya localizado en terrenos pobres y con escasa capacidad de producción. El cultivo se realiza en secano, con prohi341

bición expresa del riego —abolida parcialmente en 1996— establecida en el Estatuto de la Viña, del Vino y de los Alcoholes, y con unas pluviometrías generalmente escasas (en más del 90% del viñedo español la pluviometría media es menor de 500 mm anuales). Tal y como refiere Sotés (1998a), en los países con rendimientos más altos o se cultiva en regadío o las precipitaciones son lo suficientemente elevadas como para cubrir perfectamente las necesidades hídricas de la planta. Estas son las principales causas de que el Viñedo Español ofrezca las producciones por hectárea más bajas del mundo (un 3040% del rendimiento por hectárea obtenido en los principales países vitícolas). Debido a la gama de cultivares empleados, a las técnicas de cultivo utilizadas en los variados medios vitícolas, a la gran diversidad de tipos de elaboraciones y a la existencia de una cultura del vino que se ha venido desarrollando a través de los años, en España conviven desde las más modernas técnicas de cultivo, elaboración y crianza de vinos hasta las más antiguas y obsoletas, lo que configura un mosaico de intereses contrapuestos (Sotés, 1988). La vid presenta una gran capacidad de adaptación a las condiciones del medio ecológico y de hecho gran parte de los viñedos, especialmente en el área Mediterránea, ocupan zonas marginales; en especial se considera su gran adecuación a la sequía, lo que no debe considerarse como un antagonismo de adaptación al riego (Sotés, 1998a). La falta de humedad durante algunas estaciones (regímenes xérico y ústico) es un factor condicionante del poco desarrollo, baja productividad, alta riqueza en azúcares y baja acidez de los vinos. Se observa que los viñedos de regiones frescas producen vinos más ácidos y con menor contenido alcohólico, con mayor irregularidad y variabilidad que los de regiones cálidas, que presentan mayor contenido alcohólico y son menos ácidos y más uniformes (Branas, 1974). Algunas consideraciones de carácter general sobre la caracterización del viñedo español son: • Se cultiva a grandes altitudes (600-950 m en la meseta). • Importantes riesgos de heladas primaverales. • Escasos daños producidos por heladas invernales. • Precipitación global escasa. • Pocas lluvias en el período de actividad vegetativa. • Déficit hídrico muy pronunciado - Evapotranspiración (ETP) muy alta. - Alto nivel de insolación y temperaturas elevadas en primavera-verano. - Integrales heliotérmicas altas. • Granizadas frecuentes en ciertas zonas bastantes localizadas. • Los vientos pueden causar daños en determinadas situaciones. La distribución del sistema radicular y la regulación de la alimentación de agua de la viña parecen tener una gran importancia en la calidad de la uva y del vino. Seguin (1983) realiza ciertas indicaciones sobre el interés en estudiar la relación suelo/calidad a través del análisis de la alimentación de agua de la viña porque presenta la ventaja de integrar numerosos factores: • Factores edáficos: roca madre, topografía, capa freática, estructura y forma de enraizamiento, reserva de agua útil, permeabilidad,... 342

• Factores climáticos: pluviometría, radiación solar, temperaturas y humedad relativa del aire que determinan la ETP. • Factores biológicos: naturaleza de los cultivares y de los patrones • Factores humanos: conformación del suelo, drenaje, conducción de la viña y densidad de plantación, tamaño, podas, técnicas de mantenimiento del suelo,... Sotés (1998b) refiere que la viticultura europea ha estado marcada por una dicotomía en la que han prevalecido más los enfoques y opiniones personales que la pura interpretación técnica; basta recordar conceptos como viticultura atlántica versus mediterránea, secano-regadío, vaso o espaldera, nivel de rendimientos y calidad de la uva, etc. El desarrollo y la competitividad de las últimas décadas impone una mayor apertura de miras y tecnificación; en definitiva, la vid se comporta como cualquier otra planta transformando, mediante la fotosíntesis, energía solar en energía química. La superficie foliar es un elemento determinante de la energía solar captada y, por tanto, de la masa vegetal producida. Los modelos de distribución de la cubierta vegetal, que podríamos asimilar a sistemas de conducción, han evolucionado de forma importante con el transcurso del tiempo. Fregoni (1985) distingue el modelo etrusco, definido por plantas de gran desarrollo que utilizaban como soporte árboles vigorosos, y el modelo griego, constituido por parcelas con gran densidad de plantas, de reducido vigor individual, de variedades seleccionadas por la calidad de sus frutos. La necesidad de reducir los costes de cultivo obliga a incorporar sistemas apoyados en la mecanización (vendimia, poda, tratamientos fitosanitarios). La incidencia de esta evolución hacia viñedos más anchos y altos ha sido evaluada de forma negativa, en cuanto a su repercusión en el producto final (Champagnol, 1984); (Murisier y Spring, 1986). Sin embargo en áreas vitícolas de influencia anglosajona, con cultivos en suelos profundos y fértiles, y por tanto con viñas vigorosas, estos principios no son compartidos y han tratado más de conocer el comportamiento ecofisiológico. El pionero de estos estudios fue N. Shaulis (1966), de la Universidad de Cornell (Geneva, Nueva York, EE.UU.), creador del sistema de conducción GDC (Geneva Double Courtain), que rompió el esquema tradicional del cultivo en espaldera o vaso, dividiendo la parte aérea en dos cortinas de vegetación descendente, con el fin de duplicar el aparato fotosintético de la planta y permitir una mayor aireación y mejor penetración de la luz en la zona de racimos, consiguiendo una mejora importante en la calidad y cantidad de cosecha con plantas vigorosas y baja densidad por hectárea. Desde entonces, la concepción clásica de asociar viñedos de alta densidad y cepas débiles con elevada calidad de producto, y viñedos con grandes marcos y cepas vigorosas con mala calidad ha cambiado. El objetivo actual es conseguir un equilibrio hojas/fruto y un buen microclima a nivel de racimos que asegure la calidad del vino, haciendo uso de los avances técnicos disponibles para un cultivo más barato y con el menor esfuerzo humano posible (Sotés, 1998b). La cubierta vegetal actúa de dos formas diferentes sobre la fisiología de la planta y del cultivo: • La distribución y cantidad de hojas (sistema de captación de energía) interacciona con las propiedades de la radiación solar (la fuente energética), para determinar la cantidad de energía disponible para la fotosíntesis (Smart, 1973). 343

• La importancia de la cubierta vegetal no se limita al papel de captador de energía solar, sino que según su geometría va a influir de distinta manera modificando las características climáticas que le rodean (ET, temperatura, humedad relativa en el interior de la cubierta, etc.) y creando un microclima a nivel de hojas y racimos que va a repercutir en la fisiología de la planta y calidad de la cosecha. La disponibilidad hídrica hace aumentar, en general, la producción de materia seca por el hecho de que el agua no limita la actividad fisiológica de la planta (Albuquerque, 1993). Bartolomé et al. (1996) observan que, en viñas en secano, la contribución de las partes vegetativas es mayor, mientras que en las de regadío son los racimos quienes más contribuyen a aumentar la materia seca total. Por tanto, y como refiere Sotés (1998b), el sistema de conducción afecta al estado hídrico de la planta, debido a que las distintas geometrías de la vegetación de los sistemas provocan diferencias en el microclima aéreo de la cepa; cuanto más extendido y más productivo es el sistema de conducción más agua exige. A su vez, la disponibilidad hídrica condicionará la actividad fisiológica y la capacidad de expresión de un sistema de conducción determinado. La influencia mutua entre el sistema de conducción y el régimen hídrico puede ocasionar interacciones entre ambas técnicas de cultivo que afecten tanto a la producción como a la composición de la uva. En este mismo sentido, Sotés (1998b) realiza una revisión bibliográfica importante sobre las relaciones suelo-agua-planta en función de las características de la cubierta vegetal del viñedo indicando que conviene resaltar las características particulares que origina la alternancia de superficies de suelo y de follaje en relación a otros cultivos de cubierta vegetal continua y altura uniforme. Este hecho provoca variaciones horizontales en los niveles de contenido de vapor de agua, temperatura, radiación neta y flujo de aire (Graetz, 1972; Liu, 1974 y Weiss, 1975), originándose también en este mismo sentido variaciones en el estado hídrico como consecuencia del diferente microclima en las distintas zonas. Por otra parte, la exposición de la vegetación y de la superficie del suelo cambia a lo largo del día debido al movimiento de la posición solar. Estas diferencias espaciales en la cantidad de radiación de onda corta, se acusan todavía más en sistemas de conducción alineados en relación a sistemas de conducción en vaso o en plantas aisladas, y tienen aplicaciones muy significativas en la evolución diurna del estado hídrico. A mediodía se produce, por ejemplo, el mínimo de reflexión de la radiación por las hojas de la cubierta ya que la incidencia en este momento es mayor sobre el suelo (Smart y Coombe, 1983). Van Zyl y Van Huyssteen (1980), en un ensayo sobre sistemas de conducción, han puesto de manifiesto que las grandes diferencias encontradas en el consumo de agua no han sido debidas a la densidad o a la masa radicular, sino que se han producido por las diferencias que las distintas geometrías de la vegetación de los sistemas provocan en el microclima aéreo. Hicks (1973) establece de qué forma la orientación de las filas es un factor fundamental del sistema de conducción, y obtiene evapotranspiraciones de un 10 a un 20% superiores con las filas orientadas perpendicularmente a la dirección del viento. Zeeman (1977) muestra que la distancia entre las filas de plantas modifica las relaciones hídricas, observando que viñedos en secano fueron más resistentes o tolerantes a la sequía con las filas separadas 3 m que con las filas separadas 1,5 m. 344

Katerji et al. (1987) han estudiado la influencia del sistema de conducción sobre el estado hídrico y la fotosíntesis durante un período de desecamiento edáfico en Cabernet Sauvignon conducido en espaldera y en lira abierta. Llegan a la conclusión de que la lira, con mayor índice de área foliar, tiene a nivel de hoja menor conductancia estomática, menor fotosíntesis y menor potencial hídrico que la espaldera, pero alcanza mayor producción, mayor peso de madera de poda y mayor concentración de azúcares en la baya. La explicación podría encontrarse en el menor índice foliar de la espaldera que hace que cada hoja esté mejor hidratada y mejor alimentada en agua, mientras que un mayor índice foliar en la lira hace que al final la fotosíntesis por metro cuadrado de suelo sea mayor en este sistema. Bartolomé et al. (1996) y Yuste et al. (1995) han comprobado diferencias de comportamiento entre el vaso y espaldera cultivados en secano y regadío, respectivamente. La mayor potencialidad productiva del riego confiere ventajas a la espaldera, al poder distribuir una mayor carga a lo largo del cordón y evitar la pérdida de pámpanos que se produce en el vaso por su conducción libre. A su vez, estos sistemas de conducción permiten adaptarse a una posible evolución futura del mercado, ya que los parámetros que definen la calidad del vino están sometidos a la acción de agentes externos al consumidor: publicidad, moda; en muchas plantaciones diseñadas con la concepción clásica de la viticultura española, en vaso bajo y en secano árido, no es posible producir otro tipo de vino distinto del actual porque cualquier intento de modificación del equilibrio cantidad-calidad conduce a un desastre seguro, porque el potencial vegetativo es muy reducido e inamovible (Sotés, 1998b). A modo de consideración sobre orientaciones futuras, Sotés (1998a) establece que la débil y anticuada estructura productiva y el bajo nivel de precios, unido al problema de los excedentes y la intervención estatal que ha propiciado indirectamente un estancamiento del sector, hace necesario emprender una transformación de la viticultura tradicional hacia un sistema más intensivo pasando del modelo de viticultura de la supervivencia a una viticultura de la rentabilidad (Sotés,1981) en línea con los criterios utilizados en otros países y que se refieren fundamentalmente a la aplicación de técnicas de plantación y cultivo tendentes a disminuir los costes de producción e incrementar los rendimientos y la calidad y a encauzar la oferta a las nuevas tendencias del mercado. Esta transformación de los sistemas de producción es difícilmente abordable en plantaciones en secano, porque las escasas disponibilidades hídricas no permiten variar los sistemas de conducción y poda, elementos imprescindibles para un desarrollo vegetativo acorde con una mejor producción y unas condiciones microclimáticas más favorables. Las consecuencias del déficit hídrico y/o riego en el rendimiento, en el crecimiento vegetativo y en la composición del fruto de la vid han sido ampliamente referenciadas en la bibliografía y de su análisis se deduce que la variabilidad de los resultados obtenidos depende de las condiciones experimentales tales como el cultivar, el clima, el suelo, cantidades de agua aplicada, momentos de aplicación, técnicas de riego, etc. Casi todos los autores coinciden en que las reducciones del déficit llevan consigo incrementos del rendimiento y del desarrollo vegetativo en cuantía muy variable con las condiciones citadas y respecto a la composición de las bayas las tendencias no resultan generalizables. 345

Para una mejora de los rendimientos económicos del cultivo parecen aconsejables las siguientes medidas de tipo general: • Aumento de la superficie de las parcelas y de las explotaciones. • Modificación de los sistemas de conducción, sustituyendo en lo posible las formas libres en vaso por formas con vegetación dirigida principalmente en sistemas verticales en espaldera. • Aumento del nivel de mecanización del cultivo, en particular de las intervenciones sobre las vides y de la recolección. • Reducción de las superficies cultivadas con variedades productoras de vinos comunes e incremento de las dedicadas a las denominadas variedades de calidad. Para finalizar este apartado es preciso hacer unas referencias sobre el tema del arranque de viñedos que se produjo en la UE en la década de los 80 y 90 del pasado siglo. El arranque de viñedos mediante incentivos económicos condujo a una situación de extrema fragilidad del suelo por cuanto no existen alternativas de uso y se favoreció la despoblación. Los datos disponibles (MAPA, 1994) se muestran en la figura 7.10; resulta escandaloso comprobar que algo más de 300.000 ha (equivalente al viñedo de EE.UU.) fueron arrancadas en Europa, con una participación diferente en los países implicados. España aparece a la cabeza, seguido por Italia y Francia.

ITALIA 30%

ESPAÑA 44%

GRECIA 1%

FRANCIA 24%

Fig. 7.10.

PORTUGAL 1%

Distribución en Europa de superficie (ha) de viñedo arrancada (MAPA, 1994).

La razón de ello reside, sobre todo, en que las condiciones que sustentaron la opción de arranque fueron diferentes para cada país: en muchas zonas de España se pudo percibir una prima de subvención (7.000 ecus ha–1) superior al valor de mercado de la tierra. Es evidente que esta situación no podía proseguir. Tal y como refiere Haverkamp (1996), el abandono de la tierra conlleva indefectiblemente la potenciación de cuatro 346

aspectos propiciadores de la desertificación: el aumento de la erosión, la pérdida de la capa arable, la pérdida de agua en el subsuelo calcáreo y la disminución de recarga de acuíferos. El objetivo fundamental de mantener la cubierta vegetal podemos favorecerlo, cuando ello sea posible, mediante el empleo de los denominados «riegos de apoyo» o también llamados «deficitarios», o los que implican aportes selectivos del agua en función de cada uno de los diferentes estados fenológicos, denominados «riegos deficitarios controlados». 7.2.

LA SITUACIÓN EN CASTILLA-LA MANCHA

La problemática descrita ha de matizarse cuando nos referimos a Castilla-La Mancha. En esta región, se encuentra la mayor concentración mundial de viñedo, aproximadamente unas 600.000 ha, lo que representa un 8% de la superficie total y casi un 50% de la nacional. Asimismo, produce el 5,6% del vino total y la mitad del nacional. En la tabla 7.4, se reúnen los datos más representativos de la situación del viñedo de Castilla-La Mancha en el contexto nacional y mundial. Tabla 7.4. Panorámica general del viñedo en Castilla-La Mancha (en miles) (FAO, 2000) Superficie

Mundo Europa U.E. España Castilla-La Mancha

Producción

ha

% CLM

Uva (tm)

% CLM

Vino (hl)

% CLM

7.970 4.080 3.634 1.280 600

7,8 12,7 16,5 46,8

57.410 30.005 24.555 4.618 2.600

3,5 6,6 8,1 56,3

268.420 197.080 173.170 28.830 16.000

5,6 7,6 8,6 55,5

La situación del viñedo en Castilla-La Mancha ha de ser contemplada desde la óptica socioeconómica y, particularmente, desde las implicaciones que el sector tiene por las medidas de índole político que se adoptaron en el pasado y las que pueden llevarse a cabo en el futuro. Los diferentes objetivos de la OCM del vino, y sobre todo de su reforma, se pueden resumir en un gran objetivo central: corregir el desequilibrio entre la oferta y la demanda. Las causas que originan la necesidad de esta actuación se centran en tres aspectos fundamentales: el descenso del consumo de vino unido a importantes desequilibrios de la oferta, la inoperancia de la destilación obligatoria y, la existencia de ayudas nacionales contra la unicidad del mercado europeo (Goicoechea, 1996). Las propuestas de actuación contempladas en los documentos de reforma planteados desde la Administración y por las organizaciones empresariales y sindicales incluyen aspectos ligados a las medidas de financiación, al cálculo de las cantidades de referencia para cada país, al tratamiento de excedentes y cantidades a destilar, a los métodos de corrección de mostos y su legalidad, y a los aspectos vitícolas que implican la disminución drástica e indiscriminada de la superficie de cultivo (Salinas, 1996). Mención especial merece el estudio de algunas consideraciones sobre los aspectos vitícolas de la propuesta oficial de reforma: disminución de la producción en parcela, menor potencial productivo mediante el arranque de viñedos, mantenimiento de la viticultura en zonas marginales, y acciones de formación técnica, investigación agronó347

mica y revalorización de productos agrícolas. Las condiciones medioambientales en las que, de forma generalizada, se desarrolla el cultivo de la vid, el nivel de renta de los agricultores implicados y, como consecuencia, las posibilidades de establecer inversiones sustanciales en el medio rural, unido al carácter plurianual del cultivo definen una problemática socioeconómica y medioambiental propia de gran trascendencia en regiones áridas y semiáridas. El planteamiento realizado sobre el viñedo en Castilla-La Mancha (Montero, 1998) no pretende ser desolador ni tremendista, pero sí necesita de grandes dosis de realismo que traduzcan a la opinión pública la realidad de un medio bastante hostil y que, al mismo tiempo, encierra un cultivo muy bien adaptado. Habida cuenta de que las limitaciones hídricas en Castilla-La Mancha son notoriamente conocidas, las transformaciones en regadío habrán de ser muy selectivas y estar adecuadamente dimensionadas. Por ello, la convivencia con el sistema de cultivo en secano es una realidad y para la cual hemos de prever algunas actuaciones como éstas: diversificación varietal capaz de ofrecer vinos apreciados por los mercados actuales, desarrollo de sistemas que permitan el manejo del suelo y de la vegetación con mejores niveles de adaptación a condiciones semiáridas, adaptación de la «vendimia en verde» como práctica adecuada para la reducción de excedentes en determinadas campañas, e incorporación de sistemas de cultivo ecológico para determinadas áreas en las que el viñedo actual podría considerarse como tal. Se trata entonces de optimizar el aprovechamiento de los recursos disponibles y generar suficiente riqueza como para afianzar a la población en estas tierras. Es preciso plantear medidas de actuación que permitan ver con optimismo el futuro de una región cuya principal renta agraria procede del sector vitivinícola. Estas actuaciones podríamos considerarlas de cuatro tipos: de carácter agrario, de mejoras en el sector industrial, como medidas de actuación pública y mediante programas de I+D. En primer lugar, debemos intentar introducir criterios de carácter empresarial en las actividades agrarias. El concepto de empresa agraria no está lo suficientemente imbuido en los viticultores castellano-manchegos y por ello, resulta difícil que éstos asuman y exijan conceptos de calidad, versatilidad y homogeneidad en las producciones. Ciertamente que los esquemas de comercialización actuales de la uva no permiten demasiadas innovaciones, y por ello, la reestructuración del sector pasa, también, por el grado de asociacionismo de sus productores. El desarrollo de programas de I+D resulta extremadamente necesario para este sector, sobre todo si su enfoque se hace hacia la problemática específica de regiones afectadas por procesos de desertificación característicos de zonas semiáridas del mediterráneo. Algunas líneas de trabajo pasan por el conocimiento de las necesidades hídricas reales para el cultivo de la vid en estas condiciones, por la determinación de sistemas de conducción adecuados a un aprovechamiento mejor del agua de precipitación, por la utilización y manejo de un material vegetal -variedades y patrones- sano y garantizado que responda a las demandas actuales del mercado del vino, por la evaluación de la potencialidad productiva de variedades perfectamente adaptadas como Airén y Cencibel en vinos y derivados así como en diversos procesos de elaboración y crianza, por el estudio de la influencia de los factores agronómicos sobre la calidad de los vinos y sus destilados, y por otras que conduzcan a una mejora notable del sector a través del mantenimiento de una población ligada al mismo con carácter permanente. 348

El viñedo, como elemento productor de uvas y vinos, representa una alternativa real en áreas sometidas a condiciones semiáridas. Y así ha venido siendo desde siempre. Sin embargo, hoy día nos encontramos inmersos en un proceso de cuestionamiento integral del sector vitivinícola en el que la problemática se ha globalizado, y las soluciones también. Pero hemos de ser conscientes de que en las ecologías de CastillaLa Mancha el viñedo juega un papel medioambiental de enorme trascendencia y constituye un elemento clave en la fijación de su población. Por ello, hemos de ser extremadamente sensibles y permanecer atentos a las propuestas y medidas de actuación que sobre esta cubierta vegetal se planteen desde el seno de la Unión Europea.

8.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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352

CAPÍTULO VIII

El uso del agua en el regadío: la gestión de los recursos hídricos

Francisco Martín de Santa Olalla Mañas Fernando Ortega Álvarez Alfonso Domínguez Padilla

1.

Algunos conceptos básicos.

2.

Etapas y ámbitos de gestión.

3.

4.

5.

Los actores de la gestión. 3.1.

Las funciones propias de la Administración en materia de aguas.

3.2.

La participación de los usuarios en la gestión del Dominio Público Hidráulico.

3.3.

La formación técnica del usuario-gestor.

Los modelos de ayuda en la toma de decisiones. 4.1.

Modelos aplicables a grandes superficies.

4.2.

Modelos aplicables a nivel de explotación agraria.

Referencias bibliográficas.

1.

ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS

Establecer la definición conceptual de la gestión del agua no es fácil. Es un término estrechamente ligado con los entornos natural, social y económico. A su vez, los cambios de esos entornos están cada vez más interrelacionados y los ritmos de tales cambios son más acelerados. Gestionar según la Real Academia Española es «hacer diligencias conducentes al logro de un negocio o un deseo cualquiera». En la actualidad la gestión hídrica ha de entenderse como el conjunto de directrices y acciones tendentes a cohesionar armoniosamente los aspectos sociales, ecológicos, económicos y administrativos, relacionados con el agua, en aras de su sostenibilidad. Es lo que se conoce como la gestión integral, en este caso, del agua (Delgado Moya, 2002). En referencia a la interacción entre agua y agricultura, la gestión puede definirse como la acción de adecuar demandas y recursos, en cantidad y calidad, para lograr la pervivencia tanto de éstos, como de los usos (consolidación de regadíos, abastecimientos, etc.), de forma compatible con la conservación ambiental. Un elemento básico de la gestión de los recursos hídricos es el conocimiento de los mismos y de las actividades de ellos dependientes. Supuesto que se posea un conocimiento suficiente de recursos y demandas, las directrices para ejercer una buena gestión del agua han de enfocarse hacia el control de la utilización de la misma, a fin de garantizar la equidad entre usuarios y la aplicación entre éstos de métodos de uso correcto. Con frecuencia se utiliza el término gestión de manera indiscriminada cuando se quiere expresar la necesidad de acometer acciones tendentes a evitar disfuncionalidades. En él está implícito el conocimiento de recursos y demandas, la planificación, el control, etc. Actualmente la gestión del agua, como la de todos los recursos naturales, es una necesidad que debe contemplar la simbiosis entre el agua y todos los aspectos involucrados con ella: gestión de recursos (oferta), gestión de la demanda, gestión medioambiental, gestión económica, gestión administrativa, gestión de riesgos relacionados con el agua (inundaciones, sequías, efectos del cambio climático, etc.) e incluso la gestión de ineficiencias. De lo contrario se puede correr el riesgo de entrar en una espiral de mayores demandas —mayores suministros, nuevas infraestructuras— mayores inversiones económicas que puede conducir a graves fracasos así como al agotamiento progresivo de los recursos con el consiguiente impacto social y, en definitiva, a la insostenibilidad del sistema (Martí Vallbona, 1999). 355

Precisamente por la diversidad de agentes sociales que intervienen, a veces con intereses contrapuestos, la gestión ha de contemplar estrategias que coadyuven a promover la distribución equitativa del agua entre los usuarios y a satisfacer los diferentes requerimientos de estos. Hasta el presente la mayor parte de las decisiones de la Administración han ido enfocadas hacia la oferta, lo que ha contribuido a un mejor conocimiento de los recursos, pero ha agravado la ineficiencia en la asignación, distribución y uso del agua y en muchas zonas ha empeorado la calidad de la misma. En aras de lograr la contención de las demandas, fundamentalmente de la agraria, de conseguir una mayor eficiencia de la utilización del agua, de preservar y conservar el recurso y lograr una mayor flexibilidad en la asignación del mismo, es preciso desplazar la atención hacia la gestión de la demanda. La demanda es una variable compleja que depende del valor y del coste del agua, que a su vez dependen del uso a que se destine, del contexto socioeconómico y de las circunstancias de lugar y tiempo. Algunas consideraciones en lo que se refiere a necesidad y características que debe tener la gestión de la demanda, especialmente la agraria. La primera es que trata de resolver un problema global. Bajo una u otra forma, el problema abarca a la casi totalidad de nuestro planeta. A pesar de ello, demasiado frecuentemente se tiene tendencia a creer que las dificultades, únicamente suceden en nuestro entorno y se atribuyen a nuestra propia torpeza o a la maldad de los vecinos. La segunda es la gravedad del problema. La agricultura de regadío del futuro o es sostenible desde el punto de vista económico y medio ambiental o no podrá perdurar. La tercera es que hoy día se dispone de herramientas adecuadas para solucionar el problema. El desarrollo tecnológico creado es capaz de afrontar con éxito este reto. El agricultor tiene que hacer frente a desafíos económicos importantes en un mercado cada vez más competitivo y en condiciones de menor protección por parte del Estado; esta batalla económica tiene que librarla en una sociedad progresivamente más sensibilizada hacia la conservación del entorno. Incluso para el propio agricultor, mantener los recursos que utiliza en buenas condiciones, es un elemento clave para la propia supervivencia de su explotación. Simultáneamente el agua se necesita para sostener las funciones ecológicas de los humedales y otros ecosistemas. La movilización de recursos y la utilización abusiva de los mismos produce significativos cambios en el ciclo hidrológico natural, sea de reducción y modificación de flujos, con las consiguientes afecciones a espacios acuáticos, sea de alteraciones de la calidad. La dimensión del agua como bien social, económico, de sustento de actividad y vida y, como parte integral del ecosistema, provoca tensiones y competencias entre los diferentes agentes y frecuentemente entre regiones. La cantidad y calidad determinan la naturaleza de su utilización. La escasez y el deterioro de la calidad originan controversias que dificultan la formulación de políticas y estrategias, lo que, a su vez, retrasa la aplicación de acciones. La necesidad de la gestión integrada debe sustentarse en la evidencia de que la optimización del uso del agua resulta más económica y socialmente más conveniente que la permanente construcción de infraestructuras para satisfacer y garantizar demandas en crecimiento indefinido, infraestructuras que, por otra parte, no se renta356

bilizan al estar infrautilizadas durante prolongados períodos (Casas y Martí Vallbona, 1995). Para avanzar en la sostenibilidad de recursos hídricos y de las actividades a ellos ligadas es necesaria una buena e integrada gestión del agua. Es revelador la importancia que los Organismos Internacionales prestan, desde hace décadas, a esta actividad. La «AGENDA 21 Desarrollo Sostenible» (Río de Janeiro, 1992) es un buen manual de objetivos, actividades, medios, etc., de gestión hídrica. La Declaración Ministerial del Segundo Foro Mundial del Agua (La Haya, 2000), La Conferencia Internacional sobre el Agua Dulce, celebrada en Bonn en diciembre de 2001 y la Cumbre Mundial de Desarrollo Sostenible (Johannesburgo, 2002), son exponentes de la creciente preocupación internacional sobre este asunto. La gestión futura del agua debe tender hacia la satisfacción razonable de las necesidades en tiempo, lugar, cantidad y calidad, así como a implementar las estrategias para que el incremento del consumo se circunscriba al ámbito de la sostenibilidad, como condición y garantía de la continuidad del desarrollo económico y el aumento del bienestar. Las previsiones existentes sobre el uso de los recursos naturales en el siglo XXI destacan una crisis importante en la disponibilidad de agua para amplias zonas de nuestro planeta. Este aspecto ha sido puesto de relieve en numerosos estudios y documentos científicos (Gleick, 1993; Shiklomanov, 1996; FAO, 1997). Sin embargo, al mismo tiempo, con lentitud pero con firmeza, se va abriendo paso la idea de que esta crisis puede ser amortiguada en gran medida, haciendo un empleo más eficiente de los recursos, lo cual parece que únicamente puede lograrse en el marco de un uso integral e integrado de los mismos. El concepto de gestión integral se entiende como la que corresponde tanto a la gestión de la oferta como de la demanda, y ambas tanto desde una perspectiva socioeconómica como medioambiental. En el caso concreto del agua, la oferta comprende el conjunto de los recursos disponibles, sean éstos superficiales o subterráneos, de primera utilización o provenientes de un proceso de depuración. En casos especiales incluirá también los originados en la desalinización del agua salobre y marina. Por lo que respecta a la demanda, junto a la existente para uso agrícola, la más importante cuantitativamente, es preciso considerar el consumo urbano que tiene naturaleza de uso prioritario, los diversos usos industriales, incluidos los hidroeléctricos, los de carácter medioambiental, tanto en los que se refieren al mantenimiento de ecosistemas como aquellos cuyo destino es de carácter recreativo. Más adelante volveremos sobre estos conceptos. Al hacer referencia al concepto de integrada estamos indicando que es preciso integrar en el proceso a la mayor parte de los agentes económicos y sociales que se verán afectados por el resultado de la utilización de los mismos. A este tipo de manejo de los recursos se le ha denominado Manejo Integral de Cuenca, «Integrated Catchment Manangement» (ICM) en la literatura anglosajona. Éste ha sido definido por algunos investigadores (Batchelor, 1999) como el «manejo coordinado de todos los recursos naturales de una cuenca de forma que puede asegurarse un uso equitativo, sostenible y eficiente de los mismos». Es preciso hacer notar que, en esa definición, se hace alusión al manejo de todos los recursos naturales, incluyendo por tanto no sólo el agua, sino también, entre otros, el suelo y la vegetación. 357

Con frecuencia no es posible separar el manejo del agua de la de los restantes recursos naturales. En el siguiente apartado tendremos ocasión de analizar con mayor detalle esta definición de Batchellor.

2.

ETAPAS Y ÁMBITOS DE GESTIÓN

La gestión del agua, como la de cualquier recurso natural, comporta en nuestra opinión varias etapas. En primer lugar es preciso evaluar tanto la oferta como la demanda en el entorno en donde se va a gestionar. En el caso del agua es preciso conocer la oferta existente en las diferentes modalidades en que ésta puede presentarse, aunque todas ellas forman parte de un mismo ciclo integral. A estas modalidades hemos hecho referencia en el apartado anterior. Por otro lado es preciso evaluar la demanda tanto la de tipo consuntivo como la que no lo es. Entre las primeras se encuentra la destinada al uso agrícola, frecuentemente la más importante. La urbana, entre la que cada vez cobra más relieve la destinada a uso turístico, tiene un marcado carácter estacional. En la mayoría de la Cuenca Mediterránea, y en concreto en la costa de Levante de nuestro país, esa estacionalidad coincide, en sus puntas de demanda elevada, con la agrícola, aspecto clave en la gestión. La industrial cuando no está conectada a la red urbana, estimando en ambos casos sus posibilidades de reutilización previo proceso de depuración. Entre las demandas no consuntivas la más importante es la hidroeléctrica, que prácticamente se recupera al cien por cien, pero que condiciona en gran medida los cursos fluviales. Otras demandas no consuntivas son de menor entidad cuantitativa. Mención especial merece las demandas medioambientales, tanto cuando se refieren al mantenimiento de un ecosistema como las que tienen únicamente un carácter lúdico o recreativo, que son cada vez más apreciadas por la sociedad desarrollada. Hoy se es muy sensible al hecho de que sean debidamente atendidas este tipo de necesidades, aunque no siempre es posible encontrar buenos parámetros o indicadores sobre el grado de satisfacción logrado en este tipo de demanda. Un segundo paso es el de asignar el recurso, total o parcialmente a unos usos y unos usuarios concretos, y durante un tiempo determinado. Esta asignación reviste desde la entrada en vigor de la Ley de Aguas de 1985, y más aún desde su modificación de 1999, dificultades crecientes para llevarse a cabo adecuadamente. Conviene recordar que aquella Ley declaró públicas todas las aguas, aunque admite, normalmente con un cierto carácter de excepcionalidad, la propiedad privada sobre las mismas, dado que no se procedió a una expropiación de los derechos existentes, que por otro lado, en muchos casos, no estaban bien caracterizados. Las complicaciones que la aplicación práctica de esta Ley está teniendo son más conocidas incluso que la propia Ley. La asignación del recurso conlleva unas condiciones de uso que es preciso controlar que se cumplen. No hay que olvidar que se trata de un bien público o, utilizando una expresión que nos parece muy acertada, de un patrimonio o activo social (Sunkel y Leal 1985). Cuando el agua es escasa o existen problemas de pérdida de calidad por el uso, ese control se convierte en un elemento decisivo en el proceso de gestión. 358

Tanto el Plan Hidrológico Nacional (PHN) como los Planes Hidrológicos de Cuenca son evidentemente instrumentos de gestión. Con frecuencia cuando hablamos de gestión nos referimos a ámbitos geográficos más limitados. Las Comunidades de Regantes de primer grado, o incluso las de ámbito superior Comunidades Generales, o Juntas Centrales de Usuarios tienen espacios de gestión más reducidos. En el caso de las aguas subterráneas pueden corresponder al todo o a la parte de un acuífero. El nivel más elemental, pero no por ello menos importante, es el de la propia explotación agrícola, individual o colectiva. El camino que se ha indicado: evaluar, asignar y controlar es necesario recorrerlo en todo proceso de gestión. Se puede recorrer de muchas maneras, pero como siempre sucede, hay algunas que son adecuadas para llegar a buen fin y otras que lo son menos. Detrás de las abundantes «guerras del agua» que existen tanto dentro como fuera de nuestro país, pues no somos ninguna excepción, están algunos fallos en este proceso tan simple de enumerar como difícil de llevar a la práctica. La gestión pues, debe cumplir algunos requisitos (Batchelor, 1999) que puede ser oportuno resumir brevemente: • Que se haga de forma integral contemplando la existencia y características de los restantes recursos naturales existentes en la zona, como es el suelo, el clima y de forma muy especial la vegetación natural o cultivada. • Que se haga de forma equitativa en el que cada uno se trata «según sus méritos o deméritos». Cuestión espinosa sin duda y que nosotros aceptamos, que se logra si por lo menos se utilizan criterios objetivos y conocidos por los afectados. • Que se haga de forma sostenible, tanto económica como medioambientalmente, de forma que el uso actual pueda mantenerse en el tiempo sin comprometer el disfrute de las generaciones futuras. • Que se haga de forma eficiente, obteniendo el mayor provecho por unidad de recurso empleado. Existen buenos trabajos sobre este aspecto, p.e. Sinclair et al. (1994). Nosotros lo hemos tratado con cierto detalle en otro capítulo de este texto. • Que se haga de forma integrada, involucrando en el proceso de gestión a la mayor parte de los agentes afectados (Aragonés et al., 1996). Este aspecto relativamente novedoso cuenta con experiencias positivas y también con importantes fracasos tanto dentro como fuera de nuestro país (Campbell, 1994a,b; Blackmore, 1994). Pretty (1994) ha establecido una tipología para este tipo de participación que se resume en la tabla 8.1. Tabla 8.1. Niveles de participación de los usuarios Tipología

Características de cada nivel

1. 2. 3. 4. 5.

Participación pasiva Participa dando información Participa siendo consultado Participa a cambio de incentivos materiales Participación funcional

6.

Participación interactiva

7.

Participación independiente

No opina. Acata las decisiones de otros. Da información pero no decide. Su opinión es tenida en cuenta pero no decide. Participa y recibe algún tipo de incentivo por ello. Grupos de usuarios se reúnen para discutir las decisiones de otros. Tienen plena capacidad de participación en alguna de las decisiones a adoptar. Toman iniciativas autónomas al margen de instituciones externas.

359

Evidentemente la participación de los usuarios requiere que estos estén adecuadamente organizados y dispongan de una formación o un asesoramiento proporcional a la envergadura del problema a resolver. Independientemente de los estudios teóricos que existen sobre esta materia, que son abundantes, creemos que merece algunas líneas de este texto el análisis de la participación de los usuarios en la gestión desde la perspectiva real de los casos concretos que conocemos. A ella nos referiremos en un próximo apartado.

3.

LOS ACTORES DE LA GESTIÓN

3.1. LAS FUNCIONES PROPIAS DE LA ADMINISTRACIÓN EN MATERIA DE AGUAS El artículo 149 de la Constitución Española de 1978 señala como competencia exclusiva del Estado «La legislación, ordenación y concesión de recursos y aprovechamientos hidráulicos cuando las aguas discurran por más de una Comunidad Autónoma, y la autorización de las instalaciones eléctricas cuando su aprovechamiento afecte a otra Comunidad o el transporte de energía salga de su ámbito territorial». Respondiendo al mandado de la norma fundamental de nuestro ordenamiento jurídico, la Ley de Aguas vigente (Real Decreto Legislativo 1/2001, de 20 de julio, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Aguas), dispone en su artículo primero que: «Es objeto de esta Ley la regulación del dominio público hidráulico, del uso del agua y del ejercicio de las competencias atribuidas al Estado en las materias relacionadas con dicho dominio en el marco de las competencias delimitadas en el artículo 149 de la Constitución». El segundo apartado del mencionado artículo de la Ley de Aguas delimita el Dominio Público Estatal, sin perjuicio de las competencias que también le son atribuidas por la Constitución sobre el espacio marítimo y costero. Lo define como sigue: «Las aguas continentales superficiales, así como las subterráneas renovables, integradas todas ellas en el ciclo hidrológico, constituyen un recurso unitario, subordinado al interés general, que forma parte del dominio público estatal como dominio público hidráulico». La incorporación al ciclo hidrológico unitario de las aguas subterráneas, es la gran novedad de la Ley de Aguas de 1985, integrándolas desde ese momento el Dominio Público, derogando a su entrada en vigor —1 de enero de 1986— la regulación de derecho supletorio o privado (Código Civil) que sobre ellas recaía. Así mismo, se reserva el Estado el principal instrumento de actuación en materia de ordenación hídrica establecida en la propia normativa cual es la planificación hidrológica. Así el artículo 1.° de la Ley señala: «Corresponde al Estado, en todo caso, y en los términos que se establecen en esta Ley, la planificación hidrológica a la que deberá someterse toda actuación sobre el dominio público hidráulico». Sentadas la bases competenciales del Estado, es preciso indicar qué elementos constituyen el Dominio Público, para tener una idea precisa de lo que regula la Ley de Aguas como ley del Estado. El artículo 2 de la Ley define el Dominio Público Hidráulico: 360

Constituyen el Dominio Público Hidráulico del Estado, con las salvedades expresamente establecidas en esta Ley: a) Las aguas continentales, tanto las superficiales como las subterráneas renovables, con independencia del tiempo de renovación. b) Los cauces de corrientes naturales, continuas o discontinuas. c) Los lechos de los lagos y lagunas y los de los embalses superficiales en cauces públicos. d) Los acuíferos subterráneos, a los efectos de los actos de disposición o de afección de los recursos hidráulicos. e) Las aguas procedentes de la desalación de agua de mar una vez que, fuera de la planta de producción, se incorporen a cualquiera de los elementos señalados en los apartados anteriores. Por lo que a las aguas subterráneas se refiere, la Ley de Aguas indica que: Artículo 12. El dominio público de los acuíferos. El dominio público de los acuíferos o formaciones geológicas por las que circulan aguas subterráneas, se entiende sin perjuicio de que el propietario del fundo pueda realizar cualquier obra que no tenga por finalidad la extracción o aprovechamiento del agua, ni perturbe su régimen ni deteriore su calidad, con la salvedad prevista en el apartado 2 del artículo 54. Dicho apartado se refiere, como es bien sabido, a la libre capacidad de los ciudadanos para realizar un pozo o galería y extraer del mismo un volumen máximo de agua de 7.000 m3 año–1, siempre que el acuífero no esté declarado sobreexplotado. Por otra parte las Comunidades Autónomas disponen de algunas competencias que están reguladas en el artículo 18 de la mencionada Ley. La misma Ley dispone la constitución de los órganos encargados de la gestión del dominio público que son los Organismos de Cuenca o Confederaciones Hidrográficas. El capítulo III está dedicado a estos organismos recogiendo los aspectos básicos de los mismos, como son entre otros su configuración, funciones, estructura, etc. 3.2. LA PARTICIPACIÓN DE LOS USUARIOS EN LA GESTIÓN DEL DOMINIO PÚBLICO HIDRÁULICO El artículo 199 del Reglamento del Dominio Público Hidráulico (RDPH) (RD849/1986 de 11 de Abril) señala que las Comunidades de Usuarios realizan, por mandato de la Ley y con la autonomía que en ella se les reconoce, las funciones de policía, distribución y administración de las aguas que tengan concedidas por la Administración. Por tanto, tres son las funciones básicas asignadas por el ordenamiento a las Comunidades: • Policía; es decir, la vigilancia y control de las aguas que tenga concedidas o encomendadas por la legislación, así como el consiguiente ejercicio de la potestad sancionadora. • Distribución y administración de las aguas que igualmente tengan concedidas por la Administración. 361

• Si se tiene en cuenta la existencia de otros dos tipos de comunidades de usuarios, a saber, las llamadas Comunidades Generales de Usuarios y las Juntas Centrales de Usuarios, convendría añadir nuevas funciones y, especialmente dos: • Si se trata de una Comunidad General de Usuarios, dispondrá de la función de defensa de intereses comunes, adquiriendo, como se ve un carácter más fuertemente reivindicativo. • Si se trata de una Junta Central, dispondrá, además de esta función de defensa de los intereses comunes, una básica específica y fundamental, cual es la de ordenar y vigilar el uso coordinado de sus integrantes. Puede concluirse, por lo analizado, que el Ordenamiento Español en materia de aguas asigna a las Comunidades de Usuarios importantes funciones en cuanto a la gestión y administración de los recursos hídricos correspondientes a éstas. Es evidente que la Administración Hidráulica, básicamente las Confederaciones Hidrográficas, tienen encomendadas por Ley la Gestión de todo el Dominio Público Hidráulico, pero también lo es que el ordenamiento jurídico español reserva una gran autonomía y competencia a las comunidades de usuarios para las aguas que le sean concedidas o que se encuentren a su disposición. Volviendo a la propia Ley de Aguas en su artículo 83 trata las Facultades de las comunidades de usuarios, aspecto que posteriormente desarrolla el RDPH en los artículos 209, 210 y 211. A todo lo indicado anteriormente debemos unir la posibilidad de celebrar convenios con la administración hidráulica. El artículo 87 Ley de Aguas, cuando se refiere a las comunidades de usuarios de unidades hidrogeológicas y de acuíferos, es decir de aguas subterráneas, señala que: Artículo 87. Comunidades de usuarios de unidades hidrogeológicas y de acuíferos. Los Organismos de cuenca podrán celebrar convenios con las comunidades de usuarios de aguas subterráneas, al objeto de establecer la colaboración de éstas en las funciones de control efectivo del régimen de explotación y respeto a los derechos sobre las aguas. En estos convenios podrá preverse, entre otras cosas, la sustitución de las captaciones de aguas subterráneas preexistentes por captaciones comunitarias, así como el apoyo económico y técnico del Organismo de Cuenca a la comunidad de usuarios para el cumplimiento de los términos del convenio. Esta importante facultad de las Comunidades de Regantes, proviene de la reforma de la Ley de Aguas de 1999 y es de nuevo cuño. Por supuesto que nada impedía que las Comunidades de Usuarios, de cualquier naturaleza, celebraran convenios con la Administración, ni mucho menos con la Hidráulica, pero lo que realiza este artículo es un llamamiento específico a las Comunidades de Regantes de Aguas Subterráneas para la celebración de dichos convenios, habida cuenta de la dificultad inherente en la gestión de los recursos hídricos subterráneos y que ha sido palpable desde la entrada en vigor de la Ley de Aguas de 1986. Definido, aunque haya sido de forma somera el marco legal, parece conveniente hacer algunas reflexiones sobre la posibilidad práctica de llevar a cabo dicha gestión por parte de los usuarios. La experiencia personalmente vivida en la Junta Central de Regantes de La Mancha Oriental (JCRMO), Corporación de Derecho Público adscrita a la Confederación 362

Hidrográfica del Júcar, encargada de la gestión del Acuífero 08.29, es para nosotros una de las mejores referencias y fuente de información para ello. Cuando la gestión tiene que realizarse a escala de Comunidad de Regantes (de primer o segundo grado) o a nivel de explotación agraria, la participación activa de los usuarios se presenta como un elemento indispensable. La dispersión geográfica y temporal de los usos, las peculiaridades en la forma de realizar los aprovechamientos, a veces ligada a tradiciones seculares, la diversidad de cultivos, de formas de cultivar y por tanto de regar, y por último, pero no menos importante, el componente emocional que el uso del agua conlleva, invita a concluir que quien organice la gestión sean los propios usuarios. Estando sometidos al respeto escrupuloso de las leyes, que garantice la máxima seguridad jurídica en sus actuaciones, es preciso aceptar que es conveniente que así sea. Llegados a este punto surge la cuestión de la confianza. Piensan los usuarios que el agua la debe gestionar «uno de los nuestros» que debe gozar de la confianza del resto. Aparece aquí la necesidad de la elección democrática de los órganos gestores de las Comunidades de Regantes y de la mayor transparencia posible en la gestión. Hay que tener la confianza de los demás y mantenerla mientras se tenga capacidad de decisión. Conseguir estos objetivos requiere un alto nivel de educación en quién decide y en quién tiene que aceptar las decisiones. No se pretende decir que sea más difícil esa gestión delegada cuando se trate del agua, que lo pueda ser cuando se trate de otro tipo de bienes, pero indudablemente requiere un nivel de madurez que no siempre se alcanza. Hay más ejemplos de fracasos que de éxitos en las experiencias conocidas. La peculiaridad más digna de resaltar en la gestión de los recursos naturales y en particular del agua, es el hecho de que no son «propiedad» de ningún usuario concreto ni de la propia Comunidad de Regantes sino de la Sociedad en su conjunto, es un «activo social» como antes se indicaba. Esta característica conduce a que las consecuencias de una buena o mala gestión en un lugar y momento determinado puede repercutir en otras comunidades muy separadas en el tiempo o en el espacio. Este problema es particularmente grave en el caso de la contaminación y en este sentido las sociedades modernas se están sensibilizando en un alto grado en los últimos años. Son muy variadas las competencias que las administraciones pueden delegar en los usuarios, a través de Convenios firmados entre las partes. Se pueden mencionar, entre otras, la confección y actualización del Inventario de Regadíos, la definición y caracterización de las Unidades de Gestión Hídrica (UGH), la elaboración y seguimiento de los Planes de Explotación, e incluso gran parte de las tareas encomendadas a los Servicios de Guardería de las Confederaciones Hidrográficas. Al hablar de UGH nos referimos al conjunto de parcelas en las que la gestión del agua se realiza de forma unitaria, dado que disponen de las necesarias infraestructuras en común. Las UGH son (o deberían ser), un espacio físico muy útil como unidad de actuación en las tareas de gestión. A ellas pueden referirse los Planes de Explotación, e incluso los derechos del uso del agua. Pueden coincidir o no con una explotación agraria concreta, puesto que se trata de dos conceptos diferentes. Junto a estas tareas delegadas de la Administración a través de los Convenios existe, como se ha indicado, otras que son propias por naturaleza de las Comunidades de Usuarios. Unas de las más conocidas son las de los Jurados de Riego, con tradición en las aguas superficiales, pero menos establecidas en las aguas subterráneas. Ellos 363

deben velar por el correcto uso del agua asignada, tanto desde el punto de vista de la cantidad utilizada, como del mantenimiento de la calidad en los retornos de riego. 3.3.

LA FORMACIÓN TÉCNICA DEL USUARIO-GESTOR

La participación de los usuarios en la gestión de los recursos hídricos no puede hacerse de forma satisfactoria sin una adecuada preparación técnica. Hoy son numerosas las herramientas puestas a su disposición para ello. En diferentes Capítulos de este Texto hacemos referencia a buena parte de ellas. No es pues lugar de entrar en la descripción detallada de las mismas. Quizás es más adecuado poner de relieve aquí la diversidad de éstas y la necesidad de su buen manejo para ser un buen gestor. De esta forma se pone de manifiesto la preparación que se debe exigir al equipo técnico con que deben contar los usuarios en sus actuaciones como gestores. Comentamos a continuación algunas de las técnicas que hacen posible una mejor gestión del agua en el regadío en un repaso que no pretende ser exhaustivo. Un lugar destacado corresponde a los Modelos de Simulación en los que debe apoyarse, siempre que ello sea posible, la toma de decisiones. A estos Modelos nos vamos a referir en el próximo epígrafe. Hoy es posible modelizar el balance de agua dentro de una Unidad de Gestión Hídrica, sea ésta de aguas superficiales o subterráneas, de mayor o menor superficie. Las limitaciones de los Modelos en general y de estos en particular son bien conocidas. No hay que olvidar sin embargo que en la medida en que los datos que se introduzcan en el mismo sean más fiables, se posibilita el correcto establecimiento de las relaciones entre las variables y el proceso de validación del Modelo es más seguro. Los Servicios de Asesoramiento a los regantes dan cada vez recomendaciones más precisas, y a medida que pasan los años, el proceso de retroalimentación que se produce a partir de la información difundida y el control de su aplicación hace aquella más fiable. Estos Servicios con frecuencia se apoyan en estaciones agro-meteorológicas que en algunos casos están equipadas con lisímetros de pesada continua que permiten medir el consumo de agua que se produce sobre el cultivo en ellos instalado. A su vez, estas mediciones son clave para validar las diferentes fórmulas de cálculo de la Evapotranspiración, tanto de referencia (ETo) como de cultivo (ETc) y a partir de estos valores el Kc de los cultivos. Como consecuencia de todo ello, las necesidades de riego de los cultivos, así como la respuesta de éstos a déficits controlados en las aportaciones de agua, se van conociendo cada vez con mayor precisión. Los ensayos sobre Riego Deficitario Controlado están arrojando mucha luz al respecto. Una herramienta que ha posibilitado el análisis espacial de los regadíos, es la Teledetección. Las imágenes obtenidas, debidamente integradas en un Sistema de Información Geográfica, permiten hoy discriminar los diferentes cultivos existentes en los regadíos o al menos agruparlos en razón de un desarrollo fenológico similar. De esta forma se hace posible llevar a cabo Inventarios precisos de los regadíos establecidos en un perímetro y realizar un seguimiento de los diferentes cultivos en cada momento existentes. 364

En este seguimiento espacial de los cultivos, está siendo fundamental encontrar las relaciones existentes entre los parámetros que reflejan su crecimiento y desarrollo, como es el caso de la biomasa, el LAI, el grado de recubrimiento del suelo, etc., y aquellos que se pueden obtener a través de los sensores instalados en plataformas espaciales, como es el caso del Índice Normalizado de Vegetación (NDVI).

4.

LOS MODELOS DE AYUDA EN LA TOMA DE DECISIONES

Una herramienta de indudable eficacia potencial en la gestión del agua son los modelos de apoyo en la toma de decisiones. Así como otros instrumentos y técnicas descritas en diversos capítulos de este texto, han logrado superar la barrera que supone la investigación científica y técnica para pasar a la aplicación práctica y demostrar de esta forma su eficacia, en el momento de redactar este epígrafe, este tipo de modelos no lo ha logrado todavía, o al menos no de forma generalizada. No dudamos que en un espacio de tiempo relativamente breve, estos modelos se convertirán en herramientas de uso habitual en la gestión de los recursos naturales, y en particular del agua. Hemos tenido ocasión de trabajar en algunos. Creemos oportuno presentar aquí dos de ellos. 4.1.

MODELOS APLICABLES A GRANDES SUPERFICIES

Estos modelos tratan de reproducir los elementos que integran la gestión hídrica de una gran superficie, por ejemplo un acuífero, una cuenca hidrográfica o al menos una parte de ella. El modelo diseñado por nuestro equipo de investigación utiliza las redes bayesianas como herramienta de gestión y ha sido desarrollado en el marco del Proyecto MERIT (EVK1-CT-2000-00085). Las redes bayesianas son sistemas expertos probabilísticos, es decir, aquellos que utilizan la probabilidad como medida de la incertidumbre. Desde fechas recientes estos sistemas se aplican en la resolución de problemas medioambientales, ya que éstos presentan una estructura complicada, con altos grados de incertidumbre y con elevadas dificultades en la toma de datos (Simonovic y Fahmy, 1999). La Directiva Marco sobre el agua establece que la gestión de los recursos hídricos de las cuencas europeas se realice de forma integral e integrada. Dado que este Proyecto ha sido financiado por la Unión Europea debe cumplir con esos objetivos: • La toma de decisiones sobre la utilización de los recursos hídricos debe incluir sus repercusiones sociales, económicas y políticas, partiendo del principio de que el agua no es un bien únicamente económico, sino un patrimonio que hay que proteger, defender y tratar como tal. • Un proceso de esta naturaleza debe implicar a los colectivos afectados por las decisiones que se adapten en el marco de la gestión. Con estos antecedentes, nuestro objetivo fue el de construir la red bayesiana correspondiente a la Unidad Hidrogeológica 08.29 Mancha Oriental, que incluye el acuífero de la misma denominación, logrando la participación de los principales sectores involucrados en el uso y gestión del agua. 365

Establecer una gestión integrada para dicha Unidad implica tener en cuenta las opiniones de todas aquellas personas interesadas, por motivos económicos, políticos, sociales, culturales, etc, en las decisiones que puedan adoptarse. Si no se cubre esta etapa, el éxito de conseguir implantar el modelo de gestión deseado se reduce, ya que estas personas se consideran alejadas de los centros de decisión y no se sienten partícipes de las decisiones adoptadas. En la ejecución del Proyecto se cuidó especialmente que durante las fases de diseño, desarrollo y validación de la red bayesiana participaran, de forma activa, grupos representativos de cada uno de los sectores de la sociedad implicados en el uso del recurso, así como expertos conocedores del tema. Estas personas realizaron un papel fundamental dentro del diseño de la red ya que aportaron información propia y local que posiblemente hubiera sido imposible conocer por otro procedimiento. Además, tuvieron la oportunidad de realizar comentarios y sugerencias a lo largo de todo el desarrollo del Proyecto en las reuniones y grupos de trabajo que periódicamente se llevaron a cabo. El principal problema al que se enfrenta la Unidad Mancha Oriental es la sobreexplotación del Acuífero, debido al crecimiento incontrolado de las superficies de riego. Esta circunstancia se debe a que el margen bruto obtenido con cultivos de regadío es de 5 a 10 veces el obtenido con cultivos de secano (MAPA, 2001). Al ser la agricultura la principal actividad económica en el Unidad Mancha Oriental, al problema medioambiental se adhieren otros de carácter económico y social. La Unidad Mancha Oriental forma parte del Sistema Júcar, situado en el ámbito territorial perteneciente a la Confederación Hidrográfica del Júcar. Este Sistema comprende la cuenca del río Júcar, la de su principal afluente el Cabriel, y un conjunto de ríos menores que en la mayoría de los casos no desembocan directamente en el Júcar sino que se infiltran vertiendo sus aguas en el Acuífero y, a través de éste, en el río. Todo el Sistema Júcar está regulado por tres grandes embalses: Alarcón, Contreras y Tous y otros de menor entidad destinados al aprovechamiento hidroeléctrico. El Acuífero 08.29 Mancha Oriental tiene como drenaje natural el río Júcar. En el modelo diseñado se consideran entradas a la Unidad el agua que anualmente recarga los embalses de Alarcón y Contreras, así como la recarga del Acuífero sin tener en cuenta la procedente del río Júcar. Las salidas de la Unidad son el volumen de agua que anualmente llega al embalse de El Molinar, próximo al límite de la Comunidad Autónoma de Castilla-La Mancha. Aguas abajo de este último embalse, el río Júcar tiene que atender las demandas urbanas, agrícolas e hidroeléctricas de buena parte de la Comunidad Valenciana. Una red bayesiana consiste en una serie de nodos, que representan variables aleatorias, los cuales interaccionan unos con otros. Estas interacciones son expresadas como conexiones entre variables, debiendo resultar estructuras acíclicas (Cain, 2001). Un nodo que represente a una variable B estará conectado a un número de nodos «padre» A1, A2, ..., An de los cuales depende. En este caso la variable B será una variable «hijo». Estas conexiones están expresadas como dependencias probabilísticas, las cuales son cuantificadas mediante un conjunto de tablas de probabilidad condicional (Jensen, 2001). Para cada variable, la tabla indica la probabilidad de que ésta se encuentre en un estado particular, conocidos los estados de sus padres. Cuanta más información esté incluida en estas tablas menor será el grado de incertidumbre para la 366

probabilidad de que una variable se encuentre en un estado particular. Para variables sin padres, es decir, variables independientes, se define una distribución incondicional (Jensen, 2001). Una vez identificadas las variables se les deben asignar unos estados y la probabilidad de que la variable se encuentre en alguno de éstos. Los estados deben recoger todas las situaciones en las que pueda llegar a encontrarse la variable. En cualquier sistema es relativamente sencillo identificar a la mayoría de las variables que lo componen, incluso establecer cuáles son independientes y cuáles están condicionadas por otras. La identificación de las variables de nuestra Unidad se ha realizado a partir de los conocimientos del equipo investigador, formado en buena medida por expertos en la gestión de recursos hídricos en la agricultura, y de las opiniones recogidas de usuarios y expertos externos al Proyecto. La red correspondiente a la Unidad Mancha Oriental está formada por un total de 56 variables agrupadas en 5 grandes grupos. Estos grupos son las entradas de agua a la Unidad, el consumo ecológico, el consumo urbano, el consumo agrícola y el volumen de agua a la salida de la Unidad. A su vez, el consumo agrícola está formado por cinco subgrupos. Esta configuración se debe a que el principal consumidor es la agricultura, por lo que es necesario estudiar con más detalle cada uno de los factores que pueden influir en el consumo final de agua para riego. Debido a que el principal problema al que se enfrenta la Unidad es la sobreexplotación del Acuífero 08.29, la red está enfocada para cuantificar las extracciones anuales de agua que se realizan y si ese nivel de extracciones permite la sostenibilidad del acuífero en el tiempo, haciendo un balance entre los consumos para los diferentes usos con el volumen de agua que anualmente recarga a la Unidad. Este balance resta al volumen inicial disponible, el consumo para el mantenimiento de los cauces de los ríos que atraviesan la Unidad, el consumo urbano y el consumo agrícola. Las restricciones ecológicas no representan un uso consuntivo, pero sí limitan la disponibilidad real de agua. Este volumen vuelve a estar disponible a la salida de la Unidad. Los volúmenes de salida deben ser capaces de atender las necesidades existentes aguas abajo, a las que antes hemos hecho referencia. Enumerar y explicar cada una de las variables sería demasiado extenso y posiblemente poco ilustrativo, por lo que hemos optado por comentar brevemente el significado de cada uno de los grupos • Grupo 1 «Volumen de entradas»: Indica el volumen de agua que se ha almacenado en la Unidad el año previo al de simulación. • Grupo 2 «Volumen disponible tras restricciones ecológicas»: Es la cantidad de agua disponible tras restarle a las entradas de la Unidad, el volumen que anualmente debe destinarse para que en los ríos siempre exista al menos un caudal mínimo. • Grupo 3 «Volumen disponible tras consumo urbano»: Es la cantidad de agua disponible una vez descontado el volumen necesario para cubrir el consumo urbano. • Grupo 4 «Consumo agrícola»: Este grupo está formado por cinco subgrupos que se analizan a continuación. La combinación de todos estos subgrupos intenta estimar el volumen de agua extraído de la Unidad para ser consumido por los cultivos de regadío. 367

— Subgrupo 4.1 «Disponibilidad máxima de agua de riego»: Este grupo de variables representa el volumen total de agua superficial y subterránea que anualmente se pone a disposición de los regantes en función de las decisiones de gestión adoptadas. — Subgrupo 4.2 «Limitaciones técnicas de los sistemas de riego»: La finalidad de este conjunto de variables es la de estimar la eficiencia que tienen los sistemas de riego instalados y su manejo. Una mayor eficiencia permite un mejor aprovechamiento del mismo volumen de agua. — Subgrupo 4.3 «Renta agraria»: La renta agraria está relacionada con la cantidad de agua utilizada para riego. Si los agricultores no alcanzan un nivel de renta suficiente, muy probablemente optarán por cultivos más consumidores de agua. — Subgrupo 4.4 «Capacidad de control de los Planes de Explotación»: Anualmente se establece un Plan de explotación de la Unidad, lo que se traduce en que a cada agricultor se le asigna un volumen de agua para riego. Con este volumen debe elaborar el Plan de Cultivos de su explotación, indicando la superficie dedicada a cada uno. La previsión de consumo de agua en la campaña, se establece combinando esta información con los datos que proporciona el Servicio de Asesoramiento de Riegos. La Junta Central de Regantes de la Mancha Oriental (JCRMO) debe controlar el cumplimiento de este Plan. • Subgrupo 4.5 «Consumo para regadíos»: Los cuatro conjuntos de variables anteriores determinan la cantidad real de agua que se prevé que será utilizada de la Unidad para su uso en regadíos. • Grupo 5 «Volumen a la salida de la Unidad»: El balance de agua entre entradas y consumos da origen a esta variable que ha de mantenerse dentro de un determinado rango de valores para garantizar la sostenibilidad de la Unidad en su conjunto. Aparecen así dos variables resultado, una referida específicamente a la sostenibilidad del acuífero y otra a la de la Unidad en su conjunto. Una aportación que nos parece digna de resaltar en la construcción de la red es el hecho de haber ligado la Renta Agraria al consumo de agua de los cultivos. Ello ha sido posible por la abundante información disponible en la zona, enriquecida con la proporcionada por los propios usuarios Para la construcción de una red bayesiana es necesario, además de conseguir la información, identificar las variables, relacionarlas entre sí y asignarles a cada una de ellas sus estados y probabilidades, disponer de una herramienta que sea capaz de trabajar con toda esa información y ofrecer unos resultados. Los avances ocurridos en el mundo de la informática durante los últimos años, especialmente en el aumento de la velocidad de procesado de datos, así como la reducción de los precios de los componentes informáticos, ha permitido el desarrollo de programas específicos necesarios para la construcción y manejo de redes bayesianas complejas. Actualmente en el mercado existen varios programas de este tipo siendo uno de ellos, el denominado «Hugin Researcher» (Hugin Expert A/S, 2003). Este programa, en su versión 6.1, es el que se ha utilizado para la construcción de la Red del Proyecto y ha sido elaborado por la compañía danesa Hugin Expert, vinculada a la Universidad de Aalborg (Dinamarca). 368

Una vez introducida toda la información en el programa informático, éste procede a calcular para cada variable la distribución de probabilidades de sus estados como consecuencia de la interacción con el resto de variables que forman la red. El resultado que ofrece la red no está considerando ninguna situación en particular, ya que ninguna variable se encuentra en un único estado. Sin embargo, llegado a este punto, el programa permite la simulación de situaciones concretas. Por ejemplo en el caso de disponer de información suficiente para conocer cual fue el estado particular de cada una de las variables «padre» de la red en un año concreto y como respondió la Unidad en esa situación. Es posible la validación de la Unidad fijando al 100% el estado que incluye el valor conocido de cada una de las variables padre. Dado que también es conocido cómo se comportó la Unidad, el resultado que ofrezca la red debe coincidir con el mismo. Para poder actuar con la mayor seguridad, es necesario un proceso de validación de los resultados que ofrece el modelo. Además de que el resultado final parezca lógico o coincida con una situación conocida, también es preciso analizar una a una las variaciones que experimentan cada una de las variables y los resultados que ofrece un determinado grupo de variables intermedias en diferentes condiciones. Todo este proceso debe ser realizado no sólo por los creadores de la red, sino por el conjunto de usuarios, expertos y gestores del recurso. Estas personas deben decidir si los resultados que ofrece el modelo, tanto parciales como globales, son aceptables o por el contrario se deben modificar las relaciones entre variables, sus estados o sus probabilidades para que lo sean. En el momento de redactar este texto, el Modelo está finalizado, y ha sido validado por diversos usuarios tanto de la Administración (Confederación Hidrográfica del Júcar) como de la Junta Central de Regantes de la Mancha Oriental (JCRMO), Corporación de Derecho Público que agrupa a todos los regantes de la Unidad, así como por otros expertos en la materia externos al Proyecto. Su utilización en un futuro inmediato en las tareas de gestión, creemos que intensificará el grado de certidumbre en los resultados. Una explicación más detallada del mismo puede encontrarse en Martín de Santa Olalla et al. (2004), y de sus resultados en diferentes escenarios en Martín de Santa Olalla et al. (2005). 4.2.

MODELOS APLICABLES A NIVEL DE EXPLOTACIÓN AGRÍCOLA

El riego es una técnica de cultivo básica en gran parte de Europa, e indudablemente, en las regiones semiáridas de España, donde consume más del 80% del agua disponible. Si, además de los factores tradicionales de decisión se consideran los condicionantes impuestos por la Política Agraria Común (PAC) y la política planteada por un mercado mundial cada vez más globalizado, la toma de decisiones sobre la planificación productiva de las explotaciones se complica, adquiriendo unos niveles de incertidumbre elevados. En este marco, cobra gran importancia la ayuda a la toma de decisiones, especialmente en lo relativo a un recurso estratégico y escaso como el agua. El objetivo del modelo desarrollado es el de servir de ayuda para la toma de decisiones a diferentes niveles, tanto por el propio agricultor en su explotación, como por los servicios de asesoramiento de riego o, incluso, por los responsables de la planificación hidrológica en el ámbito de una zona regable. Mediante la simulación de diferentes escenarios es posible analizar los efectos sobre el proceso productivo de aspectos 369

esenciales, como: la disponibilidad de agua, la evolución de sus precios o de los diferentes «inputs» de la explotación agrícola, la política de ayudas, etc. (Ortega, 2000). La metodología desarrollada parte de los cultivos posibles en un territorio, de los que se determinan las necesidades netas de riego para diferentes estrategias productivas, máxima producción (ETm) o realizando diferentes restricciones sobre ella (ETa/ETm). A estos datos se les une la información económica de los cultivos, obtenida valorando monetariamente los itinerarios técnicos seguidos para cada caso (de Juan et al., 2003). De este modo, se obtiene la función de relación entre los costes de producción y la relación de evapotranspiración (ETa/ETm). Se trata de una relación no lineal ni linealizable, ajustable mediante polinomios de segundo o tercer grado. Finalmente, en base a la función que modeliza el margen bruto respecto a la dosis bruta aplicada, se busca la rotación de cultivos y el manejo del agua en ella que maximiza el margen bruto en la explotación. El modelo se compone de tres módulos de cálculo (Ortega, 2000): El primer módulo proporciona, entre otros resultados, las necesidades estacionales netas de riego para cada uno de los cultivos y para los diferentes años de la serie climática estudiada, haciendo una primera previsión del efecto del manejo del riego sobre el rendimiento del cultivo. Es recomendable trabajar con series climáticas lo más amplias posible, de modo que se caracterice adecuadamente la variabilidad climática de la zona, simulando el complejo escenario de toma de decisiones. La información de partida necesaria para abordar cualquier supuesto de manejo del agua en un escenario definido (explotación agrícola, comunidad de regantes, etc.), es la determinación de los consumos hídricos de los cultivos de interés y su respuesta en producción frente al riego. Para ello, la metodología seguida se basa en el balance hídrico simplificado y en las recomendaciones FAO (Doorenbos y Pruitt, 1977; Allen et al., 1998). El segundo módulo incorpora la función normal de distribución de agua sobre la superficie de la parcela (Anyoji y Wu, 1994; Tarjuelo, 1999), modelizándola a través del Coeficiente de Uniformidad de Christiansen (CU), y determina la función de márgenes brutos para distintas dosis brutas de riego (Figura 8.1). En este módulo cobran especial relevancia los sistemas de riego instalados en la parcela, que se caracterizan por su grado de uniformidad en el reparto del agua aplicada (Tarjuelo, 1999; Pereira y Trout, 1999); la calidad de distribución del agua sobre la parcela regada afecta al crecimiento y desarrollo del cultivo implantado y, por tanto, a su rendimiento. Este efecto sobre el rendimiento se considera a través de la función de producción del cultivo en la que se integra el efecto de la uniformidad de aplicación (Stewart et al., 1977; Doorenbos y Kassam, 1979; Ortega, 2000). La función que relaciona el margen bruto para cada cultivo con la dosis bruta aplicada por el sistema de riego se ajusta muy bien mediante una función polinómica de segundo o tercer grado, no siendo lineal ni linealizable (Figura 8.1). Este hecho pone de manifiesto la existencia de un valor de máximo margen bruto, correspondiente con la definida como dosis bruta óptima, siempre inferior a la dosis necesaria para la máxima producción (Ortega, 2000). Las características de las funciones en lo referente a su pendiente, valor máximo de margen bruto, comportamiento para volúmenes de riego por encima del óptimo, etc., 370

dependen del cultivo, tanto en lo relativo a sus necesidades hídricas como a la rentabilidad económica del mismo. En la figura 8.1 se observa un ejemplo de estas funciones, obtenidas a partir de múltiples puntos para dos cultivos con características diferentes, el maíz (Figura 8.1a) y el ajo (Figura 8.1b), con mayor margen bruto y menores necesidades hídricas. El modelo permite analizar, para un año medio y un valor de referencia del CU (82% en el ejemplo), el efecto de diferentes costes de aplicación del agua de riego, aspecto con gran interés en el marco de la actual Directiva Marco del Agua (DMA, 2000/60/CE).

Margen Bruto (€/ha)

800 600 400 200 0 –200 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 Volumen Bruto de Riego (mm) a)

Coste Agua = 0,15 €/m3 Coste Agua = 0,09 €/m3

Coste Agua = 0,12 €/m3 Coste Agua = 0,06 €/m3

Margen Bruto (€/ha)

3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 500 0 250 300 350 400 450 500 550 650 600 700 Volumen Bruto de Riego (mm) b)

Fig. 8.1.

Coste Agua = 0,15 €/m3 Coste Agua = 0,09 €/m3

Coste Agua = 0,12 €/m3 Coste Agua = 0,06 €/m3

Modelización de la relación entre el Margen Bruto y el Volumen Bruto de Riego aplicado para el cultivo de maíz (a) y el ajo (b) en un año medio y diferentes costes del agua.

Por sí, éste es un primer resultado interesante, la dosis bruta que hace máximo el margen bruto para cada cultivo, la cual es inferior a la necesaria para satisfacer la ETm, oscilando entre un 85-97% de la misma y pudiendo constituir un criterio económico de interés de cara a la programación de riegos. Finalmente, el tercer módulo de cálculo, partiendo de la función de márgenes brutos y empleando técnicas de optimización con algoritmos genéticos, determina la alternativa de cultivos que permite el máximo margen bruto (Ortega, 2000). Se debe recu371

rrir a las referidas técnicas de optimización como consecuencia de la relación no lineal existente entre las variables, además de por el amplio dominio de búsqueda con que se trabaja, dada la complejidad del problema. El sistema de optimización por algoritmos genéticos (no lineal), analiza las diferentes combinaciones (de forma análoga a lo que sucede en un proceso de selección natural) de forma que se aproxime la solución o conjunto de soluciones al óptimo. Dicha solución óptima deberá contener la distribución de cultivos y el manejo del agua en los mismos para alcanzar el máximo margen bruto en la explotación en su conjunto, todo ello cumpliendo una serie de restricciones que aseguren la viabilidad de la solución buscada, tanto desde el punto de vista técnico (limitaciones agronómicas, disponibilidad de maquinaria, etc.), como económico (capacidad y saturación del mercado, necesidad de capital circulante, etc.), social (disponibilidad y cualificación de la mano de obra, etc.), etc. En la Tabla 8.2 se muestra la solución que maximiza el margen bruto en una explotación de la UH 08.29 el año 1997, climáticamente medio y la del año 1987, uno de los más secos de la serie de estudio (1974-2000) (Ortega et al., 2004). Tabla 8.2. Rotación de cultivos en los años tipo (1987 y 1997) para una explotación tipo de la UH 08.29. Porcentaje de participación de los cultivos, dosis bruta recomendada y margen bruto con una disponibilidad media de agua de riego de 4.000 m3 ha–1 año–1 AÑO DE SIMULACIÓN 1987 (año seco)

Cultivo

Ajo Cebolla Guisante Maíz dulce Patata media Patata tardía Remolacha Girasol Tierra retirada

1997 (año medio)

Superficie (%)

Dosis (m3/ha)

Margen bruto (€/ha)

Superficie (%)

Dosis (m3/ha)

Margen bruto (€/ha)

15,0 16,0 10,0 0,0 9,0 8,0 5,0 35,0 2,0

5.121 8.106 3.400 — 7.953 5.582 8.750 — —

1.682,06 3.522,68 774,48 — 2.169,80 1.777,50 1.674,98 300,34 —

15,0 20,0 14,5 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 0,5

3.571 5.347 2.340 4.606 5.129 4.508 6.357 — 0,0

1.848,48 3.615,77 873,66 1.246,98 2.621,07 2.059,15 2.002,38 365,13 —

Para una disponibilidad media de agua de 4000 m3 ha–1 año–1, los cultivos que forman parte de la rotación en el año medio, son: ajo, cebolla, guisante, maíz dulce, patata de media estación, patata tardía, remolacha azucarera, girasol (cultivado en secano o con riegos de apoyo) y la tierra de retirada correspondiente a las exigencias impuestas por la PAC (tabla 8.2). Entre los cultivos seleccionados de los quince de estudio, los de mayor margen bruto y bajas necesidades hídricas (p.e., ajo), ocupan la totalidad de la restricción de superficie, independientemente de la lluvia, concentrándose sobre ellos los recursos disponibles. Cultivos como la remolacha azucarera, la cebolla o la patata, con un margen bruto elevado pero con consumos hídricos altos, ocupan una superficie importante, próxima a la máxima posible, en función del agua de riego disponible y de la pluviometría registrada durante su ciclo. Los años más secos de la serie climática (p.e., 1987), se registra una disminución de la superficie ocupada por estas especies respecto al año medio; por ejemplo, la cebolla ocupa un 16% de la superficie total frente al 20% (restricción de máxima superficie) del año medio (1997) (tabla 8.2). La 372

rotación se completa con cultivos, incluso en secano, adaptadas al estrés hídrico, como el girasol oleaginoso, que el año medio ocupa un 10% de la superficie total, aumentando hasta el 35% el año más seco de los analizados. Los volúmenes de agua recomendados están comprendidos entre los correspondientes al máximo margen bruto y la máxima eficiencia económica. De entre el conjunto de soluciones óptimas, o próximas al óptimo teórico, obtenidas para cada uno de los años de la serie climática de análisis se selecciona la rotación recomendable mediante la realización de una análisis de riesgo. El riesgo económico mide la variabilidad en los márgenes brutos medios alcanzados en los escenarios de trabajo como consecuencia de la variabilidad climática, aunque puede aplicarse a otros factores (p.e., precios, costes, etc.). Así, la rotación de cultivos finalmente recomendada será una rotación óptima, que maximiza el margen bruto alguno de los años de análisis, pero que, además, tiene mínimo riesgo, esto es, presenta la menor variabilidad en los márgenes brutos respecto a un objetivo potencial (Ortega, 2000). Estos modelos pueden ser complejos en su concepción matemática, pero deben ser sencillos en la aplicación, de forma que puedan ser utilizados incluso por el propio regante. Deben requerir datos fáciles de obtener de entrada, y deben conseguir que el usuario comprenda de inmediato las consecuencias que se pueden derivar de las decisiones que tome. Para convertirse en una herramienta realmente útil, debe ser validada en las diferentes situaciones en que puede ser utilizada. El modelo se ha aplicado a diferentes zonas regables con distintas condiciones (climáticas, económicas, disponibilidad de recursos, etc.), trabajando con explotaciones tipo seleccionadas en función de las características fitotécnicas y socioeconómicas del área. Algunas conclusiones de estos trabajos pueden ser de gran utilidad para conseguir una buena gestión, tanto técnica como económica, del agua de riego, destacando las siguientes (Ortega et al., 1999; de Juan et al., 1999; Ortega, 2000): Los resultados del modelo ponen de manifiesto la necesidad de caracterizar y analizar para los diferentes cultivos y desde un punto de vista técnico-económico, al menos, las siguientes dosis brutas de riego (Ortega et al., 2004): • Dosis para la máxima producción (ETa = ETm). • Dosis «óptima», identificada como aquella que maximiza el margen bruto de cada cultivo. Es significativamente inferior a la dosis bruta necesaria para maximizar la producción, oscilando entre el 85 y el 97% de la ETm. Debería precisarse en cada zona y ser cada vez más utilizada como criterio de programación de riegos. • Dosis de «máxima eficiencia económica», definida como aquella dosis bruta que hace máximo el margen bruto por volumen de agua descargado por el sistema de riego. En inferior a las dos anteriores y debe ser un criterio de referencia en condiciones de fuerte limitación en la disponibilidad de agua para riego. En general, dependiendo del cultivo, varía entre un 70 y un 94% de la ETm. • Las dosis de riego más recomendables, en función de las limitaciones de agua existentes, suelen estar comprendidas entre los volúmenes correspondientes al máximo margen bruto y los de máxima eficiencia económica. 373

Los cultivos mayoritarios son, en todos los casos, cultivos de alto margen bruto y necesidades hídricas reducidas. En gran medida entran a formar parte de las rotaciones óptimas (máximo margen bruto) cultivos hortícolas, como el ajo. Los cultivos tradicionales de muchas zonas (p.e., Unidad Hidrogeológica 08.29, de la Mancha Oriental), muy dependientes de la PAC (maíz, cereales de invierno, etc.), tienen un futuro comprometido, especialmente en un contexto de reducción de las ayudas y un posible incremento del precio de los factores de producción. Se pone de manifiesto la gran importancia del coste de aplicación del agua de riego, siendo una variable clave en la definición de la dosis a aplicar. Ante un contexto de incremento del coste/precio del agua de riego es imprescindible, para todos los cultivos pero especialmente en los más consumidores y con una rentabilidad económica incierta (p.e., maíz), aproximar las dosis a aplicar a las comprendidas entre las óptimas y las de máxima eficiencia económica. En caso de una gran escasez de agua de riego parece ser económicamente la mejor solución concentrar el agua en los cultivos más rentables, con dosis próximas a la óptima, dejando incluso una superficie de la explotación de regadío sin regar o con riegos de apoyo. En general, en algunas de las zonas analizadas (p.e., Unidad Hidrogeológica 08.29, de la Mancha Oriental), se pone de manifiesto la necesidad de reconvertir parcialmente la agricultura de regadío para aumentar su competitividad en un escenario inmediato, caracterizado por la reforma de la PAC y la aplicación de la Directiva Marco del Agua (DMA, 2000/60/CE). Dicha reconversión, que deberá intentar mantener o mejorar las rentas agrarias procedentes del regadío, deberá pasar por una relativa modificación de la distribución de cultivos y por mejorar, con criterios técnico-económicos, el uso del agua en los cultivos. En cualquier caso, modelos como éste, unidos a otros que actúen a mayor escala (p.e., MERIT), pueden ser de gran utilidad para contribuir a alcanzar los resultados propios de una buena gestión, planificación y uso de los recursos hídricos en la agricultura.

5.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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376

CAPÍTULO

IX

Programación de riegos

Concepción Fabeiro Cortés Águeda Moratalla Valero

1.

Introducción.

2.

Necesidades hídricas de los cultivos.

3.

Métodos de programación de riegos. 3.1. Objetivos de la programación de riego. 3.2. Métodos basados en el estado hídrico del suelo. 3.3. Métodos basados en el estado hídrico de la planta. 3.4. Métodos basados en el balance hídrico en el conjunto suelo-planta-atmósfera.

4.

Programación de riegos por medio del balance hídrico. 4.1. Fundamentos del balance de agua. 4.2. Información necesaria sobre el clima y el suelo. 4.3. Información sobre el cultivo. 4.4. Información sobre el sistema de riego. 4.5. Metodología.

5.

Referencias bibliográficas.

1.

INTRODUCCIÓN

El objetivo de la programación de riegos es permitir decidir cuándo se debe regar y cuánta agua hay que aplicar con el fin de cubrir las necesidades hídricas de los cultivos. La importancia de la planificación del riego se pone de manifiesto cuando el agua es un recurso escaso y su coste es elevado. Además hay que tener en cuenta que el agricultor, por desconocimiento de las necesidades hídricas de sus cultivos, puede caer en el error de aplicar riegos excedentarios, esto podría acarrear problemas de asfixia radicular, mermando el rendimiento y aumentar los costes del agua y fertilizantes, y conllevar procesos de contaminación de las aguas subterráneas. Existen diferentes criterios para programar el riego; los fines de programación puramente técnicos; determinando el volumen y el periodo de riego a lo largo del ciclo de un cultivo para lograr la producción máxima, y los fines de programación económicos; buscando el máximo beneficio en la aplicación del agua. Utilizar adecuadamente estos criterios supone conocer bien la función de producción de un cultivo, es decir la relación que liga el agua aplicada con la producción obtenida. Hay pocas funciones de producción bien definidas y las que lo están han sido contrastadas en lugares específicos y por tanto su empleo en otras condiciones ambientales debe hacerse con suma precaución. En cuanto se conocen mejor las respuestas de la planta a un cierto racionamiento de agua, los métodos de programación de riegos pueden emplearse no solo con criterios técnicos sino también con criterios económicos, ahorrando agua en algunos periodos concretos del desarrollo de la planta.

2.

NECESIDADES HÍDRICAS DE LOS CULTIVOS

El cultivo, mediante el proceso de la fotosíntesis, produce biomasa (frutos, hojas, tallos y raíces) utilizando la radiación solar, el CO2 de la atmósfera, agua y nutrientes. Para que la planta tome CO2 de la atmósfera es necesario que los estomas de sus hojas estén abiertos para que tenga lugar la emisión de agua en forma de vapor desde la planta a la atmósfera mediante el proceso de la transpiración. Esta pérdida de agua debe ser repuesta por el cultivo extrayéndola del suelo a través de las raíces. Dicha cantidad de agua más la que se pierde por evaporación directa desde la superficie del suelo, es lo que se conoce como evapotranspiración del cultivo (ETc). La FAO define la evapotranspiración de un cultivo, como «la pérdida total de agua de una cubierta vegetal bajo forma de vapor a través de la evaporación y transpiración durante un 379

intervalo de tiempo dado» y dependerá de la superficie de suelo cubierta por el cultivo, de la fase de su ciclo fenológico y de la demanda atmosférica. La evapotranspiración de un cultivo determinado representa las necesidades hídricas de dicho cultivo, entendiéndose necesidades hídricas como «el volumen de agua requerido para el proceso de evapotranspiración, desde la fecha de la siembra o plantación hasta el día de la recolección, cuando el contenido de agua en el suelo es mantenido suficientemente por las precipitaciones y/o riego, de tal forma que el agua no limita el crecimiento de las plantas o rendimiento de los cultivos». Un exceso de agua de riego podría conllevar problemas medioambientales por contaminación de aguas subterráneas debido al lavado de fertilizantes, acarrear problemas de encharcamiento y asfixia radicular en suelos que sean pesados y entre otros, un perjuicio económico para el agricultor. Una aportación inferior a la ETc puede llegar a provocar déficit hídrico y por tanto una reducción de la producción (Hsiao, 1973; Fernández, 2000). En la tabla 9.1 se muestra como la aplicación de dosis de riego inferiores al consumo del cultivo o ETc reduce la producción de los cultivos de soja y cebolla. Los ensayos fueron llevados a cabo en la Estación Experimental de «Las Tiesas» del ITAP (Albacete) en 1990 (Martín de Santa Olalla F.J. et al., 1994). Los cultivos se sometieron a cuatro dosis de riego; un tratamiento de control, en el cual se aplicó el 100% de las necesidades de agua del cultivo, y otros tres tratamientos deficitarios. Tabla 9.1. Producción obtenida en cebolla y soja bajo distintos tratamientos de riego Cultivo

Riego aportado (mm)

Producción total (t/ha)

Cebolla

355 (100)* 295 (80) 210 (60) 147 (40) 60 (20) 435 (100) 324 (80) 253 (60) 171 (40) 84 (20)

51,91 36,11 23,52 22,05 20,02 4,02 3,88 2,51 1,54 1,13

Soja

* Entre paréntesis porcentaje de las necesidades hídricas satisfecho mediante riego y precipitación.

Para que tenga lugar la evapotranspiración o ETc hace falta una fuente de energía, que pase el agua de estado líquido a estado gaseoso, dicha fuente es la radiación solar. También es necesario que haya una diferencia de presión de vapor (déficit de presión de vapor, DPV) entre la superficie evaporante y el aire que la rodea, para que el viento mezcle las capas de mayor contenido de agua con las de menor contenido y evitando así que la superficie evaporante se sature y se detenga el proceso de la ETc. La temperatura no influye directamente sobre la ETc pero sí que indica la cantidad de radiación existente, de manera que en aquellos meses que hay mayor radiación, la temperatura también es mayor, con respecto a los periodos de menor radiación solar. La temperatura y la humedad influyen en el DPV, así humedades cercanas a saturación, pueden disminuir la ETc e inhibir la absorción de nutrientes, especialmente el calcio, y también pueden traer asociados problemas de enfermedades (Garzoli, 1989). En la figura 9.1, correspondiente a la evolución diaria de la radiación y la transpiración de un cultivo de melón entutorado bajo invernadero, en la Estación Experimental 380

RADIACIÓN SOLAR (w m–2 s –1)

700

Radiación solar

700

Transpiración

600

soleado

500

500

400

400 300

600

nublado

300

200

200

100

100

0

TRANSPIRACIÓN (g h–1 cm –2)

800

800

0

0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00

HORA DEL DÍA Fig. 9.1.

Evolución de la radiación solar y transpiración de un cultivo a lo largo de un día nublado y un día soleado (Fernández M.ª D. et al., 2001).

de Zonas Áridas (Almería), durante un día soleado y un día nublado, se observa como la transpiración depende de la radiación y como existe una elevada sensibilidad de la transpiración a las variaciones de la radiación. Para cuantificar las necesidades hídricas de un cultivo se pueden utilizar varios métodos pero el más empleado es el recomendado por la FAO (Doorenbos y Pruitt, 1977), en dónde la ETc se calcula como el producto de dos términos: ETc cultivo,día (mm/día) = Kc cultivo, día · ET0,día

[1]

Kc es el coeficiente de cultivo y representa la disponibilidad del cultivo y suelo para atender la demanda evaporativa de la atmósfera, depende del cultivo en cuestión, de su estado de desarrollo y de la disponibilidad de agua en el suelo. Estos valores de Kc deben determinarse experimentalmente. ETo es la evapotranspiración de referencia y cuantifica la demanda evaporativa de la atmósfera y representa la tasa evapotranspiración de una pradera extensa de gramíneas pratense perenne, que cubre completamente el suelo, con una altura uniforme entre 8-15 cm que crece sin limitaciones de agua y nutrientes en el suelo y sin incidencias de plagas y/o enfermedades. Los valores de coeficiente de cultivo, Kc, integran los efectos de tres características primarias que diferencian un cultivo de una pradera de gramíneas: altura de cultivo, resistencia y albedo de la superficie suelo-cultivo (Jensen et al., 1990). Es decir, los valores de Kc dependen sobre todo, del cultivo y su manejo y han sido determinados para numerosos cultivos al aire libre (Doorenbos y Pruitt, 1977; Wright, 1982; Grattan et al.,1998; Allen et al., 1998). Existen varios modelos que abordan la estimación de las necesidades hídricas de un cultivo, ETc, entre los que destacan los siguientes: 381

Métodos estimativos: La evapotranspiración de referencia se obtiene de forma indirecta a través de variables microclimáticas. La metodología sería la siguiente: 1. Cálculo de la evapotranspiración de referencia (ETo). El modelo matemático elegido para estimar la ETo va a depender de la disponibilidad de datos climáticos y de la precisión de estos modelos en la zona donde se pretenda utilizar, ya que a menudo hay que aplicarlos en condiciones climáticas y agronómicas muy distintas a las condiciones en que inicialmente fueron desarrollados, siendo en algún caso necesaria la calibración. • Blaney-Criddle. • Radiación. • Penman-FAO. • FAO-Jensen. • Hargreaves. • Evaporímetro Cubeta A. • Penman-Monteith. 2. Aplicación de los coeficientes de cultivo (Kc). Los valores de Kc, para cultivos herbáceos, van aumentando conforme aumenta la cubierta vegetal, alcanzándose su valor máximo cuando el sombreamiento alcanza el 60-80% de la superficie del suelo. Y conforme el cultivo se acerca hacia su senescencia foliar, los valores de Kc disminuyen alcanzando su mínimo cuando el contenido en clorofila en las hojas es despreciable. 3. Conocida la ETo y los valores de Kc de los distintos cultivos, se calculará la evapotranspiración y por tanto las necesidades hídricas de los mismos, valorando también los factores climáticos, edáficos y fitotécnicos localmente dominantes. Método de lisimetría: Es un método de medida directa. Los lisímetros son unos grandes recipientes enterrados y cerrados lateralmente, de modo que el agua drenada por gravedad es recogida por un deposito, hay que tener en cuenta que se construye con unos bordes que impiden la escorrentía superficial. En su construcción hay que ser muy cuidadoso y restituir el suelo que se excavó en unas condiciones lo más similares posible a las que se encontraba. Finamente mediante un balance de entradas y salidas o por diferencia de peso se obtiene la ETc del cultivo que se esté desarrollando sobre la superficie del lisímetro.

3.

MÉTODOS DE PROGRAMACIÓN DE RIEGOS

3.1.

OBJETIVOS DE LA PROGRAMACIÓN DE RIEGOS

La programación del riego es un conjunto de procedimientos técnicos desarrollados para predecir cuándo y cuánto regar. Los métodos de programación del riego se clasifican en función de los datos de partida necesarios en: 1. 382

Determinación del contenido de agua en el suelo.

2.

Determinación del estado hídrico de la planta.

3.

Determinación del balance hídrico del conjunto suelo-planta-atmósfera.

A pesar de los avances en electrónica, tanto los sensores de medida del contenido de agua en el suelo, como los de medida del estado hídrico del cultivo tienen un elevado precio de adquisición y requieren de personal especializado para su mantenimiento, por lo que su difusión a los agricultores se ve limitada ya que el agua de riego tiene un bajo coste en relación a otros insumos agrícolas. Además, la utilización de estos sensores en la programación del riego requiere que previamente se haya comprobado su adaptación al sistema de cultivo y elaborado un protocolo y unas recomendaciones de uso como, qué sensores se deben utilizar, cuántos sensores se deben instalar, que localización es la más idónea, cuáles son los umbrales para la programación del riego. En los últimos años, con el desarrollo de los ordenadores personales se han elaborado varios programas informáticos para calcular las necesidades de riego de los cultivos a partir de los datos climáticos, edáficos y fitotécnicos, como por ejemplo el CROPWAT (Smith, 1992). Estos no sólo permiten predecir las fechas dosis de riego a lo largo de la campaña sino que también pueden ser muy útiles para evaluar el manejo del riego y planificar las distintas actividades de la explotación agrícola desde el inicio de la campaña. 3.2.

MÉTODOS BASADOS EN EL ESTADO HÍDRICO DEL SUELO

El suelo actúa como un depósito en el que se almacena agua aunque no toda la existente está a disposición del cultivo. La máxima cantidad de agua que la planta tiene a su disposición en el suelo es la diferencia entre la que existe a capacidad de campo, (CC; le corresponde un potencial hídrico de –1/3 bar, y se alcanza cuando el terreno ha sido mojado abundantemente y ha drenado libremente hasta su finalización), y la cantidad de agua que existe cuando el suelo está en punto de marchitez permanente (PMP, le corresponde un potencial hídrico de – 15 bares y coincide con la humedad que hay en el suelo cuando el cultivo se marchita de manera irreversible) (Allen et al., 1998). La capacidad de campo y el punto de marchitamiento se han relacionado con la textura, aunque también dependen de la estructura y de otros factores. En la tabla 9.2 se presentan los valores medios de diversas propiedades físicas de los suelos, que deben ser utilizados prudentemente, pues en la práctica los valores de las mediciones Tabla 9.2. Resumen de las propiedades físicas del suelo Humedad fácilmente utilizable Textura del suelo

Arenoso Franco-arenoso Franco Franco-arcilloso Arcilloso-arenoso Arcilloso

Total espacio Capacidad de Marchitez poroso (%) Densidad campo (%) permanente ρa P Acc Apm

38 43 47 49 51 53

1,65 1,5 1,4 1,33 1,3 1,25

9 14 22 27 31 36

4 6 10 18 15 17

Peso (%) Acc-Apm

5 8 12 14 16 18

Volumen (%) AU (Acc-Apm) cm/m ρa

8 12 17 19 21 23

8 12 17 19 21 23

383

realizadas pueden diferir de los aquí propuestos, no obstante son aplicables en la mayoría de los suelos. Cámara de presión de vapor (Placas de Richard) El método de la prensa de membranas o placas de Richard, desarrollado por L.A. Richards en la década de 1940, tiene como objetivo construir la curva característica de desorción de agua del suelo en el rango de humedad, que va desde la saturación completa, al punto de marchitez y para potenciales mátricos entre –0,1 y –15 bares. La esencia de este método está basada en lo siguiente; se toma una muestra del suelo anteriormente procesada (pasada por tamiz de 2 mm de diámetro y saturada de agua) y se sitúa sobre una placa porosa de cerámica saturada con agua, esta placa junto con la muestra es introducida en la prensa. Una vez la cámara ha sido herméticamente cerrada se aplica una determinada presión (utilizándose aire comprimido ó nitrógeno) a través de reductores finos conectados a ella, dicha presión es registrada a través de manómetros instalados en el sistema. Mediante este procedimiento, la muestra de suelo va perdiendo la humedad por acción de la presión ejercida sobre ella, el flujo de agua cesa cuando la tensión con que es retenida el agua en el suelo, coincide con la presión aplicada. Posteriormente se extrae la muestra y se determina en ella el porcentaje de humedad por el método gravimétrico. Esta operación se realiza 7 u 8 veces con distintas presiones y una vez analizados los contenidos de agua de las correspondientes muestras se puede determinar la curva característica de humedad en el suelo. La reducción de la ETc por debajo de su valor máximo, ocurre antes de alcanzar PMP, por tanto el agua que fácilmente dispone el cultivo (AFU) sin que sufra estrés es una fracción de la que realmente hay disponible en el suelo, dicha fracción se conoce como nivel de agotamiento permisible, NAP, que dependerá del cultivo que se trate y de la demanda evaporativa de la atmósfera.

30

Agua del suelo (%)

24

40 Capacidad de campo

30 18

Agua disponible

20 12 Punto de marchitez

6

10 Agua no disponible

Contenido en agua (cm/m de suelo)

En la figura 9.2 se representan los valores de capacidad de campo, el punto de marchitamiento y el agua útil, relacionados con diferentes texturas del suelo.

Arenoso Franco Franco Franco Franco Arcilloso arenoso limoso arcilloso

Fig. 9.2.

384

Agua disponible para la planta en función del tipo de suelo.

El NAP se encuentra estudiado para la mayoría de los cultivos y para cada una de las etapas de crecimiento y desarrollo de los mismos. Para la obtención de los valores del NAP puede seguirse el modelo BridriCo 2 (Danuso et al., 1995), que proporciona una expresión matemática para cada grupo de evapotranspiración y que depende del tipo de cultivo y de la ETm diaria. Este método ha sido actualizado por Allen et al., (1998). Los sensores que miden la humedad del suelo informan de la cantidad de agua que es extraída por la planta y por la atmósfera, por lo tanto el riego puede programarse con el fin de mantener el contenido de agua en el suelo entre dos niveles de humedad, el límite superior se fijará para evitar el drenaje (CC) y el límite inferior para evitar que el cultivo sufra estrés hídrico (NAP), pudiéndose establecer un calendario de riego. Vamos a ver a continuación los diversos procedimientos para medir el contenido de agua en el suelo. En función de su exactitud y de las condiciones en que se realiza su determinación se pueden agrupar de la siguiente forma: 1.

Métodos directos: • Gravimetría mediante desecación en estufa.

2. Métodos indirectos: • Sonda de neutrones. • Time Domain Reflectometry (TDR). • Método de Capacitancia (EnviroScan). • Método tensiométrico. • Bloques de yeso y otros. Método gravimétrico Es un método barato y sencillo. El principal inconveniente es el tiempo que transcurre desde que se toma la muestra hasta que se conoce el contenido de humedad de la misma, tampoco hay que olvidar de que se trata de un método destructivo ni la elevada mano de obra requerida ya que la variabilidad espacial del contenido de agua en el suelo es importante y por tanto se debe tomar un número elevado de muestras. El método consiste en tomar muestras del suelo, pesarlas, secarlas en estufa hasta peso constante y volverlas a pesar. Para obtener resultados fiables, la temperatura de desecación deberá elegirse dentro de un intervalo en el que el cambio de peso de la muestra sea mínimo. En suelos con un moderado contenido en materia orgánica, el intervalo adecuado para obtener resultados precisos es de 105° C a 110° C . En suelos con alto contenido en materia orgánica, estas temperaturas originan pérdidas continuadas de peso debido a la oxidación de aquella, por lo que, para obtener resultados aceptables, es necesario que la temperatura de desecación no supere los 70° C. Respecto al tiempo de desecación debería prolongarse tanto como fuera necesario hasta obtener peso constante; sin embargo en los Métodos Oficiales de Análisis de Suelos (MAPA, 1994) se precisa que la determinación se realice durante 10 horas, si se utiliza una estufa con corriente forzada de aire y, durante 24 horas al menos, si se emplea una estufa ordinaria de convección. 385

Este método suele emplearse para calibrar los métodos indirectos (p.ej., sonda de neutrones), plantea problemas en suelos pedregosos por la dificultad en la recogida de muestras. Una posible causa de error es por pérdida de humedad de las muestras antes de su secado, lo que se evitará usando recipientes adecuados o mejor aun cuando se pueda realizar la pesada in situ. Sonda de neutrones Es un método indirecto para la medida del contenido de agua en el suelo. Los principales inconvenientes de la sonda de neutrones son su alto coste y la necesidad de personal cualificado para el manejo de instalaciones radiactivas. Sus principales ventajas son la rapidez de medida y que se realiza in situ. El fundamento de la medida se basa en el frenado que experimenta un flujo de neutrones rápidos cuando choca con determinadas partículas del suelo. La pérdida de energía cinética, es máxima cuando los neutrones colisionan con partículas de masa aproximadamente igual a la suya, como es el caso de los núcleos de hidrógeno del agua del suelo. Cuanto mayor es el contenido de agua del suelo, mayor es el número de colisiones (cada molécula de agua tiene dos átomos de hidrógeno) y mayor el número de neutrones lentos que se originan. Los neutrones frenados transforman su energía cinética en calor y se dice, entonces, que se han «termalizado». Los neutrones termalizados son absorbidos por un detector que emite una partícula α (nucleo de helio), originando un impulso eléctrico que se recoge, a su vez, en un medidor de impulsos durante un tiempo determinado. Los impulsos medidos se comparan con los emitidos por muestras en las que la humedad se ha medido, previamente, por métodos gravimétricos, mediante una curva de calibración. El equipo para la medición consta de los siguientes aparatos: 1. Sonda, alojada en un tubo metálico, fuente de neutrones rápidos. Podría utilizarse una mezcla de radio-berilio, pero al ser ésta rica en radiaciones peligrosas γ, es preferible utilizar una mezcla de americio-berilio, más pobre en estas radiaciones. 2. Detector de neutrones termalizados capaz de generar impulsos eléctricos. 3. Cable coaxial que aporta, por una parte, la alta tensión que necesita para su funcionamiento el detector de neutrones, y, por otra transporta hasta el registrador electrónico los impulsos eléctricos generados por el detector. En la figura 9.3 aparecen los distintos componentes de que consta una sonda de neutrones, descrita anteriormente. La precisión de este método depende en gran medida de una correcta calibración de la sonda. Diferentes factores afectan a la exactitud de la medida por lo que, para resultados de precisión, es obligatorio realizar el calibrado en cada uno de los suelos en que se utilice la sonda. Debe tenerse en cuenta, además, que no resultan totalmente fiables las medidas realizadas en los 10 cm de suelo inmediatos a la superficie, dónde no solo hay escapes de neutrones a la atmósfera sino también un mayor y más variable contenido de hidrógeno ligado orgánicamente a las raíces y materia orgánica que se acumulan en la superficie. 386

Fig. 9.3.

Sonda de neutrones.

Time Domain Reflectometry (TDR) Este método se basa en medir la constante dieléctrica del suelo, que depende fundamentalmente de su contenido en agua. La precisión del sistema TDR (Time Domain Reflectometry) puede ser superior al de las sondas de neutrones y no presentan el riesgo de manipulación de éstas. Los inconvenientes son el elevado coste y la dificultad de instalación en profundidad. Además ha de asegurarse que el contacto entre los sensores y el suelo sea completo pues el aire tiene una constante dieléctrica muy baja. Un TDR es un osciloscopio conectado a dos varillas metálicas que se insertan paralelas en el suelo. Al aplicar una diferencia de potencial a un extremo de las varillas, la energía se transmite a lo largo de ellas hasta su extremo, dónde son reflejadas hacia el osciloscopio, que mide la evolución del potencial a lo largo del tiempo. La velocidad de transmisión de la onda depende de la constante dieléctrica del medio (suelo que rodea las varillas) por lo que es posible deducir dicha constante conociendo el tiempo de tránsito de la onda a través de las varillas. En la figura 9.4 aparece un esquema simple de lo que es una sonda TDR. Por tanto a través del análisis del tiempo de recorrido del pulso electromagnético a lo largo de las dos varillas de acero inoxidable, proporcional a la constante dieléctrica, se podrá determinar el contenido de agua que hay en el suelo. La curva de calibrado de los TDR depende muy poco del tipo suelo aunque sí se ve influenciada por la presencia de sales, aunque presenta problemas en suelos con alto contenido en materia orgánica y suelos de textura fina (Hanson y Peters, 1999). 387

Fig. 9.4.

Sensor TDR.

Método de Capacitancia (EnviroScan) Otro método para conocer la humedad del suelo es el basado en medir la capacitancia de un campo eléctrico de alta frecuencia. Ello es posible debido a que la frecuencia depende del contenido de agua que hay en el suelo que rodea al sensor que crea dicho campo eléctrico. Éste es el mecanismo en que está basado el equipo EnviroScan, que muestra la figura 9.5, compuesto por varias sondas conectadas por cable a un datalogger donde se almacenan las lecturas. En cada sonda se pueden disponer varios sensores colocados a distintas profundidades dentro de un tubo de PVC. El gráfico continuo que proporciona el EnviroScan del movimiento del agua en la zona radicular, permite tomar la decisión de cuándo regar y qué dosis aplicar, como se observa en la figura 9.6, el límite superior es fijado para evitar el drenaje y el límite

Fig. 9.5.

388

Sonda EnviroScan.

71 70

Humedad del suelo (mm)

69

Drenaje

68 67 66 65 64 Riego 63 Estrés

62 61 4/10 Fig. 9.6.

5/10

6/10

7/10

8/10

9/10

10/10

11/10

12/10

Evolución del contenido de agua en el suelo tras varios ciclos de riego. (Fernández et al., 2001).

inferior se fija para evitar el estrés hídrico. La cantidad de agua a aplicar queda definida por la diferencia entre estos dos límites. La gran ventaja de este equipo de medida de humedad es que permite colocar sensores en distintas profundidades en el mismo tubo de acceso y realizar medidas continuas del contenido de agua en el suelo, lo que permite conocer el perfil hídrico del suelo. Por el contrario la instalación es muy complicada debido a la necesidad de mantener un buen contacto entre el tubo de acceso y el suelo. Método tensiométrico Los tensiómetros son instrumentos que permiten medir el potencial mátrico del agua en el suelo, el cual puede ser utilizado como indicador del momento de riego. Aunque han sido empleados habitualmente en cultivos perennes, los tensiómetros pueden ser utilizados para cultivos anuales, siempre que se asegure un manejo adecuado. El aparato de medida, tal como se observa en la figura 9.7, consiste en una cápsula de porcelana porosa conectada, a través de un tubo de material plástico, a un vacuómetro. El conjunto forma una sonda que se construye en varias dimensiones, destinada a ser enterrada en el suelo a diferentes profundidades. Antes de enterrar el tensiómetro en el suelo es necesario llenarlo de agua eliminando cualquier burbuja de aire. En estas condiciones el agua que llena la sonda está a la presión atmosférica y el vacuómetro marca la división cero de la escala en que va graduado. Se entierra la sonda en el punto del suelo y a la profundidad que previamente se haya fijado. El agua contenida en la sonda tomará contacto con el suelo a través de la cápsula porosa y se establecerá un gradiente hídrico en función del estado de humedad del suelo. 389

Fig. 9.7.

Tensiómetros.

En suelo saturados, el agua libre a la presión atmosférica quedará en equilibrio con el agua contenida en el interior de la sonda y no se establecerá flujo de agua en ningún sentido. El vacuómetro continuará marcando el valor de cero. En suelos no saturados, el agua retenida con la tensión correspondiente a su potencial matricial presenta una presión subatmosférica que obliga a salir un cierto volumen de agua de la sonda, originando así una caída de su presión hidrostática que puede leerse en el vacuómetro. La permanencia en el suelo de la sonda durante un largo periodo de tiempo, nos permitirá seguir con bastante precisión los cambios del potencial mátrico del suelo. Como la cápsula cerámica es permeable para el agua y las sales disueltas, el agua del interior de la sonda acaba adquiriendo la misma concentración salina de las soluciones del suelo. Por esta razón no sirve para medir el potencial osmótico del suelo, a menos que vaya equipada con algún tipo de sensor salino auxiliar. Las medidas de presión hidrostática por tensiometría están a potenciales mátricos inferiores a –1 bar. Para tensiones superiores, puede penetrar aire en el interior de la sonda a través de la cápsula porosa y se rompería la continuidad de la columna líquida. En la práctica, los vacuómetros van divididos en escalas de 0-80 ó 0-100 centibares. Los estados de humedad del suelo correspondientes a capacidad de campo les corresponden valores próximos a cero. Conforme el suelo se seca aumenta la energía de retención y los valores de vacuómetro suben hasta 80 ó 100 cbar. Al ser instrumentos adecuados para niveles altos de humedad, los tensiómetros se adaptan muy bien a la programación de riegos en sistemas de alta frecuencia. La colocación del tensiómetro en el suelo ha de garantizar el contacto continuo y directo de la cápsula con el suelo. Es recomendable colocar tensiómetros a distintas profundidades para controlar, al menos, todo el perfil del suelo en donde existe desarrollo radicular. Normalmente, se procede a dar un riego cuando las sondas más superficiales, alcanzan 390

un valor preestablecido. También, el uso de varias sondas a diferentes profundidades puede permitir el cálculo de gradientes hídrico y conocer la dirección de los flujos de agua en el suelo. Bloques de yeso y otros Este método permite una medida indirecta del potencial del agua en el suelo, esto es, requiere calibración. Se basa en medir la resistencia eléctrica entre dos electrodos que se encuentran en el interior de un bloque de yeso, de nylon o fibra de vidrio, enterrado en el suelo. Éste es el método en el que se basan las sondas watermark para medir la humedad del suelo, en ellas la matriz de yeso está rodeada por una capa de arena y todo ello rodeado por una membrana sintética para evitar que se deteriore y de esta forma queda protegida contra la salinidad, tal como se intenta representar en la figura 9.8. Se hace pasar una corriente de intensidad calibrada a través del bloque de yeso y el sensor portátil señalará la mayor o menor resistencia que la corriente se encuentra a su paso. Los bloques húmedos son más conductores por lo que la resistencia será menor que cuando se vaya desecando. El medidor indica el porcentaje de agua utilizable por las plantas en relación con la resistencia eléctrica del bloque de yeso. Por tanto ha sido necesario establecer para las distintas clases de suelos la relación existente entre la resistencia eléctrica del bloque de yeso y el agua utilizable del agua del suelo. Los bloques de yeso son más precisos para tensiones superiores a 0,33 bar. Por tanto estos instrumentos son adecuados para suelo de textura media o arcillosa. No son válidos para suelos salinos ya que el contenido en sales puede afectar a la resistencia eléctrica. La vida útil de un boque de yeso oscila entre 1 y 3 años.

Fig. 9.8.

Sondas Watermark a distintas profundidades.

391

3.3.

MÉTODOS BASADOS EN EL ESTADO HÍDRICO DE LA PLANTA

El conocimiento del estado hídrico de la planta puede ser muy útil para hacer una correcta programación de riegos, aunque sólo permite saber cuándo hay que regar pero no cuánto hay que aportar. Los métodos para determinar el estado hídrico del cultivo y cuyas medidas ayudarán a tomar decisiones respecto al manejo del riego son: 1.

Métodos directos: • Gravimetría. • Potencial hídrico

2.

Métodos indirectos: • Temperatura de la cubierta vegetal • Medidas cualitativas del estado hídrico • Otras técnicas – Micromorfometría. – Porómetro. – Velocidad de expansión.

Gravimetría Un método relativamente sencillo de conocer el estado hídrico de una planta consiste en tomar una muestra del cultivo y determinar su peso en fresco, inmediatamente después esta muestra es secada a 70° C en estufa con ventilación forzada hasta peso constante (aproximadamente 48 horas) determinándose el peso de materia seca de la misma. La diferencia entre el peso fresco y el peso seco proporciona la cantidad de agua que tenía dicha muestra en el momento de recogerla. Potencial hídrico El potencial hídrico de la hoja es un indicador del estado hídrico de la planta y es fácilmente medible con la cámara a presión ó cámara de tensión xilemática. Se basa en la aplicación de presión sobre el limbo de una hoja, que ha sido encerrada dentro de una cámara, dejando fuera el pecíolo. Conforme aumenta progresivamente la presión gaseosa (normalmente nitrógeno) se puede ver la aparición de la savia en el extremo de los haces conductores del corte del pecíolo, momento en que se habrá equilibrado la presión exterior con la savia del xilema. Dicha presión exterior es prácticamente igual al potencial hídrico de la hoja. Se recomiendan una serie de reglas para el correcto manejo de la cámara: • La muestra ha de recogerse en recipientes herméticos y humedecidos, puestos a la sombra y evitar así, en la medida de lo posible, la transpiración y pasar a hacer la medida lo antes posible. • Sólo saldrá una mínima parte del pecíolo de la cámara, impidiendo la posible toma de agua del exterior. • La presión ha de ejercerse de forma lenta para no sobrepasar la medida exacta. • Ha de evitarse la pérdida de gas a través de los espacios intercelulares de los tejidos foliares. 392

El principal problema es que este indicador es dependiente de la demanda evaporativa, de la hora del día, de la exposición al sol, de la edad de las hojas y por supuesto de la especie considerada. Por tanto, para minimizar errores será necesario caracterizar cada parcela usando hojas de edad parecida y con idéntica exposición solar y la medida se realizará durante las horas centrales del día, que es cuando varía poco el potencial. Este parámetro nos informa sobre el momento de riego pero no sobre la dosis necesaria que se ha de aplicar, por lo que tiene más utilidad para evaluar la existencia de déficit hídrico, prefiriéndose otros métodos para programar el riego. Temperatura del cultivo La medición de la temperatura de los cultivos mediante sensores de radiación infrarroja se utiliza para medir directamente el estrés hídrico de la planta y para la programación de riegos. La obtención de datos puede realizarse sobre el terreno, mediante radiómetros portátiles, «pistolas» y cámaras de infrarrojos o bien a nivel de parcela o gran superficie regada, mediante técnicas de teledetección. A medida que la planta transpira, las hojas se enfrían por debajo de la temperatura del aire que las envuelve debido a la energía empleada en flujos de calor latente. Cuando aparecen problemas de déficit hídrico la transpiración se reduce y la temperatura foliar aumenta debido a la absorción de la radiación. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la temperatura de la cubierta es un indicador tardío del estrés hídrico porque refleja cambios en la resistencia estomática que son posteriores a la reducción del crecimiento expansivo. El índice térmico más utilizado para la Programación de Riegos es el «Crop Water Stress Index» o CWSI, que se define como (Jackson et al., 1981): CWSI = (dT – dTmin)/(dTmax – dTmin)

[2]

siendo dT la diferencia de temperatura entre el cultivo y el aire y dTmax y dTmin los valores máximos y mínimos de esta diferencia. El mínimo corresponde a un cultivo recién regado y el máximo a un cultivo que no transpira. Para CWSI = 0 no habrá estrés hídrico y para CWSI = 1 el estrés hídrico alcanzado por el cultivo será máximo. Este índice se relaciona mediante la tasa de transpiración a través de la siguiente expresión: CWSI = 1 – Tp/Tpmax

[3]

donde Tp y Tpmax son las tasas real y máxima de transpiración, respectivamente. Este parámetro permite decidir cuándo regar pero no cuánto se ha aplicar. El valor para el que hay que regar dependerá de cada cultivo. Este método solo puede aplicarse cuando el cultivo se encuentra en cobertura completa porque cuando la cobertura es parcial, la temperatura de la superficie del suelo enmascara el valor de la temperatura de la cubierta. 393

Medidas cualitativas del estado hídrico Muchos agricultores y aficionados al campo, en base a su experiencia, toman la decisión de cuándo regar mediante la inspección visual de sus cultivos. Los signos más evidentes del comienzo del estrés hídrico en un cultivo son: • Cambio de color provocado por la variación de la orientación foliar como consecuencia de la pérdida de turgescencia causada por el estrés hídrico. • Enrollamiento foliar. • Senescencia de la hojas superiores. • Pérdida de hojas. • Reducción del tamaño de la planta. Este método presenta varios inconvenientes, el más obvio es que no se pueden establecer unos criterios generales ya que cada especie presenta unos signos característicos distintos, y el problema más importante que presenta este método es debido a que los síntomas visibles son indicadores tardíos de estrés hídrico, pudiendo ser los daños sufridos por la planta irreversibles. Otras técnicas 1. Micromorfometría: Consiste en seguir las microvariaciones de los diámetros de tallos y frutos. Para ello se emplean sensores de desplazamiento de alta resolución, llamados dendrómetros, que miden la contracción y expansión del tallo, cada 24 horas. Los cambios en el diámetro de un órgano son debidos a dos factores, el asociado al crecimiento del órgano y el correspondiente a la pérdida de agua. Tal y como se observa en la figura 9.9, la evolución del diámetro a lo largo de un día presenta una estructura típica, alcanzando su valor máximo durante la noche (máximo nivel de hidratación de los órganos) y su nivel mínimo hacia el mediodía. La diferencia entre ambos niveles representa la cantidad de agua pérdida por la planta debido a la transpiración. Una contracción diurna anormal indica presencia de estrés hídrico en la planta, pudiendo servir este efecto para fijar el límite inferior de humedad en el suelo (Goldhamer et al., 1999). Este método es empleado para la automatización del riego de frutales (Villalobos et al., 2001). La interpretación de las contracciones y dilataciones ha de hacerse considerando el conjunto de fenómenos que tienen lugar; transferencias de asimilados, intercambios hídricos y dilataciones térmicas, requiriendo estudios complementarios para identificar el componente asociado al crecimiento del órgano y el componente asociado a la pérdida de agua. Esta complejidad se pone de manifiesto cuando el mismo efecto es producido por distintas causas, por ejemplo, ante un déficit de oxígeno, unos niveles inadecuados en sustrato o una salinidad elevada se muestran contracciones diurnas parecidas a las asociadas a una falta de agua. Además no proporcionan información acerca de la dosis de riego ni de su frecuencia. 2. Porómetro: El cierre prematuro de los estomas es un parámetro sensible del inicio del estrés hídrico. El método porométrico, sirve para medir la apertura estomática y se basa en la permeabilidad de la epidermis a un gas. Consta de una pequeña cámara que se adhiere a la superficie de la hoja mediante una junta hermética, se 394

Variaciones del diámetro (mm)

1,85 Máximo diámetro del tronco 1,80 Crecimiento del tronco 1,75 1,70

Contracción máxima diaria

1,65 1,60

Mínimo diámetro del tronco

1,55 1,50 18:00

0:00

6:00

12:00

18:00

0:00

6:00

12:00

18:00

Tiempo (horas) Fig. 9.9.

Variaciones del diámetro del tronco de un árbol a lo largo de dos días. (Fereres et al., 2001).

introduce el gas a través de los estomas que quedan fuera de la cámara, éste circula por los espacios intercelulares hasta llegar a la cámara debido al gradiente de presión creado por una columna de agua de una altura determinada. El tamaño medio de los estomas próximos a la cámara viene determinado por la velocidad con que desciende dicha columna de agua. Las lecturas serán calibradas mediante la observación al microscopio de los estomas sobre la misma hoja. 3. Velocidad de expansión: el proceso más sensible al déficit de agua es el de expansión de hojas o tallos. Varios estudios muestran cómo la expansión disminuye mucho antes que la fotosíntesis. De forma que se puede emplear la expansión como indicador temprano del estrés de agua, siendo necesario disponer de un testigo bien regado con el que poder comparar los resultados. Este método sólo se puede aplicar en aquellos periodos en que se produce crecimiento expansivo. Así en especies de crecimiento determinado, el crecimiento expansivo cesa en la fase del crecimiento reproductivo. 4. Sensores de flujo de savia: Este tipo de sensores aplican una fuente de calor constante en el torrente de la savia bruta o en su cercanía. La temperatura en el entorno de esta fuente se ve afectada por la magnitud del flujo de savia, siendo la pérdida de calor directamente proporcional a este flujo. El flujo de savia es una medida directa de la transpiración y presenta una evolución característica a lo largo del día, alcanzando su valor máximo durante el día y su valor mínimo en la noche. Una situación de estrés hídrico vendría definida por una disminución del flujo de savia cuando la radiación es elevada. La ventaja de este tipo de sensores es la de conocer en tiempo real la medida directa de la transpiración pero su inconveniente es que la radiación solar y la diferencia de presión de vapor influyen directamente sobre la transpiración, por lo que habrá que conocer el valor de estos dos parámetros climáticos, además de que tampoco informan sobre la dosis ni la frecuencia de riego. 395

3.4.

MÉTODOS BASADOS EN EL BALANCE HÍDRICO EN EL CONJUNTO SUELO-PLANTA-ATMÓSFERA

Los métodos más ampliamente utilizados para la programación de riegos son los basados en establecer el balance hídrico de la unidad de cultivo que se desea regar. La figura 9.10 muestra los principales términos del balance hídrico que se produce entre el suelo, la planta y la atmósfera. Este método considera que la zona enraizada es un depósito de agua donde se almacena el agua de riego y lluvia para ser consumida por el cultivo. Se cuantifican todos los aportes y todas las salidas de la zona radicular, de manera que siempre es posible conocer el agua que queda en el suelo a disposición del cultivo y por tanto el riego que ha de aplicarse cuando la humedad del suelo baja por debajo de un cierto nivel. Con frecuencia la aplicación de este método implica hacer estimaciones de los componentes del balance de agua y resulta muy conveniente poder validar dichas predicciones realizando medidas (sonda de neutrones, muestreos gravimétricos, ...) cuando sea posible. Precipitación = Pp

Transpiración = T

Escorrentía = Es

Evaporación = E

Percolación profunda = Pp Ascensión capilar = Ge

Nivel freático Drenaje

Fig. 9.10.

396

Esquema del balance hídrico (adaptada de FAO).

4. 4.1.

PROGRAMACIÓN DE RIEGOS POR MEDIO DEL BALANCE HÍDRICO FUNDAMENTOS DEL BALANCE DE AGUA

El agua que la planta toma del suelo es utilizada fundamentalmente en ser evaporada, a través de sus estomas, hacia la atmósfera, proceso que se conoce como transpiración. La parte de agua que queda almacenada en la estructura vegetal es despreciable desde el punto de vista del riego. De forma paralela el suelo evapora agua mientras su superficie permanece húmeda y es de considerable importancia hasta que la fracción de cobertura vegetal es completa, al minimizarse la superficie del suelo que recibe radiación directa. Los procesos de transpiración y evaporación son cuantificados de forma conjunta y reciben, como anteriormente ya se ha comentado, el nombre de evapotranspiración o ET. Para que el fenómeno de la evapotranspiración tenga lugar es necesario que el suelo disponga del agua necesaria. Dicha agua en el suelo puede proceder de las lluvias caídas, Pe, de la ascensión capilar, Ge, desde capas freáticas más profundas, de procesos de escorrentía superficial, Es y por supuesto del propio riego, Nn. También hay que tener en cuenta que el suelo pierde agua como consecuencia de la escorrentía superficial, de la percolación profunda, Pp, y por supuesto por el fenómeno de evapotranspiración. Estos aportes y pérdidas de agua van a variar el nivel de reserva de agua del suelo dentro de unos límites marcados. La suma algebraica de todos los componentes del balance hídrico del suelo ha de ser cero. Todo esto puede resumirse en la siguiente expresión que servirá para estimar el contenido de agua en el suelo. ∆w

ET + Pp+ Es + Pe + Ge + Nn ± GANANCIA

[4]

PÉRDIDA O GANANCIA

⎧ ⎨ ⎩

⎧ ⎨ ⎩

⎧ ⎨ ⎩

PÉRDIDA

= 0s

Los términos Ge (ascensión capilar), Es (escorrentía superficial) suelen ser de magnitud despreciable cuando se emplean buenas prácticas agrícolas, salvo en situaciones muy concretas, y no supone un grave error prescindir de ellos. La percolación profunda, Pp, se puede evitar con un adecuado sistema de riego. La estimación de la precipitación efectiva, Pe, es la fracción de lluvia que la planta puede aprovechar se pone realmente a disposición de la planta y no presenta dificultades para su estimación. ∆w es la variación del contenido de agua en el suelo entre dos riegos. El término de mayor importancia por su cuantía es ET. Excepto en casos puntuales, como capas freáticas altas o suelos muy permeables con pendientes, la ecuación [4] simplificada sería: Nn = Pe – ET ± ∆w

[5]

ET es el agua que realmente evapotranspira el cultivo, ETm es el agua máxima que evapotranspiraría si no tuviera limitación de la misma en el suelo y de acuerdo con Doorenbos y Pruitt, (1977), conforme dicho suelo se va desecando, el agua que queda es retenida con una tensión creciente, no pudiendo la planta tomar el agua que es capaz de transpirar sino solo una fracción de la misma, de forma que la relación ET/ETm empieza a ser menor que uno, lo que incidirá negativamente sobre el crecimiento y 397

desarrollo de la planta. Por ello los niveles de reserva de agua en el suelo se harán variar dentro de unos límites tales que dicha relación se mantenga próxima a la unidad, lo que en cantidad de agua oscilará mucho según las características hidrológicas. Los métodos de riego de alta frecuencia y bajo volumen de agua no tienen interés en este parámetro de reserva de agua en el suelo pues consiguen mantenerlo a capacidad de campo fácilmente. Sin embargo en los sistemas de riego menos frecuentes es crucial para la programación de riegos el nivel de agotamiento máximo permisible (NAP) o agua fácilmente útil para la planta (AFU). Antes de regar sucederá que ∆w = NAP y después de regar ∆w = 0. Al principio de una campaña de programación, el suelo debe estar a capacidad de campo. A partir de ese momento la reserva va variando diminuyendo cada día, ya que normalmente el consumo del cultivo supera a la precipitación efectiva, hasta agotarse el nivel de agua fácilmente útil, momento en que se ha de aplicar un volumen neto igual al agua útil. Por tanto el procedimiento a seguir sería; 1.

Se parte de una situación a capacidad de campo.

2.

Se calcula diariamente la ET y se van acumulando estos valores.

3. Ante una lluvia, se determina la precipitación efectiva y se resta del valor acumulado anterior, si Pe ≥ ∑ ET se tomará Pe = ∑ ET. 4. Cuando ∑ET – Pe = AFU, se procederá a dar un nuevo riego en una cantidad igual a AFU.

4.2.

INFORMACIÓN NECESARIA SOBRE EL CLIMA Y EL SUELO

Los datos climáticos necesarios en programación de riegos serán los requeridos por la fórmula seleccionada para el cálculo de la ETo; temperatura, higrometría, velocidad y recorrido del viento, horas de insolación, radiación global, radiación neta y pluviometría. Habrá que proceder a la estimación de la precipitación efectiva que se define como aquella fracción de la precipitación caída que se almacena en el volumen radicular y está disponible para el cultivo. Existen varios factores, difíciles de cuantificar, que hacen variar la precipitación efectiva, por ejemplo la intensidad de la lluvia, el contenido de humedad en el suelo, la velocidad de infiltración, así como la orografía del terreno. Todo se expresa en la siguiente expresión: Pe = P – ES – PER – Ev siendo: P

= Precipitación caída, en mm.

ES

= Escorrentía, en mm.

PER = Percolación profunda, en mm. Ev 398

= Evaporación, en mm.

[6]

Los métodos utilizados para determinar la Pe son empíricos. El método más utilizado es el descrito en «Las necesidades de agua de los cultivos» de J. Doorenbos y W.O. Pruitt que consiste en suponer que en el momento de la lluvia, la capacidad de almacenamiento de agua en el suelo es de 75 mm. Si fuera mayor o menor se utiliza un coeficiente corrector, tal como aparece en la tabla 9.3. Tabla 9.3. Factor de corrección de la Pe, en función de la capacidad de almacenamiento del agua en el suelo con la lluvia caída D (mm)

Factor

D (mm)

Factor

D (mm)

Factor

10 12,50 15 17,50 18,75 20 22,50 25 27,50 30

0,620 0,650 0,676 0,703 0,720 0,728 0,749 0,770 0,790 0,808

31,25 32,50 35 37,50 40 45 50 55 60 65

0,818 0,826 0,842 0,860 0,876 0,905 0,930 0,947 0,963 0,977

70 75 80 85 900 95 100 125 150 175

0,990 1,000 1,004 1,008 1,012 1,016 1,020 1,040 1,060 1,070

Así en función de la capacidad de almacenamiento, de la lluvia caída y de la ETc, se determina la precipitación efectiva a través de la tabla 9.4. Tabla 9.4. Precipitación efectiva mensual

ET (cultivo) mensual media (mm)

Lluvia mensual

25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

12,5

25

37,5

50

62,5

75

8 8 9 9 10 10 11 11 12 13

16 17 18 19 20 21 23 24 25 25

24 25 27 28 30 31 32 33 35 38

32 34 35 37 39 42 44 47 50

39 41 43 46 49 52 54 57 61

46 48 52 54 57 61 64 68 72

87,5 100 112,5 Precipitación efectiva

56 59 62 66 69 73 78 84

62 66 70 74 78 82 87 92

69 73 76 81 86 91 96 102

125

137,5

150

162,5

175

80 85 89 95 100 106 112

87 92 97 103 109 115 121

94 98 104 111 117 124 132

100 107 112 118 125 132 140

116 119 126 134 141 150

187,5

120 127 134 142 150 158

Un método más sencillo para determinar la Pe es a través de la ETc, tal como se muestra en la tabla 9.5. Tabla 9.5. Factor de corrección de la lluvia caída para determinar Pe Factor de corrección ET Cultivo (mm/día)

Límites

<3 3,0-5,0 5,0-7,0 >7

0,60-0,70 0,70-0,84 0,84-0,96 0,96-1,00

Promedio

0,65 0,76 0,9 0,98

399

Respecto al suelo, serán necesarios aquellos datos que permitan estimar la reserva de agua en el suelo (IHD), el agua útil (AU) y el nivel de agotamiento permisible (NAP). A efectos prácticos se acepta que : IHD = CC – PMP

[7]

donde: IHD = Intervalo de humedad disponible en el suelo, expresado en mm/cm. CC = Humedad en Capacidad de Campo, expresada en mm/cm. PMP = Humedad en l Punto de Marchitez Permanente, expresado en mm/cm. La estimación de IHD se puede hacer a partir de la textura, como se observa en la tabla siguiente: Tabla 9.6. Valores de IHD para diferentes tipos de textura del suelo Intervalo de Humedad Disponible

Arenas de textura muy gruesa Arenas de textura gruesa, arenas finas y margosas Franco-arenoso de textura medianamente gruesa y franco arenosos finos Franco-arenoso muy fino, francos, franco-arcillosoarenoso y franco limosos Franco-arcillosos de textura medianamente fina y franco-arcillosos-limosos Arcillosos-arenosos de textura fina, arcillosos-limoso y arcillosos

Límites (mm/cm)

Promedio (mm/cm)

0,33-0,62 0,60-0,85

0,40 0,70

0,85-1,25

1,05

1,25-1,90

1,60

1,45-2,10

1,75

1,35-2,10

1,70

Se define el agua fácilmente utilizable por la planta como la máxima cantidad que puede extraer un cultivo del suelo sin que se reduzca su tasa de evapotranspiración, se calcula mediante la expresión: AFU = IHD · zt · NAP

[8]

donde; IHD = Intervalo de humedad disponible, en mm/cm. zt

= Profundidad efectiva del sistema radicular, en cm.

NAP = Nivel de agotamiento permisible del IHD, en tanto por uno. EL valor del NAP depende de los objetivos marcados para la programación de riego, del cultivo (densidad radicular y desarrollo, estado vegetativo, etc.) del suelo (IHD y profundidad) y de la ETc. Por ello no es posible adoptar un NAP válido para todas las situaciones. Por ejemplo, en riegos por aspersión el NAP oscila entre 0,4 y 400

0,7 mientras que en riego localizado toma valores de 0,3 o menores. Tal como se comentó en el apartado 3.2, en Allen et al. (1998) se ha actualizado el método propuesto por Danuso et al., (1995) para obtener los valores del NAP. 4.3.

INFORMACIÓN SOBRE EL CULTIVO

Es necesario conocer los datos precisos para establecer una curva de coeficiente de cultivo (Kc), es decir, fecha de siembra, de cobertura total del terreno y de maduración fisiológica, para establecer el NAP, la profundidad de las raíces zt y el descenso de la humedad admisible en cada etapa de su ciclo de crecimiento y desarrollo. La profundidad y densidad de enrizamiento viene afectada por el agua, los nutrientes y el oxígeno existente en el suelo. En la tabla 9.7 se muestra la profundidad efectiva máxima del sistema radical, que es la profundidad de las raíces por encima de la cual la planta puede extraer agua del suelo. Tabla 9.7. Profundidad efectiva de las raíces en el caso de diversos cultivos en la fase de maduración, en suelos profundos, homogéneos y bien drenados (Doorenbos y Pruitt, 1977) Cultivo

Profundidad (cm)

Cultivo

Profundidad (cm)

Alfalfa Judías Cítricos Algodón Crucíferas Cucurbitáceas Hortalizas Berenjena Cereales Uva Leguminosas grano Tomates Tabaco

90-180 50-90 120-150 75-170 30-60 75-125 30-60 75-120 60-150 75-180 50-125 40-100 45-90

Maíz Olivo Cebollas Praderas Pimientos Patatas Cártamo Soja Fresas Remolacha Caña de azúcar Girasol

75-160 100-150 30-75 60-100 40-100 30-75 90-180 60-125 20-30 60-125 75-180 100-150

La profundidad radicular efectiva en un momento dado t, se puede determinar de la siguiente manera; zt = kct · zmax/kcmáx

[9]

siendo: zmax = Profundidad radicular efectiva máxima. kcmáx = Coeficiente de cultivo máximo. kct

= Coeficiente de cultivo en el tiempo t

La expresión anterior es válida desde el inicio del ciclo del cultivo hasta que el Kc alcanza su valor máximo. A partir de entonces se supone que la profundidad radicular es la máxima, siempre que no haya habido ninguna limitación en su desarrollo, hasta que el ciclo llega a su fin. 401

4.4.

INFORMACIÓN SOBRE EL SISTEMA DE RIEGO

Lo realmente importante es la eficiencia del sistema empleado, la relación entre la dosis neta y bruta es la eficiencia de aplicación, Ea. Ea = AFU/Db

[10]

siendo AFU; la dosis neta de riego, en mm y Db es la dosis bruta, en mm, que es el volumen de agua realmente a aplicar en la parcela. La Ea depende del método de riego, de su diseño y montaje, del manejo de la instalación (dosis y calendario de riegos) y de su mantenimiento. Con un buen diseño de los elementos del riego y un adecuado manejo, puede tomarse como valores máximos de Ea los que aparecen en la tabla 9.8. Tabla 9.8. Eficiencia de aplicación, Ea Sistema de riego

Fajas Inundación Surcos a nivel Surcos Corrugaciones Infiltración subterránea Aspersión: • Clima seco y cálido • Clima moderado • Clima húmedo y frío Arrozales Goteo: • Zonas áridas • Con aguas de buena calidad y buen manejo

SCS (EE.UU.)

ICD

0,60-0,75 0,60-0,80 0,50-0,55 0,55-0,70 0,50-0,70 0,8 (máxima)

0,58 0,53 – 0,57 – –

0,6 0,7 0,8 –

– 0,67 – 0,35

0,9 0,95

Si el contenido en sales del agua de riego fuese importante podría ser necesario aportar una dosis adicional de lámina de agua con el fin de prevenir la acumulación excesiva de sales en la rizosfera. La dosis que cubre las necesidades netas de agua, más las de lavado, teniendo en cuenta la eficiencia: Nt = (IHD · z · NAP)/(1 – LR)· f, es decir, AFU/(1 – LR)· f (mm)

[11]

siendo LR las ncesidades de lavado y f la eficiencia de lavado. Para el riego en superficie y por aspersión; LR = ECw/(5 ECe – ECw)

[12]

en donde; LR = Es la fracción de lavado en tanto por uno. ECw = Es la conductividad eléctrica del agua de riego, en dS/m. ECe = Es la conductividad eléctrica del extracto de saturación del suelo, en dS/m. Para el riego localizado sería; LR = ECw/2 (ECemax) 402

[13]

Siendo ECemax la conductividad eléctrica del extracto de saturación del suelo que produce una reducción de la cosecha del 100%, en dS/m. Los datos pueden obtenerse de la tabla 9.9 tomada de la publicación anteriormente citada de Doorenbos y Pruitt, (1977). En algunos casos las necesidades de lavado deben mayorarse según la eficiencia de éste, que depende de la propiedades físicas del suelo y de su contenido de humedad en el momento de lavado. El factor f puede variar desde 0,25 en un suelo de textura fina hasta 1 en un suelo de textura gruesa y con riego uniforme, en suelo de textura media, f puede tomar el valor 0,45. Tabla 9.9. Grado de tolerancia de los cultivos a las sales, según el descenso de rendimiento admitido (Doorenbos y Pruitt, 1977) Descenso del rendimiento cultivo

100

90

75

50 Max ECe

ECe

ECw

ECe

ECw

ECe

ECw

ECe

ECw

Cultivos extensivos Cebada * Judías grano Habas Maíz Algodón Cacahuete Arroz Sorgo Soja Remolacha azucarera Trigo *

8,0 1,0 1,6 1,7 7,7 3,2 3,0 4,0 5,0 7,0 6,0

5,3 0,7 1,1 1,1 5,1 2,1 2,0 2,7 3,3 4,7 4,0

10,0 1,5 2,6 2,5 9,6 3,5 3,8 5,1 5,5 8,7 7,4

6,7 1,0 1,8 1,7 6,4 2,4 2,6 3,4 3,7 5,8 4,9

13,0 2,3 4,2 3,8 13,0 4,1 5,1 7,2 6,2 11,0 9,5

8,7 1,5 2,0 2,5 8,4 2,7 3,4 4,8 4,2 7,5 6,4

18,0 3,6 6,8 5,9 17,0 4,9 7,2 11,0 7,5 15,0 13,0

12,0 2,4 4,5 3,9 12,0 3,3 4,8 7,2 5,0 10,0 8,7

28,0 7,0 12,0 10,0 27,0 7,0 12,0 18,0 10,0 24,0 20,0

Cultivos hortícolas Judías verdes Remolacha de mesa** Coles Melón Pepinos Lechugas Cebollas Pimientos Patatas Espinacas Maíz dulce Tomates

1,0 4,0 1,8 2,2 2,5 1,3 1,2 1,5 1,7 2,0 1,7 2,5

0,7 2,7 1,2 1,5 1,7 0,9 0,8 1,0 1,1 1,3 1,1 1,7

1,5 5,1 2,8 3,6 3,3 2,1 1,8 2,2 12,5 3,3 2,5 3,5

1,0 3,4 1,9 2,4 2,2 1,4 1,2 1,5 1,7 2,2 1,7 2,3

2,3 6,8 4,4 5,7 4,4 3,2 2,8 3,3 3,8 5,3 3,8 5,0

1,5 4,5 2,9 3,8 2,9 2,1 1,8 2,2 2,5 3,5 2,5 3,4

3,6 9,6 7,0 9,1 6,3 5,2 4,3 5,1 5,9 8,6 5,9 7,6

2,4 6,4 4,6 6,1 4,2 3,4 2,9 3,4 3,9 5,7 3,9 5,0

7,0 15,0 12,0 16,0 10,0 9,0 8,0 9,0 10,0 15,0 10,0 13,0

Cultivos forrajeros Alfalfa Cebada forrajera** Maíz forrajero Centeno forrajero Pasto sudán Trébol grande Trébol pequeño Trigo forrajero

2,0 6,0 1,8 5,6 2,8 2,3 5,0 7,5

1,3 4,0 1,2 3,7 1,9 1,5 3,3 5,0

3,4 7,4 3,2 6,9 5,1 2,8 6,0 9,0

2,2 4,9 2,1 4,6 3,4 1,9 4,0 6,0

5,4 9,5 5,2 8,9 8,6 3,6 7,5 11,0

3,6 6,3 3,5 5,9 5,7 2,4 5,0 7,4

8,8 13,0 8,6 12,2 14,4 4,9 10,0 15,0

5,9 8,7 5,7 8,1 9,6 3,3 6,7 9,8

16,0 20,0 16,0 19,0 26,0 8,0 15,0 22,0

403

Tabla 9.9. Continuación Descenso del rendimiento cultivo

100

90

75

50 Max ECe

ECe

ECw

1,5 1,7 1,6 1,3 1,5 1,7 1,7 1,7 1,5 1,0 1,7

1,0 1,0 1,1 0,9 1,0 1,1 1,1 1,1 1,0 0,7 1,1

Cultivos frutales Almendras Manzanas, peras Albaricoques Aguacates Uvas Limones Naranjas Melocotones Ciruelas Fresas Nueces

ECe

ECw

ECe

ECw

1,4 1,6 1,3 1,2 1,7 1,6 1,6 1,4 1,4 0,9 1,6

2,8 3,3 2,6 2,5 4,1 3,3 3,2 2,9 2,9 1,8 3,3

1,9 2,2 1,8 1,7 2,7 2,2 2,2 1,9 1,9 1,2 2,2

2,0 2,3 2,0 1,8 2,5 2,3 2,3 2,2 2,1 1,3 2,3

ECe

ECw

4,1 4,8 3,7 3,7 6,7 4,8 4,8 4,1 4,3 2,5 4,8

2,7 3,2 2,5 2,4 4,5 3,2 3,2 2,7 2,8 1,7 3,2

7,0 8,0 6,0 6,0 12,0 8,0 8,0 7,0 7,0 4,0 8,0

* Durante la germinación y nascencia, la ECe no debería exceder de 4 ó 5 mmhos/cm. ** Durante la germinación ECe no deberá exceder de 3 mmhos/cm.

4.5.

METODOLOGÍA

El gráfico que se acompaña trata de reflejar la mecánica de trabajo. DATOS SOBRE CULTIVOS

e nt cie

de

C

fi

e Co

DETERMINACIÓN DE LA ETc

Agotamiento permisible de agua en el suelo

o tiv ul

c) (K

Pr of

un

did

ad

DETERMINACIÓN DEL NAP DEL CULTIVO

dic

al

(z

)

DETERMINACIÓN DEL AGUA ÚTIL (A. U.)

BALANCE HÍDRICO NECESIDADES NETAS

Cálculo de la ETo DATOS CLIMATOLÓGICOS

DATOS SOBRE SUELOS (TEXTURA)

Ra

Lluvia DETERMINACIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EFECTIVA

VOLÚMENES Y PERIODOS DE RIEGO A APLICAR

DATOS SOBRE EL SISTEMA DE RIEGO. EFICIENCIA

El proceso de cálculo propiamente dicho sería: • Cálculo de la evapotranspiración de referencia, ETo. • Determinación de la evapotranspiración de cultivo, ETc. 404

• Estimación de la precitación efectiva, Pe. • Determinación del nivel de agotamiento permisible del suelo, NAP, en función del cultivo, su fase fenológica y el valor de la ETc, según la expresión [8]. Obtención del agua fácilmente utilizable por la planta, según la expresión: En la programación día a día cuando ΣETo – Pe supere a AFU se aportará un riego en una cantidad igual a AFU; se descuenta este valor del balance y se continúa el proceso de cálculo.

5.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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405

CAPÍTULO X

Riego deficitario controlado

Concepción Fabeiro Cortés Ramón López Urrea

1.

Introducción.

2.

Déficit hídrico.

3. Características que mejoran el rendimiento en medios hídricos limitados. 4. Riego deficitario. 5.

6.

7.

Fundamentos del RDC. 5.1.

Periodos críticos del cultivo.

5.2.

Reparto de asimilados. Crecimiento vegetativo y del fruto.

5.3.

Características del clima, del suelo y del sistema de riego.

5.4.

Adaptación a los déficit hídricos.

Algunas experiencias en RDC. 6.1.

Introducción.

6.2.

Diseño de los experimentos de RDC.

6.3.

Ensayo de RDC en melón.

6.4.

Ensayo de RDC en remolacha azucarera.

6.5.

Ensayo de RDC en cebolla.

Referencias Bibliográficas.

1.

INTRODUCCIÓN

Un territorio se puede considerar árido cuando la cantidad o la calidad del agua disponible es el factor básico de desarrollo. La mitad de los países del mundo tienen todo o parte de su territorio sometido a condiciones áridas o semiáridas, y su problemática afecta a más de mil millones de personas. La estacionalidad es una de las características más relevantes del ciclo del agua en estas zonas. Esta circunstancia constituye un factor limitante para el crecimiento de la vegetación y la agricultura, haciendo necesario la aplicación artificial de agua mediante el riego en las épocas de alta demanda hídrica y baja precipitación. La necesidad de proporcionar agua a los cultivos para complementar los aportes producidos por la lluvia es un hecho íntimamente asociado a la historia y evolución de la humanidad. Muchas culturas del planeta han podido conseguir un alto grado de desarrollo gracias a sus conocimientos sobre el manejo del agua con fines agrícolas. Otras culturas, sin embargo, han protagonizado una significativa decadencia y en algunos casos han llegado a la desaparición como consecuencia del manejo inadecuado del agua de riego. La disminución de los recursos hídricos disponibles, unido a su mal manejo, puede implicar un retraso en el desarrollo agrícola de algunas zonas e incluso poner en peligro el desarrollo ya alcanzado en otras, dado que muchas regiones del mundo basan su crecimiento económico en la agricultura de regadío.

2.

DÉFICIT HÍDRICO

El déficit hídrico se produce como consecuencia de la pérdida de agua por la hoja a través de los estomas abiertos por estar absorbiendo CO2 para la fotosíntesis. La perdida por transpiración es reemplazada por el agua extraída del suelo, que circula por los tallos y hojas vía xilema y célula a célula vía simplasma. En los últimos años se han desarrollado métodos directos e indirectos para la medida del déficit hídrico que han constituido un progreso considerable para avanzar en los estudios de campo. Existen numerosas revisiones con diferentes propósitos; así, Turner (1981) enumera metodologías para la determinación del estado hídrico junto con indicaciones para el uso correcto de las mismas y Jackson (1982) trata sobre el empleo de la termometría de infrarrojos; entre otras muchas. Los métodos directos 409

consisten en la medida del contenido hídrico de los tejidos o del potencial hídrico total o de sus principales componentes, el potencial osmótico y el de presión o turgencia. De entre los métodos indirectos para la medida del estado hídrico de la planta se incluyen (O’Toole et al., 1984): marchitamiento visible, cambio de color, enrollamiento foliar, temperatura de la cubierta, espesor de tallo y hoja, conductancia estomática, velocidad de fotosíntesis y permeabilidad foliar. Las técnicas de intercambio gaseoso y porométricas son no destructivas y tienen significación fisiológica, pero son lentas. La basada en el enrollamiento foliar, es rápida, no destructiva y repetible, sin embargo, sólo está relacionada con el potencial hídrico por debajo de un umbral y esta relación es variable con el grado de ajuste osmótico y con el material vegetal, incluido el cultivar. El uso de la temperatura de la cubierta vegetal ha ganado gran difusión desde la fabricación de termómetros de infrarrojos transportables de fácil manejo. La temperatura se determina por balance energético en el que interviene la radiación neta, la temperatura del aire, el déficit de presión de vapor, la aerodinámica de la cubierta y su resistencia al transporte de calor latente. Se ha propuesto el desarrollo del índice de déficit hídrico de los cultivos (CWSI; Crop Water Stress Index) (Idso et al., 1981; Jackson, 1982) considerado como un indicador razonablemente válido para definir el déficit hídrico de los cultivos.

3.

CARACTERÍSTICAS QUE MEJORAN EL RENDIMIENTO EN MEDIOS HÍDRICOS LIMITADOS

Passioura (1977) propuso que el rendimiento de los cultivos en medio ambiente con recursos hídricos limitados se puede analizar en términos de tres componentes independientes: • Rendimiento: agua transpirada. • Uso eficiente del agua. • Índice de recolección. a) Cantidad de agua transpirada. Se ha demostrado, a partir de numerosas experiencias, que la acumulación de biomasa está relacionada linealmente con la transpiración acumulada (Tanner y Sinclair, 1983). En situaciones de plena satisfacción de las necesidades hídricas, la máxima productividad se obtiene con la mayor cantidad de agua transpirada, minimizando la evaporación desde el suelo. Sin embargo, en áreas con suministro variable de agua, se puede alcanzar mayor estabilidad de los rendimientos con estrategias más conservadoras, donde las necesidades hídricas son menores que el suministro de agua que se espera. Por otra parte, la evaporación desde el suelo depende en gran medida de la radiación incidente en la superficie, por lo que un cultivo que alcanza una cobertura efectiva del suelo rápidamente mientras las lluvias son frecuentes, provoca una reducción de la evaporación, asegurándose posteriormente una mayor cantidad para la transpiración. En cultivos anuales la evaporación del suelo depende mucho del ritmo de mojado del suelo, hasta un LAI de 2.5-3. Por ejemplo, se estima que la evaporación se sitúa entre un 30-60% del agua total disponible durante el ciclo del cultivo en climas mediterráneos (French y Schultz, 1984). 410

b) Uso eficiente del agua. Se define aquí como la relación entre la biomasa de la parte aérea de la planta y la cantidad de agua total transpirada. Las diferencias entre especies de cultivo están relacionadas con la ruta de la carboxilación (más alta para especies C4 que para las C3) y la energía para producir biomasa es cuantitativamente diferente para producir proteínas, lípidos o glúcidos. A nivel de cultivo, el uso eficiente del agua no parece afectado por la sequía, la salinidad o la fertilidad del suelo (Hanks, 1983). Su valor puede elevarse cuando: Disminuye la velocidad de respiración, se reduce la conductancia del mesófilo sin modificar la conductancia estomática y aumentando la proporción de biomasa aérea frente a la radicular. c) Índice de recolección. Se considera aquí la relación entre el rendimiento comercial del cultivo y la biomasa de la parte aérea en el momento de la cosecha. El índice de recolección depende de la proporción de biomasa antes y después del inicio de la formación de la cosecha (por ejemplo la antesis en cereales, la bulbificación o tuberización en cultivos de órganos subterráneos) y de la movilización de los asimilados. Generalmente un déficit severo en un estado de desarrollo, tal como la floración o bulbificación, producen una disminución en el índice de recolección. De ahí que la secuencia de suministro de agua tenga gran importancia. En la tabla 10.1 se valoran los beneficios de cada característica en términos de su contribución a los componentes de la producción (figura 10.1.), al rendimiento potencial y su estabilidad y al coste metabólico de la producción. Precipitación

Pérdida de agua

Agua almacenada en el suelo Supervivencia Utilizada por el cultivo

Percolación Escorrentía Evaporación

No extraída por el cultivo

Constituyente Transpirada Uso eficiente del agua Producción de biomasa Índice de recolección Cosecha Fig. 10.1.

Relaciones entre agua (Precipitación) y el rendimiento en cosecha.

411

Tabla 10.1. Características que afectan al rendimiento de los cultivos bajo déficit hídrico

Densidad y profundidad radicular Conductancia hidráulica de la raíz Adaptación fenológica al riego Sensibilidad al fotoperiodo Desarrollo de plasticidad Vigor precoz Mantenimiento del área foliar Reducción de la conductancia foliar Movimientos foliares Reflectancia foliar Ajuste osmótico Tolerancia a altas temperaturas Estado hídrico subletal Conductancia epidérmica

4.

Agua transpirada

Eficiencia del uso del agua

Índice de recolección

Rendimiento potencial

Estabilidad de los rendimientos

Coste metabólico

+ –,0 + + + + +,0 – 0 0 + + 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 0 0 0 0

+,– + + + + 0,– +,– 0 0 0 + 0 0 0

0,– 0 0 0 0 + 0,– – 0 0 0 0 0 0

+,0 + + + + +,– +,– + + + + + + +

no no no no no no no si no no no no no no

RIEGO DEFICITARIO

El riego deficitario es una herramienta para el manejo de los cultivos que se fundamenta en la estrategia de reducir el agua aplicada con el mínimo impacto sobre la producción. Hargreaves y Samani (1984) señalan que los riegos deficitarios pueden proporcionar retornos económicos por unidad de superficie, iguales o superiores que los riegos para máximas producciones, lo que evidentemente indica eficiencias de uso del agua también iguales o superiores. Existe abundante información sobre la respuesta de distintos cultivos al riego deficitario, si bien con el denominador común de que el déficit de agua reduce los rendimientos. Los riegos deficitarios de alta frecuencia consisten en regar todo el ciclo por debajo de la demanda del cultivo pero utilizando una frecuencia de aportes suficientemente alta como para evitar la aparición de situaciones de estrés transcendentes. Fereres et al. (1978) concluyen que estas estrategias deben restringirse a cultivos que sombreen completamente el suelo, manteniendo un nivel mínimo de agua, y se deben utilizar sistemas de riego de alta eficiencia, como el riego localizado. Otros autores como Goldhamer (1989), indican que otros métodos de riego también pueden resultar adecuados. Como por ejemplo, el riego por surcos, con aplicaciones frecuentes a bajas dosis, humedeciendo parcialmente el sistema radicular y alternando las aplicaciones en los surcos a ambos lados de las plantas. En general, la bibliografía existente sobre riego deficitario de alta frecuencia presenta resultados muy diversos. El riego deficitario de alta frecuencia constituye una clara alternativa, pero no es menos cierto que presenta lagunas importantes, como no considerar que el déficit puede resultar más o menos trascendente en función del momento fenológico. Por esta razón en los últimos años ha adquirido especial relevancia el enfoque biológico, prestando mayor importancia tanto a la fenología del cultivo como a su capacidad para resistir situaciones de déficit hídrico. De esta manera, surge lo que ha venido en llamarse riego deficitario controlado (RDC) (Mitchell et al., 1984), basado en la idea de reducir los aportes de agua en aquellos periodos fenológicos en los que un déficit hídrico controlado no afecta sensiblemente a la producción y calidad de la cosecha y, cubrir plenamente la demanda durante el resto del ciclo del cultivo. 412

5.

FUNDAMENTOS DEL RDC

El RDC consiste en aplicar riegos que provoquen un nivel de déficit conocido, durante una o varias etapas determinadas del ciclo, conociendo el efecto que dicho déficit tiene sobre la rentabilidad del cultivo, de forma que se mantenga o mejore, independiente o conjuntamente: • La producción cuantitativa y cualitativa, desde el punto de vista biológico. • La eficiencia del uso del agua, desde el punto de vista técnico. • El margen bruto, desde el punto de vista económico. Para la elaboración de estrategias de RDC, debe tenerse en consideración los factores que pueden condicionar de forma importante su viabilidad (figura 10.2.). Periodos críticos

Reparto de asimilados

Sistema de riego

ELABORACIÓN ESTRATEGIAS RDC

Clima

Adaptación a la sequía

Suelo VALIDACIÓN

Fig. 10.2.

5.1.

Principales factores que condicionan la elaboración de estrategias de RDC.

PERIODOS CRÍTICOS DEL CULTIVO

Se podrían definir como aquellos momentos fenológicos en los que el desarrollo de un estrés hídrico puede condicionar de forma considerable la producción y/o calidad de la cosecha. La programación de riegos deficitarios en los periodos no críticos es uno de los aspectos esenciales en el RDC. Sin embargo, no siempre pueden suprimirse los aportes hídricos, dada su prolongada duración en algunos cultivos. Por tanto hay que determinar cual es el nivel de déficit factible en cada etapa para seleccionar las condiciones adecuadas en base al impacto sobre la cosecha y el medio ambiente. Resulta difícil señalar los periodos críticos concretos de cada cultivo. La bibliografía consultada, no resulta especialmente homogénea en ese sentido, pudiéndose concluir la necesidad de verificar en condiciones locales los datos de la bibliografía antes de asumir unos determinados periodos críticos. 5.2. REPARTO DE ASIMILADOS. CRECIMIENTO VEGETATIVO Y DEL FRUTO En algunos cultivos uno de los objetivos del RDC debe ser evitar un exceso de vigor en la planta que pueda inducir efectos negativos en la fructificación. Una clara 413

separación entre los procesos de crecimiento de la parte vegetativa y del fruto, puede definir la idoneidad de un cultivo para ser utilizado en RDC. De esta manera, la reducción del riego durante la brotación y desarrollo de las ramas limitaría este proceso, pudiendo atender las necesidades de la planta durante el crecimiento del fruto. Otro aspecto de interés es que algunos cultivos son susceptibles de experimentar crecimientos compensatorios al reanudar los riegos tras un déficit; estos cultivos acumulan materia seca, de forma claramente detectable durante periodos de falta de agua, que queda disponible para ser traslocada y facilitar el crecimiento del fruto tras la reanudación del riego. 5.3. CARACTERÍSTICAS DEL CLIMA, DEL SUELO Y DEL SISTEMA DE RIEGO Las condiciones climáticas pueden evidentemente condicionar la posible aplicación de estas estrategias de riego. Dada la necesidad de desarrollar situaciones de déficit, estas estrategias son preferibles en condiciones de escasa pluviometría. Junto con la necesidad de conocer cuándo es el momento óptimo para iniciar y finalizar el déficit, es importante la necesidad de facilitar tanto su rápida aparición como su recuperación. Chalmers (1990), pionero en el estudio del RDC, recomienda suelos poco profundos y con baja capacidad de retención hídrica. Igualmente volúmenes reducidos de suelo humectado permiten obtener sistemas radicales concentrados que facilitan el agotamiento y la recarga del agua del suelo. Es pues lógico que se prefieran para estas estrategias sistemas de riego localizado. 5.4.

ADAPTACIÓN A LOS DÉFICIT HÍDRICOS

La capacidad de los cultivos de crecer satisfactoriamente en áreas sujetas a déficit hídrico se ha denominado «resistencia a la sequía». La modificación estructural y/o funcional que aumenta la posibilidad de que un cultivo pueda sobrevivir y reproducirse en un ambiente particular se denomina «adaptación» (Kramer, 1983). Las adaptaciones son facultativas y pueden heredarse o no. Los mecanismos de adaptación de los cultivos a los déficit hídricos se relacionan en la tabla 10.2. No todos los mecanismos se desarrollan sin coste metabólico para los procesos productivos. Considerando la influencia de los mecanismos adaptativos sobre la productividad de los cultivos, se llega a la conclusión de que sólo aquellos mecanismos que ayudan a escapar de la sequía, mantener la absorción de agua y conservar la turgencia, no reducen la fotosíntesis, ni el crecimiento y tampoco su rendimiento. Existen numerosos hechos que avalan la presunción de que los déficits hídricos son sensorizados por las raíces, por lo que se han reevaluado los mecanismos de adaptación a estos (Turner, 1986; Turner, 1991). La importancia de las raíces como componentes que influyen en el comportamiento de la parte aérea bajo déficit hídrico realza la importancia del ajuste osmótico; además la elasticidad tisular y conductancia hidráulica influyen marcadamente en el desarrollo de esta interacción. Desde hace tres décadas se planteó el estudio de las relaciones hídricas de la hoja como base para el conocimiento de los déficits hídricos en los cultivos. Actualmente, esta presunción parece demasiado simplista, y adquiere importancia la consi414

deración de las raíces como sensores de los déficits hídricos y el papel de las fitohormonas en el transporte a larga distancia del mensaje percibido por aquellas (Frensch y Hsiao, 1993). Tabla 10.2. Mecanismos de adaptación a los déficit hídricos y su influencia sobre el proceso productivo Mecanismo

Influencia sobre proceso productivo SI

Evasión de la sequía Desarrollo fenológico rápido Desarrollo de plasticidad Ralentización de la deshidratación Mantenimiento de la turgencia Mantenimiento de la absorción de agua Aumento de la densidad y profundidad radicular Aumento de la conductancia de la fase líquida Reducción de la pérdida de agua Reducción del área foliar Aumento de la resistencia estomática y cuticular Reducción de la radiación absorbida Ajuste osmótico Mantenimiento del volumen Aumento de la elasticidad Tolerancia a la deshidratación Tolerancia protoplasmática

NO

+ +

+ + + + + + + +

Se han observado en numerosas ocasiones cambios en un gran número de fitohormonas en plantas sometidas a déficit hídrico (Hsiao, 1973; Davies et al., 1986). Asimismo se ha detectado que los niveles de ácido abcisico endógeno se incrementan, ocasionando el cierre estomático, la reducción de la transpiración (Aspinall, 1980) y la inhibición de la fotosíntesis independientemente del proceso anterior (Raschke y Hendrich, 1985). La acción del AA sobre los estomas se modifica por los niveles de ciertas auxinas (ácido 3-indolacético) y citoquininas, oponiéndose ambas al efecto del cierre estomático. Esta interacción hormonal queda marcadamente afectada por los niveles foliares de nitrógeno, fósforo (Radin, 1984) y hierro (Turner y Singh, 1984). Tanto las fitohormonas como los metabolitos interaccionan entre raíz y parte aérea durante el desarrollo de déficits hídricos y de forma generalizada se pone de manifiesto su influencia en los procesos fisiológicos que producen los cambios de turgencia y de volumen. Por ello se considera que determinan los procesos y mecanismos de adaptación de las plantas a condiciones de desarrollo marcados por déficits hídricos sean estos ocasionales o intermitentes.

6. 6.1.

ALGUNAS EXPERIENCIAS DE RDC INTRODUCCIÓN

Nuestro equipo de trabajo tiene una larga trayectoria en la realización de trabajos experimentales de Programación de Riegos (de Juan et al., 1992; de Juan et al., 1993; Martín de Santa Olalla et al., 1994a y b). El objetivo principal de este tipo de ensayos 415

ha sido conocer la respuesta de los cultivos más representativos de Castilla-La Mancha, a diferentes dosis de agua. En los últimos años se han venido realizando ensayos de Riego Deficitario Controlado (RDC), basados en la idea de producir un déficit hídrico controlado en determinadas fases del ciclo fenológico del cultivo, mientras que en el resto de periodos se satisfacen plenamente las necesidades; sin que esto dé lugar a mermas importantes en la producción y calidad de la cosecha (Fabeiro et al., 2001; Fabeiro et al., 2002; Fabeiro et al., 2003a y b; López Urrea et al., 2002, 2003; Martín de Santa Olalla et al., 2004). Con estas experiencias se pretende profundizar en el conocimiento de las necesidades hídricas de los cultivos. Esto nos permite ajustar, siempre que sea necesario, los coeficientes de cultivo dados por la FAO (Doorenbos y Pruitt, 1977; actualizados en Allen et al., 1998) a las condiciones de clima semiárido de nuestra zona de trabajo. Los trabajos de campo se han desarrollado en la estación lisimétrica de la finca experimental de «Las Tiesas», situada en Albacete (España). Sus coordenadas geográficas son 39° 14’ latitud Norte y 2° 5’ longitud Oeste. La altitud sobre el nivel del mar es de 695 m. Según la clasificación agroclimática de Papadakis el clima es Mediterráneo Templado (MeTE) con invierno tipo Avena fresco (av), verano Maíz (M), con régimen térmico Templado cálido (TE) y de humedad Mediterráneo seco (Me) (Martín de Santa Olalla, 1994). Según la Clasificación Taxonómica Americana (Soil Survey Staff, 1999) el suelo del campo de ensayo se cataloga como petrocalcic calcixerepts. La profundidad media del suelo de la parcela experimental es de 35 cm, limitado por el desarrollo del horizonte petrocálcico que se encuentra más o menos fragmentado. La textura es francoarcillo-arenosa, pH básico, pobre en materia orgánica y en nitrógeno total, y con un alto contenido en caliza activa y potasio. Se ha llevado a cabo una programación de riegos diaria basada en el balance hídrico del suelo, utilizando un programa informático elaborado por nuestro grupo de trabajo (Martín de Santa Olalla y de Juan, 1993) desarrollado según la metodología formulada por Doorenbos y Pruitt (1977), y Doorenbos y Kassam (1986) actualizadas en Allen et al. (1998). Para controlar la humedad del suelo, en el campo de ensayos, se ha utilizado el método gravimétrico cada 15 días, y se han instalado sondas Watermark a 30 cm de profundidad en las parcelas elementales de cada ensayo. Estos métodos no nos han permitido validar el balance hídrico de nuestra programación de riegos, debido a que la gravimetría únicamente nos ha aportado medidas puntuales del contenido de agua en el suelo. Las sondas Watermark han resultado buenos indicadores del estado hídrico del suelo, pero no son muy precisas al determinar la humedad volumétrica del mismo. Estos resultados nos han llevado a trabajar con otros sistemas de medida de la humedad en el suelo, como son las sondas FDR (Frecuence Domain Reflectometer). No disponemos de resultados finales al encontrarnos en periodo de experimentación. 416

6.2.

DISEÑO DE LOS EXPERIMENTOS DE RDC

Desde la campaña agrícola de 1997, nuestro equipo de investigación viene realizando ensayos de RDC en diversos cultivos con un elevado consumo de agua y de gran importancia económica en la zona de trabajo, en condiciones de clima semiárido. A modo de ejemplo, se presenta en la figura 10.3 un croquis con el diseño experimental llevado a cabo en el ensayo de RDC en remolacha azucarera durante la campaña de 2000. Se estudiaron tres factores de riego a dos niveles, un factor para cada uno de los tres periodos fenológicos analizados: desarrollo vegetativo, engrosamiento de raíz y maduración. Se realizaron 8 tratamientos hídricos con dos repeticiones de cada uno de ellos. Esto supuso un total de 16 parcelas elementales distribuidas como se puede ver en la figura 10.3. Las dimensiones de estas parcelas fueron 10 m de largo por 2 m de ancho, y se dejó un borde de protección rodeando el ensayo de 2 m. También se presenta en la figura 10.4 un croquis con la instalación del sistema de riego en las parcelas elementales, adecuado al diseño del ensayo de RDC en remolacha. A continuación se presentan los tratamientos hídricos diferenciales, así como los resultados de los ensayos de RDC realizados en melón, remolacha azucarera y cebolla.

100-100-105-85% ETm

100-100-85-85% ETm

100-70-105-85% ETm

100-100-105-55% ETm

100-70-105-85% ETm

100-100-85-55% ETm

100-100-85-85% ETm

100-100-85-55% ETm

100-70-85-85% ETm

100-70-105-55% ETm

100-70-85-55% ETm

10 m 1,5 m

100-70-85-85% ETm

Bordes

2m

100-100-105-85% ETm

100-100-105-55% ETm

100-70-85-55% ETm

100-70-105-55% ETm

Pasillo

Parcelas elementales

Fig. 10.3.

Croquis del ensayo de RDC en remolacha azucarera.

417

0,5 m

0,5 m

0,5 m

0,5 m

PARCELA ELEMENTAL 10 × 2 m Tubería portagoteros PE 17 mm

Tapón Tubería PE Ø 32 mm

Contador caudal Codo 32 mm Válvula mariposa 32 mm

Tubería PE Ø 40 mm

Tubería PE Ø 50 mm

Hidrante

Fig. 10.4.

6.3.

Croquis de detalle de la colocación del sistema de riego en las parcelas elementales.

ENSAYO DE RDC EN MELÓN

El experimento se desarrolló durante la campaña agrícola de 1998, entre los meses de junio a septiembre. El ensayo tenía unas dimensiones de 648 m2 distribuidos en 18 parcelas elementales de 31,5 m2 cada una. Estas parcelas incluían 3 líneas de plantación separadas 1,5 m con una distancia entre plantas de 1 m. El diseño experimental se desarrolló en bloques al azar, con dos repeticiones para cada uno de los nueve tratamientos ensayados. El material vegetal elegido fue el híbrido «Sancho» del cv. «Piel de Sapo». El ciclo fenológico del cultivo se dividió en las cinco etapas que se consideraron más relevantes desde el punto de vista de la respuesta al riego de las mismas. Estas fueron: Etapa A: Establecimiento del cultivo. Etapa B: Desde el inicio de la floración 418

al inicio del cuajado. Etapa C: Desde el inicio del cuajado hasta el cuajado de los dos primeros frutos. Etapa D: Llenado del fruto. Etapa E: Desde la maduración del fruto hasta la recolección. La tabla 10.3 muestra la programación real del Riego Deficitario Controlado realizado durante la campaña, expresada como porcentaje de satisfacción de la evapotranspiración de cultivo ETc. Tabla 10.3. Programación real del Riego Deficitario Controlado (Riego + Pe) Porcentaje de satisfacción de la ETc por tratamientos

Etapa

A B C D E Media

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

100,5 100,7 96,9 99,5 59,8 91,5

100,5 100,7 100,8 69,2 59,8 86,2

100,5 100,7 81,4 99,5 59,8 88,4

100,5 100,7 81,4 69,2 59,8 82,3

100,5 79,7 89,1 85,9 59,8 83,0

100,5 61,4 100,2 99,5 59,8 84,7

100,5 61,4 100,8 68,2 59,8 78,1

100,5 61,4 81,4 99,5 59,8 80,5

100,5 61,4 79,5 71,3 59,8 74,5

La tabla 10.4 refleja para cada tratamiento y etapa fenológica el volumen de agua realmente recibido por el riego. Así mismo se indica la precipitación efectiva (Pe). Tabla 10.4. Volumen de agua de riego y Precipitación Efectiva, Pe (mm) Etapa

A B C D E Total N° de riegos

Tratamientos Pe

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

0 0 0 12,4 0 12,4 –

120 82 50 83 72 407 26

120 82 52 54 72 380 24

120 82 42 83 72 399 26

120 82 42 54 72 370 24

120 65 46 70 72 373 24

120 50 52 83 72 377 24

120 50 52 53 72 347 22

120 50 42 83 72 367 24

120 50 41 56 72 339 22

El agua total de riego aplicada osciló entre 407 mm en T1 y 339 mm en T9, y el número de riegos varió entre 26 y 22 en los diferentes tratamientos. La Pe supuso un escaso porcentaje respecto al agua aplicada mediante riego; el 3,66% en el caso del tratamiento menos regado (T9) y el 3,04% en el que recibió más agua (T1). La tabla 10.5 refleja el rendimiento cuantitativo obtenido, así como sus principales componentes. El número de plantas por hectárea fue el mismo en todos los casos, lo cual era previsible, dado que todos los tratamientos se desarrollaron exactamente en las mismas condiciones. El número de frutos por planta osciló entre 2,93 en T1 y 2,25 en T9. Del análisis de varianza se deduce que no se dan diferencias significativas entre los diferentes tratamientos, aunque el test multirrango de Duncan permite apreciar diferencias dos a dos entre algunos tratamientos con una probabilidad del 95%. En esta circunstancia se encuentran los tratamientos extremos (T1 y T9) respecto a los restantes. Los tratamientos intermedios T3 a T8 no presentan diferencias entre ellos al aplicarles dicho test. 419

Tabla 10.5. Rendimiento cuantitativo y sus componentes Tratamientos

Densidad planta Melones por planta Peso unitario fresco Plantas (ha–1 × 103) (Ud planta–1) (g Ud–1)

T1(100/100/97/99/60) T2(100/100/100/69/60) T3(100/100/81/99/60) T4(100/100/81/69/60) T5(100/80/89/86/60) T6(100/61/100/99/60) T7(100/61/101/68/60) T8(100/61/81/99/60) T9(100/61/79/71/60) NSE

6,66 6,66 6,66 6,66 6,66 6,66 6,66 6,66 6,66 n.s.

2,93 a 2,57 b 2,70 a b c 2,40 b c 2,40 b c 2,40 b c 2,30 b c 2,40 b c 2,25 c n.s.

2.575,0 a 2.537,5 a 2.562,0 a 2.325,5 b c 2.337,5 b c 2.487,5 b 2.275,0 c 2.300,0 c 2.275,0 c n.s.

Producción fresca (t ha–1)

51,25 a 43,43 a b 46,07 a b 37,17 b c 37,36 b c 39,76 a b c 34,85 c 36,76 b c 34,09 c n.s.

NSE: Nivel de significación estadística. n.s.: no significativo (> 5%). Los valores de la misma letra son estadísticamente homogéneos en el test de Duncan.

Según Barlow et al. (1980) el número de frutos por planta queda definido durante las etapas A y B en donde tiene lugar la diferenciación de las estructuras vegetativas y reproductoras, siendo este periodo muy sensible al déficit hídrico. Los resultados obtenidos parecen confirmar este hecho. El efecto del estrés hídrico durante la etapa B (floración) sobre el número de melones por planta se puede obtener mediante la ecuación (Box et al., 1989): Y = 1/4 [(T1 + T2 + T3 + T4) – (T6 + T7 + T8 + T9)]

[1]

Siendo T1 a T4 los tratamientos que no sufrieron déficit hídrico en estas etapas y T6 a T9 los que lo soportaron, todos ellos con la misma intensidad (60% ETc). El valor resultante de la aplicación de la ecuación (1) en nuestro caso fue de 0,91 frutos por planta. El efecto del estrés hídrico en el periodo de llenado de fruto (Etapa D) puede determinarse con los mismos criterios que en el caso anterior mediante la expresión: Y = 1/4 [(T1 + T3 + T6 + T8) – (T2 + T4 + T7 + T9)]

[2]

Al aplicar la ecuación (2) se obtiene que la diferencia entre el peso unitario del fruto de los tratamientos no deficitarios y los que sí lo son es de 121,7 gramos por unidad. Finalmente, la tabla 10.5 contiene la producción de fruto fresco en t ha–1, que oscila entre 51,25 en T1 y 34,09 en T9, una vez más sin diferencias significativas. El test de Duncan permite diferenciar algunos grupos homogéneos. Entre T1 y T4, T5, T7, T8 y T9 existen diferencias significativas al 5%. También se dan diferencias a este mismo nivel entre T2 y T3, y T7 y T9. El efecto del déficit hídrico soportado conjuntamente en las etapas B (floración) y D (llenado del fruto) sobre el rendimiento se puede obtener como en los casos anteriores con la expresión: Y = 1/2 [(T1 + T3) – (T7 + T9)] 420

[3]

De la expresión (3) se deduce que los tratamientos que no sufrieron déficit ni durante la floración ni durante el llenado del fruto obtuvieron un rendimiento 14,14 t ha–1 superior a los que soportaron. En este experimento se llevaron a cabo valoraciones de diferentes parámetros relacionados con la calidad del fruto (Siviero et al., 1995). Algunos de ellos se refieren a aspectos morfológicos del mismo, tales como su perímetro, tanto transversal como longitudinal, el espesor de la pulpa y la corteza o el tamaño de la cavidad seminal. Los resultados obtenidos no presentaron diferencias significativas, ni permitieron establecer grupos homogéneos en la aplicación del test de Duncan. A continuación se presentan los resultados sobre contenido en azúcares de la pulpa expresados en grados Brix. Se realizaron medidas tanto cerca de la corteza, como de la cavidad seminal, y se obtuvieron los valores medios de ambas. En los tres casos los resultados fueron altamente significativos, diferenciándose asimismo los grupos homogéneos en el test de Duncan. En la tabla 10.6 se presentan únicamente los valores correspondientes a los grados Brix medios de la pulpa. Tabla 10.6. Grados Brix medios de la pulpa Tratamientos

Grados Brix

T1(100/100/97/99/60) T2(100/100/100/69/60) T3(100/100/81/99/60) T4(100/100/81/69/60) T5(100/80/89/86/60) T6(100/61/100/99/60) T7(100/61/101/68/60) T8(100/61/81/99/60) T9(100/61/79/71/60) NSE

12,24 a 12,63 a 12,32 a 13,03 a b 13,00 a b 12,95 a b 13,14 b 13,07 a b 13,24 b a.s.

NSE: Nivel de significación estadística. a.s.: altamente significativo (< 1%). Los valores de la misma letra son estadísticamente homogéneos en el test de Duncan.

Con un menor aporte de riego se eleva la concentración de azúcares en el fruto. Mediante el análisis de regresión se han buscado funciones polinómicas de segundo y tercer grado, determinándose en cada caso sus coeficientes, su error estándar, el coeficiente de determinación (R2), el nivel de significación estadístico y el análisis residual que incluye, la varianza, la desviación típica y la media. Para el caso del peso fresco del fruto, la función matemática obtenida, polinomial de segundo grado, presenta coeficientes de determinación altamente significativos con valores de R2 de 0,950. La figura 10.5 representa esta función. La trayectoria de la curva es claramente ascendente lo que supone una clara respuesta de la producción al riego. Sin embargo, puede apreciarse que la pendiente de la curva es pequeña hasta los 360 mm en donde se hace notablemente más pronunciada. La figura 10.6 muestra en nuestro experimento la EUA expresada como gramos de fruto fresco producidos por m3 de agua de riego aplicado. El ajuste de los valores obtenidos en los diferentes tratamientos a una función polinómica de segundo grado ha sido altamente significativo, con un coeficiente de determinación R2 = 0,873. 421

55.000 50.000 kg ha -1

45.000 40.000 35.000 Y = 403,746 – 2202,2X + 3,2797 X 2

30.000 335

355

375

R2 = 0,950

395

415

Volumen de Riego (mm )

Relación entre la producción de melón (kg ha–1) con el Volumen de Riego (mm).

Fig. 10.5.

13.000 12.500

g melón m–3

12.000 11.500 11.000 10.500 10.000 9.500 9.000 335

Y = 104.942,186832 – 542,973826 X + 0,775926 X2 R2 = 0,873 345

355

365

375

385

395

405

415

Volumen de riego (mm)

Fig. 10.6.

Eficiencia en el uso del agua expresado en g de fruto fresco por m3 de agua de riego.

Los valores obtenidos han oscilado entre 12.548,1 en T1 y 10.066,4 en T9 aunque las diferencias entre los tratamientos no han sido significativas. 6.3.1.

Conclusiones

En clima semiárido el melón objeto de nuestro experimento (var. Saccaharinus, cv. «Piel de sapo») tiene una respuesta positiva al riego tanto en la producción como en la cantidad de azúcares de la pulpa. El experimento se ha realizado con niveles de riego que han oscilado entre 339 y 407 mm durante toda la campaña. Las diferencias de producción expresadas en t ha–1 no han sido significativas, aunque sí lo fueron las que reflejan la calidad expresadas como grados Brix de la pulpa. El experimento no permite conocer cual sería la respuesta de la producción ni de la calidad por encima de los 407 mm aplicados en el tratamiento que recibió más riego. 422

El análisis de las dosis de riego aplicadas en las diferentes etapas fenológicas ha permitido valorar la incidencia de cada una de éstas en la formación del rendimiento y en la calidad. En este sentido destaca la etapa de inicio del cuajado de los frutos como la etapa clave tanto en la obtención de fruto fresco como en la cantidad de azúcares de los mismos. Las eficiencias en el uso del agua encontradas presentan unos resultados algo diferentes a los que cabría esperar. Es frecuente que las estrategias más deficitarias sean las más eficientes. No ha sido así en nuestro caso donde la mayor eficiencia se ha logrado en el tratamiento que no sufrió ninguna restricción hídrica, posiblemente debido a la mayor producción obtenida. Al tratar de seleccionar estrategias de actuación recomendables para el Riego Deficitario Controlado podemos señalar que con volúmenes totales de agua aplicados comprendidos entre 370 y 410 mm se obtienen producciones que superan las 40 t ha–1 siempre que el estrés hídrico no afecte al periodo de cuajado del fruto, sobre todo en la fase inicial del mismo. En estas condiciones se obtendría un fruto con buena riqueza en azúcares. Sería interesante conocer la respuesta del cultivo a aplicaciones de agua superiores a las realizadas, aunque su interés aplicativo quedaría limitado a situaciones no restrictivas de riego. 6.4.

ENSAYO DE RDC EN REMOLACHA AZUCARERA

El experimento se desarrolló durante la campaña agrícola de 2000, entre los meses de abril a octubre. El campo experimental que se utiliza en la finca «Las Tiesas» para este tipo de ensayos tiene una superficie total de 9,68 ha de las que se dedicaron a este trabajo 550 m2, distribuidos en 16 parcelas elementales de 20 m2 cada una y cuatro parcelas similares de borde rodeando el ensayo. Estas parcelas incluían 4 líneas de plantación separadas 0,5 m con una distancia entre plantas de 0,13 m. El experimento tiene un diseño factorial completo, con dos repeticiones en cada uno de los 8 tratamientos. Para definir los tratamientos hídricos diferenciados se procedió como sigue: En cada uno de estos se utilizó como valor de ET0 el resultado de la expresión ET0 = ETc × C. El valor de C es la variación expresada en tanto por uno en que se modifica la evapotranspiración del cultivo ETc en cada tratamiento de Riego Deficitario Controlado. Esta modificación de ETc se aplicó en etapas fenológicas de forma selectiva tal y como se indica en la tabla 10.7. En ella pueden observarse las diferentes etapas en que se dividió el ciclo del cultivo, su duración y el valor del coeficiente C que tuvo cada tratamiento en cada etapa. Tabla 10.7. Diseño de la programación del Riego Deficitario Controlado. Valor del coeficiente C en cada tratamiento Etapa

Duración

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

Establecimiento Desarrollo Engrosamiento Maduración

24/04 a 13/05 14/05 a 02/07 03/07 a 31/08 01/09 a 31/10

1 0,7 1,05 0,55

1 0,7 0,85 0,55

1 1 1,05 0,55

1 1 1,05 0,85

1 0,7 0,85 0,85

1 0,7 1,05 0,85

1 1 0,85 0,55

1 1 0,85 0,85

423

Por lo que se refiere al agua total recibida (riego + precipitación efectiva) la tabla 10.8 refleja para cada uno de los tratamientos el volumen que la planta recibió en cada etapa fenológica así como el total en todo el ciclo. Tabla 10.8. Volumen de agua recibida (R+Pe) mm Tratamientos

Etapa T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

Establecimiento 39,4 Desarrollo vegetativo 169,2 Engrosamiento de la raíz 473,6 Maduración 97,6

39,4 169,2

39,4 239,8

39,4 239,8

39,4 169,2

39,4 169,2

39,4 239,8

39,4 239,8

383,6 97,6

473,6 97,6

473,6 143,7

383,6 143,7

473,6 143,7

383,6 97,6

383,6 143,7

Total

689,8

850,4

896,5

735,9

825,9

760,4

806,5

779,8

Como puede apreciarse los volúmenes totales de agua oscilaron entre 6.898 m3 ha (T2) y 8.965 m3 ha–1 (T4). La diferencia entre la parcela más regada y la que menos agua recibió fue de 2.067 m3 ha–1, lo que supone que en el tratamiento T2 se empleó un 23.05% menos de agua que el T4. –1

La tabla 10.9 ofrece los rendimientos cuantitativos, expresados en t ha–1 de remolacha tipo (16 grados polarimétricos) y el Índice de Calidad Industrial (ICI) para cada uno de los tratamientos. Tabla 10.9. Producciones totales de remolacha tipo. Índice de calidad industrial Tratamiento

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Nivel de significación

Volumen total de agua recibida m3 ha–1

Producción de remolacha tipo t ha–1

Índice de Calidad Industrial ICI

7.798 6.898 8.504 8.965 7.359 8.259 7.604 8.065

120.83 a 117.64 a 112.95 a 121.33 a 119.88 a 116.32 a 114.61 a 118.23 a

0.88 a 0.87 a 0.86 a 0.86 a 0.86 a 0.87 a 0.87 a 0.87 a

n.s.

n.s.

n.s.: No significativo (>5%). Los valores con la misma letra son estadísticamente homogéneos en el test de Duncan.

En ambos casos y considerando como límite de significatividad máximo el 5%, los resultados obtenidos se consideran no significativos. La aplicación del test multirrango de Duncan nos muestra que tanto los valores del rendimiento como los del Índice de Calidad Industrial pertenecen al mismo grupo homogéneo. El análisis de varianza efectuado con los rendimientos obtenidos dio un coeficiente de variación del 5,71% y una diferencia mínima significativa de 14,64 t ha–1. En la tabla 10.10 se han agrupado para cada una de las etapas fenológicas los rendimientos medios obtenidos en todos los tratamientos que han recibido la misma cantidad de agua en dicha etapa. De nuevo puede comprobarse que la aplicación del test de Duncan no muestra diferencias significativas en dichos rendimientos medios. 424

Tabla 10.10. Análisis de rango múltiple de rendimiento medio de cada etapa fenológica Rendimiento medio t ha–1

Tratamientos

Etapa de desarrollo vegetativo 70% de ETc (T1, T2, T5 y T6) 100% de ETc (T3, T4, T7 y T8) Etapa de engrosamiento de raíz 85% de ETc (T2, T5, T7 y T8) 105% de ETc (T1, T3, T4 y T6) Etapa de maduración 55% de ETc (T1, T2, T3 y T7) 85% de ETc (T4, T5, T6 y T8)

118.67 a 116.78 a 117.59 a 117.86 a 116.51 a 118.94 a

Nivel de significación:

n.s.

n.s.: No significativo (> 5%). Los valores con la misma letra son estadísticamente homogéneos en el test de Duncan.

Se analizaron también las posibles interacciones entre el agua aplicada en cada una de las tres fases del ciclo fenológico estudiadas, resultando todas ellas no significativas. Posteriormente se realizó un análisis de regresión simple tomando como variable dependiente el rendimiento de la remolacha y como variable independiente o explicativa el agua total recibida. Los resultados obtenidos en dicho análisis muestran un coeficiente de correlación de 0,201 y un coeficiente de determinación (R2) de 4,05%. Estos resultados permiten deducir que el factor agua total recibida, dentro de los rangos en que el experimento se ha movido, explica en un porcentaje muy reducido las variaciones de rendimiento. Al no encontrarse diferencias significativas entre las diferentes producciones en cada uno de los tratamientos hídricos, debemos entender que no existe variación de la producción en el intervalo de agua total recibida en este experimento lo que se traduce en la no existencia de una función de producción propiamente dicha (Howell et al., 1990).

180 160

EUA kg

mm–1

140 120 100 80 60 40 20 0 T1 779,8 T2 689,8 T3 850,4 T4 896,5 T5 735,9 T6 825,9 T7 760,4 T8 806,5

Agua recibida mm –1

Fig. 10.7.

Eficiencia en el uso del agua total (R+Pe) respecto a la producción de remolacha tipo.

425

La figura 10.7 representa para cada uno de los ocho tratamientos, el valor de EUA, midiéndose el agua total recibida en mm y la producción en kg ha–1 de remolacha tipo. Observando esta figura se puede apreciar la regla frecuente en este tipo de experimentos de que a menor agua recibida es mayor la eficiencia obtenida. Sólo existen en nuestro caso dos excepciones: entre los tratamientos T1 y T7 por un lado y los T4 y T3 por otro. En ambos casos la razón se debe a los rendimientos obtenidos en los tratamientos T7 y T3 los más bajos del experimento. Si se comparan los tratamientos T3 y T4 estamos comparando dos situaciones que no han sufrido ningún tipo de estrés hídrico hasta llegar al periodo de maduración. No ha podido existir por tanto por la planta ningún tipo de adaptación progresiva al estrés (Forbes y Watson, 1992; Groves y Bailey, 1994). La reducción de la alimentación hídrica a un nivel del 55% de la ETc ha afectado al rendimiento que es el más bajo obtenido, mientras que la limitación al 85% de la ETc no parece que produzca ninguna bajada, habiéndose obtenido el rendimiento más alto. Al comparar los tratamientos T1 y T7 se observa que tienen en común una fuerte reducción de la alimentación hídrica en maduración. El tratamiento T1 no sufrió restricción hídrica en el periodo de engrosamiento de la raíz, cosa que sí sucedió en el T7. Durante el periodo fenológico anterior sucedió lo contrario. Podemos deducir de ello que la reducción de alimentación hídrica en el periodo de engrosamiento de la raíz, la etapa más consumidora de agua, afecta más al rendimiento y como consecuencia a la eficiencia que la que se da en el periodo de desarrollo, aunque esta última sea más intensa. El proceso de adaptación progresiva al estrés hídrico queda reflejado con bastante claridad en el tratamiento T2. Se ha hecho un análisis de varianza de los valores obtenidos en la eficiencia en el uso del agua. Al producirse diferencias significativas entre los diferentes valores se ha realizado el test multirrango de Duncan, agrupando los valores en grupos homogéneos. La tabla 10.11 muestra los resultados obtenidos. Como era de prever en la eficiencia en el uso del agua sí aparecen diferencias altamente significativas entre los diferentes tratamientos. Tabla 10.11. Resultados del test de Duncan aplicados a la Eficiencia en el Uso del Agua total recibida Tratamiento

T2 T5 T1 T7 T8 T6 T4 T3 Nivel de significación

EUA (kg mm–1)

170,55 a 162,90 a b 154,94 a b c 150,72 a b c 146,54 b c 140,83 b c 135,34 c 132,82 c a.s.

a.s.: altamente significativo (< 1%). Los valores con la misma letra son estadísticamente homogéneos en el test de Duncan.

426

Mediante el análisis de regresión se han buscado funciones polinómicas de segundo y tercer grado que relacionan el agua total recibida, variable independiente, con el valor de la eficiencia, variable dependiente. La figura 10.8 muestra la función seleccionada. La ecuación cuadrática es: y = 4,434 E-06 x2 – 0,089398 x + 577,75, que muestra un alto valor del coeficiente de determinación R2 = 0,93044.

175

EUA

165 155 145

y = 4,434 E-06 x2 – 0,089398 x + 577,75 135 125 6.500

7.000

7.500

8.000

8.500

9.000

9.500

Volumen total de agua recibida m3 ha–1

Fig. 10.8.

6.4.1.

Relaciones entre la eficiencia en el uso del agua y el agua total recibida.

Conclusiones

En condiciones semiáridas como las de Castilla-La Mancha en España el cultivo de la remolacha azucarera se puede llevar a cabo bajo riego obteniéndose altas producciones que pueden superar las 100 t ha–1. Los consumos de agua son asimismo elevados, oscilando en nuestro experimento entre 6.898 m3 ha–1 y 8.965 m3 ha–1 según la estrategia de riego elegida. En nuestro experimento no se han encontrado diferencias estadísticamente significativas entre las ocho programaciones de riego seleccionadas, ni en las producciones totales obtenidas de remolacha tipo, ni en el Índice de Calidad Industrial de las mismas. Por el contrario, y como era de prever, sí aparecen diferencias altamente significativas en la eficiencia en el uso del agua total recibida que ha oscilado entre algo más de 130 kg mm–1 y 170 kg mm–1. De acuerdo con estos datos, son aconsejables tratamientos como el T2 que producen una restricción hídrica de tipo medio en el periodo de desarrollo, moderada en el engrosamiento de la raíz y severa en el periodo de maduración. Este tratamiento ha permitido alcanzar rendimientos elevados (117,64 t ha–1) con consumos de agua relativamente moderados (6.898 m3 ha–1) para las condiciones semi-áridas del experimento. En las condiciones anteriores la eficiencia en el uso del agua es elevada (170,55 kg mm–1). 427

Otras estrategias de riego como la T5 o la T1 que tiene en común con la anterior mantener criterios paralelos aunque más suavizados en el momento de producir restricciones hídricas, pueden ser utilizados por los altos rendimientos obtenidos y las elevadas eficiencias en el uso del agua, especialmente en el caso de T5. Por el contrario parecen menos aconsejables estrategias como la T3 por su baja eficiencia o la T4 por su alto consumo de agua que no se ha traducido en una producción significativamente mayor ni de mejor calidad. 6.5.

ENSAYO DE RDC EN CEBOLLA

El experimento se desarrolló durante la campaña agrícola de 2001, entre los meses de marzo y septiembre. El ensayo tenía unas dimensiones de 550 m2, distribuidos en 16 parcelas elementales de 16 m2 cada una y cuatro parcelas similares de borde rodeando el ensayo. Estas parcelas incluían 4 líneas de plantación separadas 0,5 m con una distancia entre plantas de 0,1 m. El experimento tiene un diseño factorial completo, con dos repeticiones en cada uno de los 8 tratamientos. En la tabla 10.12 se puede observar la programación real del Riego Deficitario Controlado realizada durante la campaña, expresada como porcentaje de satisfacción de la ETc. Tabla 10.12. Programación real del Riego Deficitario Controlado. (Riego + Precipitación efectiva) Porcentaje de satisfacción real de la ETc por tratamiento

Etapa

A (Establecimiento) B (Crecimiento) C (Bulbificación) D (Maduración)

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

100 80 120 25

100 80 90 25

100 100 120 25

100 100 120 50

100 80 90 50

100 80 120 50

100 100 90 25

100 100 90 50

La tabla 10.13 refleja para cada tratamiento y etapa fenológica el volumen de agua aplicada, riego (R) + precipitación efectiva (Pe), así como el número total de riegos. Tabla 10.13. Volumen de agua aplicada (Riego + Pe) mm. Número de riegos Tratamientos

Etapa

A (Establecimiento) B (Crecimiento) C (Bulbificación) D (Maduración) Total R + Pe Número de riegos

Pe

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

0 0 13,7 4 17,7

133,5 102,5 437,8 21,3 695,1 712,8 70

133,5 102,5 328,1 21,3 585,4 603,1 69

133,5 134,4 437,8 21,3 727,0 744,7 72

133,5 134,4 437,8 48,6 754,3 772,0 76

133,5 102,5 328,1 48,6 612,7 630,4 73

133,5 102,5 437,8 48,6 722,4 740,1 74

133,5 134,4 328,1 21,3 617,3 635,0 71

133,5 134,4 328,1 48,6 644,6 662,3 75

La tabla 10.14 muestra la densidad de planta y los rendimientos obtenidos en cada tratamiento expresados en t ha-1. 428

Tabla 10.14. Densidad de planta y peso fresco y seco de bulbos de cebolla

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8

Agua recibida mm

Densidad planta plantas ha–1 × 103

Peso fresco (bulbos) t ha–1

Peso seco (bulbos) t ha–1

712,8 603,1 744,7 772,0 630,4 740,1 635,0 662,3

345,83 330,00 317,92 335,83 337,50 323,75 317,67 350,00

67,29 ab 65,31 a 73,85 bc 70,73 abc 73,13 bc 68,23 abc 67,71 abc 74,63 c

6,46 7,01 7,26 7,27 7,74 8,18 6,76 7,35

NSE

n.s

(*)

n.s.

NSE: nivel de significación estadística. (*) Significativo (P < 0,05). n.s.; no significativo (P > 0,05). Los valores con la misma letra son significativamente homogéneos en el test de Duncan.

Como puede observarse los rendimientos de bulbos frescos han variado desde 65,31 t ha–1 (T2) hasta 74,63 t ha–1 (T8). En el caso de T2 corresponde el menor rendimiento a la situación más restrictiva, mientras que no ocurre lo mismo con T8. Sin embargo, y como consecuencia de la diferencia de contenido en humedad de los bulbos, al comparar los rendimientos de materia seca estos varían desde las 6,46 t ha–1 (T1) hasta las 8,18 t ha–1 (T6), no existiendo diferencias significativas entre tratamientos. Los aportes totales de agua en ambas situaciones han sido intermedios, aunque el agua recibida durante la fase de bulbificación en ambas situaciones fue la más alta. La densidad de plantas ha resultado ser no significativa para los diferentes resultados obtenidos. Se ha realizado un análisis de varianza del rendimiento en función de los dos niveles de ETc aplicados en las tres fases estudiadas del ciclo fenológico del cultivo, teniendo en cuenta las posibles interacciones entre los distintos periodos. De este modo, se han producido diferencias significativas estadísticamente en las fases de desarrollo vegetativo y maduración. Se puede observar en la tabla 10.15 que se produce una interacción muy significativa entre las fases de bulbificación y maduración. Este Tabla 10.15. Influencia en el rendimiento del agua total recibida en cada periodo fenológico Etapa

Nivel de ETc

Tratamientos

Agua total recibida (mm)

Rendimiento medio (t ha–1)

B

80 100

T1 T2 T5 T6 T3 T4 T7 T8

102,5 134,4

C

90 120

T2 T5 T7 T8 T1 T3 T4 T6

341,8 451,5

D

25 50

T1 T2 T3 T7 T4 T5 T6 T8

25,3 52,6

C-D

90-25 90-50 120-25 120-50

T2 T7 T5 T8 T1 T3 T4 T6

367,1 394,4 476,8 504,1

68,49 71,73 NSE: (*) 70,20 70,03 NSE: n.s. 68,54 71,68 NSE: (*) 66,51 73,88 70,57 69,48 NSE : (*)

NSE: nivel de significación estadística. (*) Significativo (P < 0,05). n.s; no significativo (P > 0,05).

429

hecho indica que si además de producir un déficit hídrico en la fase de engrosamiento de bulbos, también lo hacemos en maduración se producen diferencias significativas en los rendimientos obtenidos. Tal es el caso de los tratamientos T2 y T7. El hecho de que no exista una función de producción que se ajuste a los datos experimentales, con un valor suficientemente alto del coeficiente de determinación (R2), probablemente se debe al diferente reparto de agua en los distintos periodos fenológicos, que tiene como consecuencia que tratamientos con volúmenes similares de agua total recibida den lugar a rendimientos distintos. 6.5.1.

Conclusiones

En clima semiárido, el cultivo de cebolla objeto de nuestra experiencia, no ha presentado diferencias significativas de rendimiento aunque sí en la obtención de bulbos de diferente tamaño. La experiencia se ha llevado a cabo con diferentes niveles de riego que variaron entre 585,4 y 754,3 mm a lo largo de la campaña. Se ha comprobado una interacción entre los distintos volúmenes de agua recibidos por el cultivo en las fases de bulbificación y maduración. Esto indica que provocar un déficit hídrico en ambas fases producirá diferencias significativas en los rendimientos obtenidos. En este sentido es posible recomendar los tratamientos T5 y T8. Igualmente, realizar déficits hídricos moderados durante las fases de desarrollo vegetativo y bulbificación proporciona altos rendimientos y una mayor eficiencia en el uso del agua. En este sentido cabe destacar los tratamientos T5 y T2. En cuanto al tamaño de los bulbos, las restricciones hídricas en las fases de desarrollo y bulbificación aumentan el porcentaje en peso de calibres menores de 60 mm, mientras que el porcentaje en peso de calibres entre 75 y 90 mm se incrementa de forma significativa al aumentar la dosis de agua en las fases de desarrollo y maduración. El tratamiento T2 al que antes hemos hecho referencia presenta el inconveniente de tener un elevado porcentaje de bulbos menores de 60 mm. Algo parecido, aunque en menor medida, sucede con el tratamiento T5 que desde el punto de vista del rendimiento ha sido recomendado. El porcentaje de bulbos tamaño C3, interesante desde el punto de vista comercial, ha sido significativamente más alto en los tratamientos T4 y T8 que han tenido unas dosis altas en las fases de desarrollo y maduración. Sin embargo, hay que indicar que el tratamiento T3 que ha tenido una restricción severa en la fase de maduración, aunque no en la de desarrollo, tuvo también un elevado porcentaje de calibre C3. Con los datos de este experimento, combinando ambos factores de rendimiento y calidad, el tratamiento T8 presenta en nuestra opinión el interés mayor.

7.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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432

CAPÍTULO

XI

Los servicios de asesoramiento de riegos: el ejemplo del SAR de Albacete

Amelia Montoro Rodríguez Prudencio López Fuster

1.

La justificación de un Servicio de Asesoramiento de Riegos. 1.1. Los usos del agua en España y en La Mancha Oriental. 1.2. Hacia la sostenibilidad del agua en cada Unidad Hidrogeológica.

2.

Funciones y actividades de los Servicios de Asesoramiento de Riegos 2.1. El seguimiento y control de la oferta y demanda de agua en la Unidad Hidrogeológica. 2.2. La instalación y mantenimiento de la red meteorológica del Servicio. 2.3. La estación experimental de apoyo técnico y la transferecia de tecnología a los usuarios. 2.4. El cálculo de las necesidades hídricas de los cultivos. 2.5. La determinación local de los coeficientes de cultivo (Kc). 2.6. La difusión de los datos a los usuarios. El seguimiento en parcela del agricultor. 2.7. La evaluación de los sistemas de aplicación del agua al suelo. 2.8. El apoyo a los planes de esplotación de la Comunidad de usuarios.

3.

Unas reflexiones sobre una larga experiencia en el funcionamiento del SAR.

4.

Referencias bibliográficas.

Anexo 1.

Relación de coeficientes de cultivo (Kc) seguidos en el SAR de Albacete.

Anexo 2. Balances hídricos por periodos fenológicos de los cultivos seguidos por el SAR de Albacete.

1. 1.1.

LA JUSTIFICACIÓN DE UN SERVICIO DE ASESORAMIENTO DE RIEGOS LOS USOS DEL AGUA EN ESPAÑA Y EN LA MANCHA ORIENTAL

Según el Libro Blanco del Agua (MIMAM, 2001), la agricultura utiliza en este país un 80% del agua dulce total manejada por el hombre, destinándose un 5% al abastecimiento de las poblaciones y el 15% restante a usos industriales (figura 11.1), siendo del mismo orden las cifras globales del conjunto de los países en los que es necesaria la irrigación de los cultivos para la obtención de cosechas rentables. Estas cifras por sí solas serían suficiente justificación para la puesta en marcha de Servicios de Asesoramiento de Riegos (en adelante SAR), comprometidos con la creciente necesidad de un uso cada vez más eficiente del agua para riego, siendo cierto además que la demanda creciente de otros usos prioritarios, restringirá las disponibilidades de recursos para el uso agrícola, exigiéndole una permanente mayor eficiencia y tecnificación. No olvidemos que hablando de la disponibilidad del agua dulce para el hombre, estamos tratando de uno de los bienes públicos por excelencia, o utilizando la

Usos del agua 80%

15% 5%

Riego Población Industrias

Fig. 11.1.

Utilización del agua en España (MIMAM, 2001).

435

expresión de Sunkel y Leal (1985), de «un patrimonio o activo social» fundamental para la vida y el desarrollo de los países. El análisis de algunas cifras más, que contribuirán a justificar mejor la necesidad de Nuestro SAR que desarrolla la mayor parte de su actividad en La Mancha Oriental, sobre la Unidad Hidrogeológica 08-29, con una superficie llana y bastante uniforme, edáfica y climáticamente, de 8.500 km2, con algunas peculiaridades que comentamos a continuación para una mayor justificación: Si analizamos comparativamente la procedencia del agua para riego en nuestra Unidad y en el conjunto de España, encontraremos que mientras en el conjunto de la Península el 68% del agua de riego proviene de ríos o manantiales (aguas superficiales) y sólo un 28% de aguas subterráneas, en La Mancha Oriental, las cifras se invierten de manera determinante, ya que el 92% del agua destinada a cubrir las necesidades hídricas de los cultivos procede de las aguas subterráneas del acuífero, y tan sólo un 6%, de las escorrentías superficiales de los ríos, arroyos y manantiales (figura 11.2), haciéndose más necesario el control de la explotación para la sostenibilidad de los recursos, y para no poner en peligro de agotamiento los mismos. Procedencia agua de riego

España

28%

68%

92%

Mancha oriental

4

6%

2

Subterránea Superficial Mixta Fig. 11.2.

1.2.

Comparación de la procedencia del agua de riego en España y en La Mancha Oriental (JCRMO, 1996; MIMAM, 1998).

HACIA LA SOSTENIBILIDAD DEL AGUA EN CADA UNIDAD HIDROGEOLÓGICA

Es bien conocido que en muchas áreas de regadíos las fuentes de agua subterránea han sido explotadas por encima de la capacidad de recarga natural de los acuíferos. La sobreexplotación de éstos ha obligado a muchas poblaciones y zonas regadas a recurrir a aguas cada vez de peor calidad, encareciendo y dificultando el acceso a las mismas (Sumpsi et al., 1998), sin olvidar que los descensos de nivel de la capa freática acabarán reduciendo el caudal disponible para los usuarios del agua de superficie (FAO, 1993). Según Llamas (1996), parece claro que hoy en día los sistemas de aprovechamiento hídrico son menos vulnerables cuando pueden utilizar conjuntamente recursos 436

superficiales y subterráneos. En nuestro caso todavía es casi exclusiva la utilización de las aguas subterráneas para el riego y el abastecimiento a poblaciones, aunque la normativa de los nuevos Planes Hidrológicos, en nuestro caso el Plan Hidrológico del río Júcar, contempla la sustitución de parte de estos bombeos de aguas subterráneas, por aguas superficiales reguladas, lo que permitirá una explotación más racional y sostenible del sistema. Seckler et al. (1998) analizaron la demanda global de riego para el año 2025, concluyendo de ese análisis que aproximadamente la mitad de los incrementos proyectados en la demanda de agua desde 1990 a 2025, podría venir por aumento de la eficiencia del riego vía conservación del recurso. Fereres (2001), apunta que en vista de que las mejoras de la eficiencia biológica del uso del agua por los cultivos no son posibles a corto plazo, y dado el incremento de la demanda de agua en todo el mundo por otros usuarios con mayor prioridad que la agricultura de riego, parece que la conservación de ésta mediante su manejo eficiente, debe ser la nueva fuente de abastecimiento más importante para la agricultura de regadío ahora y en el futuro. En España, como comenta Valdeyeros (1998), se da la paradoja de que siendo un país donde existe una larga tradición de política hidráulica, de instituciones para la gestión del agua y de tecnología de regulación, transporte, distribución y aplicación del agua en sus distintos usos, apenas se han desarrollado estudios sobre la economía del agua. Es realmente sorprendente que la administración española se haya gastado decenas de millones de euros en estudios y proyectos sobre la construcción de posibles embalses e infraestructuras hidráulicas para aumentar la regulación y oferta de agua, mientras prácticamente no se ha gastado nada en estudios sobre la eficiencia del uso y gestión de la misma. Probablemente no existan herramientas más útiles que los Servicios de Asesoramiento de Riegos para poner en práctica estas políticas de control en el uso del agua.

2.

FUNCIONES Y ACTIVIDADES DE LOS SERVICIOS DE ASESORAMIENTO DE RIEGOS

Las funciones que se pueden encomendar al SAR, para desarrollar su actividad integral en el estudio y seguimiento de la utilización sostenible de los recursos hídricos, y como consecuencia, para el apoyo al ahorro sistemático del agua, pueden ser las siguientes (Montoro et al., 2002): • El seguimiento y control de la oferta y demanda de agua en la Unidad Hidrogeológica de estudio. • La instalación y el mantenimiento de la red meteorológica del Servicio. • La estación experimental de apoyo técnico y la transferencia de tecnología a los usuarios. • El cálculo de las necesidades de agua de los diferentes cultivos y la distribución de la información. • La difusión de los datos a los diferentes usuarios y el seguimiento en parcela del agricultor. • La evaluación de los sistemas de aplicación del agua al suelo. 437

• El apoyo técnico a los Planes de Explotación de las Comunidades de Usuarios. Abordamos a continuación cada uno de estos apartados. 2.1.

EL SEGUIMIENTO Y CONTROL DE LA OFERTA Y DEMANDA DE AGUA EN LA UNIDAD HIDROGEOLÓGICA

En nuestro caso, y tratando de explicar esta función con un ejemplo, el estudio de la pluviosidad media en cada una de las once Zonas hidrogeológicas en que se subdivide nuestra Unidad 08-29, nos permite calcular la lluvia útil y estimar la recarga del acuífero en cada una de ellas, y disponiendo también de la información de los caudales de los cauces superficiales proporcionada por los aforadores instalados en los mismos, tendremos la medida de los recursos renovables en un determinado período de tiempo.

mm

Déficit pluviométrico año agrícola del período 1987/2003 (Finca experimental “Las Tiesas”)

450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

02-03

01-02

00-01

99-00

98-99

97-98

96-97

95-96

94-95

93-94

92-93

91-92

90-91

89-90

88-89

87-88

media 16 años

Años Déficit medio Fig. 11.3.

Precipitación anual

Representación de la precipitación anual y del déficit pluviométrico medio en el periodo 1987-2003 (elaboración propia).

La determinación del déficit pluviométrico (figura 11.3) y su evolución, nos permite relacionar éste con la evolución de los niveles del acuífero y determinar los volúmenes a utilizar en los planes de explotación. La medición y seguimiento periódico y sistemático de los niveles piezométricos de la red de nuestra Unidad Hidrogeológica completa la información hacia la confección de un modelo que permite estimar los caudales explotables desde el equilibrio y la sostenibilidad del recurso (figura 11.4). La demanda en la Unidad Hidrogeológica es estimada de manera bastante precisa, puesto que se conoce la distribución de cultivos de cada campaña en la Unidad y el volumen de agua aplicado en cada cultivo, comprobadas por el SAR en su actividad diaria. Para ello disponemos de la declaración de cultivos y usos de los diferentes operadores, que es comprobada exhaustivamente con las técnicas de teledetección, con el doble objetivo de estimar los volúmenes de agua extraídos en la Unidad y de la comprobación de los planes de explotación acordados. 438

850 Cota sobre el nivel del mar (m) 800 750 700 Media 1980 26 metros

650

Media 2003 600 1

2 Cota terreno

Fig. 11.4.

2.2.

3

4

5

6

2003 1980 Cotas de la lámina de agua

7

8

9 10 11 Zonas hidrogeológicas

Representación de las mediciones de los piezómetros (elaboración propia).

LA INSTALACIÓN Y EL MANTENIMIENTO DE LA RED METEOROLÓGICA DEL SERVICIO

Una de las bases fundamentales de un buen servicio de asesoramiento del uso del agua para el riego, es la red de estaciones agrometeorológicas disponibles, la bondad de los datos suministrados y también el grado de atención y mantenimiento necesarios para un funcionamiento continuo y sistemático. En nuestro caso esa red está formada por dos tipos de estaciones: • Una estación base, en la que se miden todos los parámetros necesarios para el cálculo de la evapotranspiración por las distintas fórmulas, como humedad relativa, velocidad del viento y temperaturas del aire a diferentes alturas; dirección del viento, radiaciones (global, reflejada de onda corta, neta de onda corta, incidente de onda larga, reflejada de onda larga, neta de onda larga y difusa), temperaturas, flujo térmico y humedad del suelo a diferentes profundidades; presión atmosférica, evaporación de la cubeta de clase A y precipitación. • Una red de estaciones de apoyo en todos aquellos puntos en los que se necesita información diferenciada, en la que se miden únicamente los parámetros más comunes, como temperatura ambiente, humedad relativa, velocidad y dirección del viento, y precipitación. 2.3.

LA ESTACIÓN EXPERIMENTAL DE APOYO TÉCNICO Y LA TRANSFERENCIA DE TECNOLOGÍA A LOS USUARIOS

Cualquier Servicio de Asesoramiento de Riegos necesitará una actualización permanente de las técnicas aplicadas, la comprobación experimental de sus recomendaciones, y unos medios eficaces de transferir la tecnología a los regantes usuarios. En nuestro caso esas funciones están encomendadas al Instituto Técnico Agronómico Provincial de Albacete (ITAP), que desde su fundación en 1986 actuó siempre 439

como una institución de transferencia de tecnología para el apoyo a la nueva agricultura que se desarrollaba rápidamente en la provincia y de manera particular en los nuevos regadíos (López Fuster, 2000). En colaboración con un buen número de instituciones docentes españolas y extranjeras, también con centros de investigación pública dedicados a temas relacionados con el agua como el CEDEX del Ministerio de Obras Públicas, y sobre todo con la estrecha coordinación y el trabajo conjunto con la Universidad de Castilla-La Mancha, el ITAP fue creando a lo largo del tiempo una tecnología propia para el cálculo de las necesidades hídricas de los cultivos diseñada básicamente por el profesor Arturo de Juan, y experimentada y puesta a punto por los propios técnicos del ITAP en la Estación Experimental de Las Tiesas (López Fuster, 2000). La culminación de esa colaboración fue la creación del SAR de Albacete al que ahora nos referimos, con sus medios técnicos e infraestructuras, entre las debemos destacar la Estación de Lisimetría. Desde 1988 el ITAP ha seguido una trayectoria de trabajo en todo lo referente a las técnicas de utilización del agua para los regadíos, que se pueden resumir en: • El conocimiento de las necesidades hídricas de los principales cultivos de la provincia, anteriormente desconocidos. • La medición y seguimiento de los niveles piezométricos de nuestra Unidad Hidrogeológica 08-29 con la finalidad de llegar a conocer el comportamiento de la misma y poder identificar las zonas donde se deben controlar las extracciones para poder mantener el equilibrio y la sostenibilidad del recurso. • El seguimiento y análisis químico de las aguas subterráneas, con la finalidad de estudiar la calidad de las mismas y detectar las posibles fuentes de contaminación de la Unidad Hidrogeológica. • Los estudios de lisimetría que nos permitan ajustar cada vez con más precisión la evapotranspiración máxima (ETm) de los cultivos, en nuestra estación lisimétrica de Las Tiesas (Barrax). • Los ensayos sistemáticos para el estudio de los riegos deficitarios controlados (RDC) en diferentes cultivos y con la misma finalidad. • El desarrollo de las funciones de producción en relación con el agua aportada a los cultivos, para predecir la cosecha en función de los volúmenes de agua utilizados. • El seguimiento individualizado de una gran parte de la superficie regada de la provincia, con la finalidad de tener perfectamente definidas las características de la misma con respecto a los cultivos implantados, la superficie media de las explotaciones, los hábitos de riego, el estudio de los equipos de distribución de agua, etc. 2.4.

EL CÁLCULO DE LAS NECESIDADES HÍDRICAS DE LOS CULTIVOS

Para el cálculo de las necesidades hídricas de los cultivos, utilizamos métodos micrometeorológicos y el método de lisimetría. Nuestra Estación Lisimétrica de Las Tiesas (Barrax) se compone de tres lisímetros de pesada continua: el primero de ellos sembrado de pradera (Festuca arundinacea) 440

mantenida en condiciones óptimas de vegetación con el fin de obtener los valores de la evapotranspiración de referencia (ETo), anexo al cual se encuentra instalada una estación agroclimática que cuenta con los sensores necesarios para obtener los datos que se requieren para la estimación de la evapotranspiración por los métodos clásicos reseñados anteriormente. En un segundo lisímetro se lleva a cabo una rotación con aquellos cultivos de los que pretendemos estudiar su ETm. De esta forma se obtienen los valores de la evapotranspiración para cada cultivo en estudio y por tanto los coeficientes de cultivo (Kc) por comparación con la ETo calculada en el lisímetro de referencia. El tercer lisímetro es monolítico y está dedicado al estudio del riego del viñedo. 2.4.1.

Métodos micrometeorológicos

Para los cálculos de las necesidades hídricas de los cultivos en la programación de riegos utilizamos, partiendo diariamente de los datos de las estaciones agroclimáticas validados por los técnicos del SAR. Estos son comparados con los datos obtenidos en el lisímetro de referencia, para comprobar las diferencias existentes entre el agua evapotranspirada en el lisímetro y la calculada con la fórmula reseñada. La fórmula de Penman-Monteith es comparada, a su vez, con diversas fórmulas empíricas, para obtener las desviaciones entre ellas, como en el ejemplo que expondremos a continuación para el año 2001. 2.4.2.

Comparación de la ETo obtenida por diferentes métodos empíricos

El ejemplo a que hacíamos referencia anteriormente trata de comparar los valores obtenidos para el cálculo de la Eto a través de las diferentes fórmulas empíricas más útiles y conocidas. Para ello hemos utilizado los datos diarios de la estación agrometeorológica de «Las Tiesas» (Barrax) de la campaña 2001, relacionándose a continuación las fórmulas comparadas. • FAO-Jensen. • Penman-FAO. • Penman. • Blaney-Criddle. • Radiación. • Hargreaves. • Penman-Monteith. El método estadístico utilizado para el mencionado estudio ha sido el de la comparación de los datos obtenidos con cada una de las fórmulas con los de Penman-Monteith por medio de la regresión lineal. El resultado es el representado en la figura 11.5, en donde se reflejan las diferentes rectas de regresión para establecer la correlación entre las variables comparadas en cada uno de los casos: la ETo-Penman-Monteith, con la ETo del resto de las fórmulas estudiadas. 441

Penman FAO-Penman Monteith

14

14

12

12

ETo Penman FAO (mm)

ETo FAO-Jensen (mm)

FAO Jensen-Penman Monteith

10 8 6 4 y = 1,2325x – 0,1942 R2 = 0,9126

2

10 8 6 4

0

0 0

5 10 15 20 ETo Penman-Monteith (mm)

0

25

Penman-Penman Monteith ETo Bladney Cridle (mm)

4 3 2 1

y = 0,5221x – 0,1794 R2 = 0,7916

12 10 8 6 4 y = 1,1066x – 1,2299 R2 = 0,7693

2

0

0 0

2 4 6 8 10 ETo Penman-Monteith (mm)

12

0

2 4 6 8 10 12 14 ETo Penman-Monteith (mm)

Radiación-Penman Monteith

Hargreaves-Penman Monteith

12

10

10 ETo Hargreaves (mm)

ETo Radiación (mm)

25

14

5

8 6 4 2

y = 1,1695x – 0,4265 R2 = 0,855

0

8 6 4 2

y = 0,9528x – 0,0981 R2 = 0,7896

0 0

2

4

6

8

10

ETo Penman-Monteith (mm)

Fig. 11.5.

442

5 10 15 20 ETo Penman-Monteith (mm)

Bladney Cridle-Penman Monteith

6

ETo Penman (mm)

y = 1,2457x – 0,0192 R2 = 0,9347

2

12

0

2

4

6

8

10

ETo Penman-Monteith (mm)

Representación de las rectas de regresión de FAO Jensen, Penman FAO, Penman, Blaney Criddle, Radiación y Hargreaves frente a Penman-Monteith.

Merece la pena detenernos en la discusión de los resultados, con un comentario previo en el sentido de que en general existe una correlación aceptable entre todas las fórmulas comparadas, aunque desplazándose hacia arriba supervalorando los datos de la ETo en unos casos y desplazándose hacia abajo e infravalorándolos en otros. En efecto: • En el caso de FAO-Jensen y Penman-FAO, con coeficientes de correlación elevados (0,91 y 0,93 respectivamente), se produce un desplazamiento de la curva en todo su recorrido hacia valores más altos de la ETo, expresado por la pendiente de la recta de regresión, llegando a valores de supervaloración que sobrepasan el 20%. Es decir, el resultado es una curva de forma muy semejante desplazada hacia arriba en el porcentaje indicado. • En el caso de Penman y Blaney-Criddle, con coeficientes de correlación menores (0,79 y 0,77 respectivamente), la curva de ETo se aproxima más a Penman-Monteith, representado, como en el caso anterior, por la separación de la recta de regresión correspondiente de la bisectriz de los ejes. • En el método de la Radiación, también con una correlación elevada (0,85) la recta de regresión entre las dos variables estudiadas corta a la bisectriz por un punto intermedio, representando los tramos de recta por debajo o por encima de la bisectriz datos infra o supravalorados. • Hargreaves es sin duda el caso más interesante por dos cuestiones que la hacen especial, al menos en nuestras condiciones: en primer lugar porque se trata de una ecuación que nos da valores muy semejantes a Penman-Monteith, con un coeficiente de correlación alto (0,79), y con una pendiente de la recta de regresión que se aproxima a la unidad, lo que las hace coincidir de una manera determinante. En segundo lugar porque la ecuación de Hargreaves es, con mucho, la ecuación más sencilla de todas las estudiadas, calculando la ETo sólo con los datos de temperaturas y la radiación extraterrestre tabulada, y por lo tanto pudiendo obtener los datos de estaciones muy sencillas, baratas y fácilmente instalables en zonas en donde es imposible instalar estaciones más sofisticadas. Por tanto, profundizaremos más en el estudio de esta fórmula y compararemos los valores diarios y mensuales de la misma, con los hallados por Penman-Monteith, como mostramos en las figuras 11.6 y 11.7. En la figura 11.6, se representan las ETo diarias calculadas por ambas fórmulas, para visualizar la proximidad de las mismas en todo su recorrido, superponiéndose los trazos de ambas con un gran paralelismo. En la figura 11.7, hemos querido representar gráficamente los datos mensuales obtenidos para el cálculo de la ETo por ambas fórmulas, con el fin de comprobar con detalle que no existen periodos en los que se produce un distanciamiento puntual entre ellas. En esa escala, comprobaremos que la fórmula de Hargreaves minusvalora levemente la ETo en los meses de primavera, otoño e invierno, y los sobrevalora ligeramente en los meses de verano, lo que no anula la conclusión anteriormente obtenida de su utilización para zonas donde no se dispone de estaciones sofisticadas. 443

Comparación ETo diarias Hargreaves-Penman Monteith. 2001 12

ETo (mm)

10 8 6 4 2

Hargreaves

dic-01

nov-01

oct-01

sep-01

ago-01

jul-01

jun-01

may-01

abr-01

mar-01

feb-01

ene-01

0

Fecha

Penman-Monteith

Fig. 11.6. Comparación de las ETo diarias calculadas por Hargreaves y por Penman-Monteith.

Penman-Monteith

Hargreaves

Diciembre

Noviembre

Octubre

Septiembre

Agosto

Julio

Junio

Mayo

Abril

Marzo

Febrero

8 7 6 5 4 3 2 1 0 Enero

mm

Comparación de las medias mensuales de ETo

Meses

Fig. 11.7. Comparación de las medias mensuales de ETo calculadas por Hargreaves y Penman-Monteith.

2.4.3.

Método de lisimetría. Ajuste entre los datos lisimétricos y la fórmula empírica

El lisímetro de referencia nos ayuda a validar la fórmula de ETo de Penman-Monteith en nuestra zona de trabajo y el lisímetro destinado a una rotación de cultivos herbáceos nos permite comprobar el ajuste de los datos recomendados calculados por métodos empíricos con los medidos en el lisímetro, permitiéndonos también por tanto, la comprobación de la curva de coeficientes de cultivo en cada caso. Sirva como ejemplo el que ahora reflejamos aquí en el caso del maíz. Los días en los que no se han producido incidencias en el manejo del lisímetro, en cuanto a riegos, precipitaciones, calibrados de peso, labores culturales, drenaje, etc; se han obtenido los valores de ETc diarias, utilizando la siguiente ecuación: 444

ETc = (Pi – Pf)/S siendo: ETc, evapotranspiración de cultivo (mm día–1); Pi, primer peso del lisímetro al inicio del día (kg); Pf, último peso del lisímetro al final del día (kg); S, superficie del lisímetro (6,21 m2 en nuestro caso). Los valores medidos en el lisímetro se han comparado estadísticamente con los obtenidos diariamente a través de la metodología clásica de la FAO (Doorenbos y Pruitt, 1977), mediante un análisis de regresión. Tabla 11.1. Valores de ETc del maíz medidas en el lisímetro y calculadas empíricamente en la campaña de 2001 Fecha

ETc lisímetro (mm día–1)

ETc Penman-Monteith (mm día–1)

21 abr 01 22 abr 01 15 may 01 16 may 01 1 jun 01 2 jun 01 3 jun 01 12 jul 01 14jul 01 26 jul 01 29 jul 01 31 jul 01 2 ago 01 7 ago 01 10 ago 01 12 ago 01 15 ago 01 16 ago 01 22 ago 01 23 ago 01 25 ago 01 27 ago 01 29 ago 01 6 sep 01 9 sep 01 21 sep 01 24 sep 01 25 sep 01 7 oct 01 8 oct 01

2,59 2,01 2,58 2,90 4,67 4,83 4,19 8,05 11,11 8,68 8,20 9,24 10,74 9,21 6,28 7,63 6,44 6,02 6,88 5,42 6,34 6,67 5,06 3,62 4,40 1,61 1,34 1,48 1,42 0,81

1,62 2,16 2,33 2,18 3,91 4,30 4,25 7,44 10,56 8,40 8,52 10,32 9,24 9,00 7,87 8,42 6,48 5,63 5,46 6,33 7,09 6,81 5,68 4,66 4,21 2,65 2,10 1,89 1,84 1,28

ETc total (mm)

160,42

162,63

Para el caso que nos sirve de ejemplo, se presentan en la tabla 11.1 y la figura 11.8 algunos valores lisimétricos de la ETc del maíz, junto a los calculados por la metodología de la FAO durante el año 2001. El conjunto de los valores de ETc obtenidos en el lisímetro cultivado de maíz en los días considerados suman 160,42 mm, mientras los calculados empíricamente con la 445

fórmula empleada para los mismos días suponen 162,63 mm. Analizados los datos día a día, se aprecian pequeñas diferencias entre ellos, pero si hacemos una media del periodo estudiado, llegaremos a una ETc medida en el lisímetro de 5,35 mm día–1 y un valor calculado de 5,42 mm día–1, es decir, sensiblemente iguales. ETc lisímetro ETc FAO 12

ETc (mm/día)

10 8 6 4 2

ETc lisímetro (mm día–1)

Fig. 11.8.

ETc Penman-Monteith (mm día–1)

06-oct

22-sep

08-sep

25-ago

11-ago

28-jul

14-jul

30-jun

16-jun

02-jun

19-may

05-may

21-abr

0

Fecha

Representación gráfica de valores de ETc del maíz medidas en el lisímetro y calculadas empíricamente en la campaña de 2001.

Para estimar el grado de correlación entre ambos datos, se ha realizado un análisis de regresión, con los resultados de la figura 11.9, de la que se deduce que no se han producido diferencias significativas estadísticamente entre los grupos de valores comparados de ETc, siendo el coeficiente de correlación obtenido del 96,55%, y el coeficiente de determinación (R2) del 93,22%, ambos muy altos.

ETc lisímetro ETc FAO

ETc FAO (mm/día)

12 10 8 6 4 y = 0,9347x + 0,4227 R2 = 0,9322

2 0 0

2

4

6

8

10

ETc lisímetro (mm/día) Fig. 11.9.

446

Análisis de regresión simple de los valores lisimétricos de ETc del maíz respecto a los calculados empíricamente.

12

2.5.

LA DETERMINACIÓN LOCAL DE LOS COEFICIENTES DE CULTIVO (Kc).

Las campañas de seguimiento en campo en gran número de parcelas simultáneas de cada de uno de los cultivos de los que se ha realizado recomendación en el SAR, que podemos decir que son todos los que han tenido cierta entidad en la zona, ha permitido ajustar las curvas de Kc que aplicamos en la actualidad con bastante precisión. Han sido confeccionadas comprobando localmente, en todas y cada una de las parcelas estudiadas en los programas de seguimiento en campo, todos aquellos puntos que las determinan, comprobando los momentos fenológicos que representan inflexiones en la curva correspondiente, para concluir con una media de todos los años contemplados para cada uno de los cultivos. El caso estudiado en el epígrafe anterior nos ha permitido concluir que la Kc del maíz propuesta por la FAO se ajusta perfectamente a nuestra zona, obteniendo resultados de gran precisión de las necesidades hídricas de dicho cultivo, en la misma. En otros casos ha sido necesaria una corrección, como en el ejemplo de la remolacha azucarera, cuyas necesidades hídricas están sobrevaloradas en nuestra zona aplicando los datos clásicos de FAO. Las curvas de todos los cultivos estudiados se representan en el Anexo 11.1 de este capítulo, por la utilidad que pueden tener para los usuarios de nuestra zona o semejantes, y como ejemplo de la manera de confeccionarlas para el resto de los lectores. Ellas son la media de 7 años de seguimiento en la mayoría de los cultivos representados, aunque algunos como maíz dulce, judía de verdeo, kenaf, y maíz de ciclo corto (FAO 400), sólo han sido estudiados 4, 3 y dos años respectivamente. En la figura 11.10, se representa un ejemplo de una de las curvas de Kc obtenidas a lo largo de varios años en el SAR de Albacete, con los días de duración media de cada periodo fenológico. Coeficientes de cultivo para cebolla

Inicial: 68 días

Desarrollo: 24 días

Engrosamiento del bulbo: Maduración: 21 días 49 días

Kc 1,2

Acaba engrosamiento Dobla el cuello. 1,0

7-8 hojas 1.0

1,0 0,8 0,6

4-5 hojas. 0,50

Se seca la hoja. 0,4

0,4 0,2 0 21-mar 5-abr 20-abr 5-may 20-may 4-jun 19-jun

4-jul

19-jul

3-ago 18-ago Fecha

Fig. 11.10. Ejemplo de curva de Kc media empleada en el SAR de Albacete.

447

2.6.

LA DIFUSIÓN DE LOS DATOS A LOS USUARIOS. EL SEGUIMIENTO EN PARCELA DEL AGRICULTOR

Aunque los datos de las cantidades evapotranspiradas por cada cultivo, son calculadas diariamente, las programaciones de riego se hacen de ordinario semanalmente, ya que cualquier infraestructura de riego, por muy sofisticada que se diseñe, sería incapaz de seguir una programación diaria, siendo el limitante la pluviosidad media descargada por los equipos, el rendimiento de las bombas y la planificación de cultivos de cada estructura agraria o Unidad de Gestión Hídrica (UGH). Por tanto, la información básica de las necesidades hídricas de los cultivos, se proporciona semanalmente (figura 11.11), sirviéndole al usuario para programar el riego del periodo siguiente, a través de la previsión que se acompaña que está basada en el dato histórico de todas las campañas estudiadas para ese cultivo en esa semana. La diferencia entre la cantidad programada y la real de la semana conocida, es corregida en el siguiente periodo programado. Los usuarios programan con la previsión de la próxima semana y corrigen el dato de la previsión anterior con los datos reales diarios ya conocidos, llevando un simple estadillo de entradas (recomendación) y salidas (riego realmente aportado).

Fig. 11.11.

Formato para prensa escrita de las recomendaciones del SAR.

Las UGH privadas suelen ser grandes explotaciones, bien organizadas, en las que se alimentan como mínimo de un sondeo, del que se extrae el agua y como norma general, se almacena y regula en un embalse, para su posterior impulsión hacia los equipos de riego. Se realiza una rotación de cultivos de invierno y verano, en la que es relativamente fácil realizar una programación de riegos. Las parcelas pequeñas, suelen estar agrupadas en algún tipo de asociación para el riego colectivo formando una única UGH. Los riegos suelen realizarse por turnos o a la demanda en función del número de parcelas asociadas. 448

Para conseguir la difusión de las necesidades de agua de los cultivos en la zona, el SAR utiliza una serie de medios que a lo largo de su andadura han ido incrementándose a medida que ha dispuesto de nuevos sistemas de difusión, valiéndose en la actualidad de la prensa y televisión local, del contestador telefónico, del fax, de la visita a explotaciones particulares, comunidades de regantes y sobre todo de INTERNET, aunque también esporádicamente de los boletines divulgativos y charlas o conferencias a grupos interesados, de ámbito nacional e internacional. Existen unas claras diferencias entre el seguimiento en parcela de agricultor para el caso de los cultivos herbáceos, generalmente anuales, y los cultivos leñosos en los que se hace imprescindible la particularización de cada parcela en la que se hace variable, además del cultivo y la variedad del mismo, el marco de plantación, intensificación, calidad de los productos a obtener, etc. Diferenciemos aquí ambas situaciones: 2.6.1.

Cultivos herbáceos

Los herbáceos son los cultivos más extendidos en la zona, y por tanto los más estudiados, ensayados y experimentados (tabla 11.2).

Tabla 11.2. Cultivos herbáceos asesorados por el SAR Cultivos herbáceos Adormidera Ajo blanco Ajo chino Ajo morado Alfalfa Avena Bróculi Calabaza Cebada

Cebolla Colza Espinaca Girasol Guisante Judía verde Kenaf Maíz dulce Maíz grano

Maíz forrajero Melón Patata Pimientos Pradera Remolacha Trigo Veza

El esfuerzo mayor se realiza en el seguimiento en parcela de cada agricultor conectado al Servicio para este fin, para ello cada técnico del SAR tiene asignadas un número determinado de explotaciones que son visitadas semanalmente. En dicha visita se anotan los estados fenológicos de los cultivos y se les da la programación semanal de riego que deben realizar, (asesoramiento parcial); existen también parcelas con seguimiento completo, que son aquellas que además de haber sido asesoradas, se obtiene de ellas todos los datos requeridos, como hábitos de riego, agua real aportada, evaluaciones de equipos de riego, precipitación efectiva, producciones y rendimientos obtenidos, etc. En la campaña 2003, se llegó a 559 parcelas con seguimiento completo, alcanzando la superficie seguida la cifra a 10.559 ha, además de 149 parcelas asesoradas parcialmente, representando a 2.692 ha y 26 comunidades de regantes (19.232 ha), lo que suponen casi 32.500 ha asesoradas, sin tener en cuenta, por ser de difícil cuantificación, la superficie que se asesoró vía fax, por llamadas al contestador telefónico o por visitas a nuestra página web (tabla 11.3). 449

Tabla 11.3. Cuantificación del seguimiento en parcelas Campaña 2003. SAR Campaña 2003

Número

Ha

Parcelas con asesoramiento completo Parcelas con asesoramiento parcial Comunidades de regantes

559 149 26

10.559 2.692 19.232

Total

734

32.483

La evolución de la superficie asesorada en los diez últimos años (figura 11.12), nos da una idea de la aceptación del Servicio, observando una tendencia creciente en la superficie total asesorada, y debiéndose este incremento principalmente al aumento del asesoramiento a comunidades de regantes, especialmente de cultivos leñosos. Del mismo modo, la superficie de parcelas con asesoramiento parcial en la pasada campaña ha aumentado, indicando las curvas la confianza que los agricultores están depositando en el Servicio. Superficie asesorada por el SAR

Superficie (ha) 35.000 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0

1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Parcelas con seguimiento completo Comunidades de regantes Fig. 11.12.

Campañas Parcelas asesoradas Total superficie

Evolución de la superficie asesorada por el SAR desde 1994.

El conocimiento de las aportaciones de agua reales de muchas parcelas a lo largo del tiempo de funcionamiento del SAR, nos ha permitido obtener el grado de seguimiento del mismo a través de la relación del agua aportada y la recomendada por el SAR para los diferentes cultivos. En la figura 11.13 se muestra el promedio de este índice en el período 1996-2003, habiéndose representado aquellos cultivos de los que tenemos un promedio de más de 100 ha de los mismos seguidas. En color gris se han representado los cultivos infraregados, es decir, aquellos en los que se ha aportado menos agua de la necesaria (inferior a 90%). En blanco, los cultivos bien regados, que como vemos son la mayoría y los que la implantación de los mismos en la zona es superior. Por último, destacar que cada vez son menos las parcelas en las que el riego es superior al 110%, parcelas sobreregadas, por lo que ya no son significativas y no aparecen reflejadas en la media, y por tanto en el gráfico. 450

Relación riego aportado/recomendación SAR (%) Campañas 96-03 0

10

20

30

40

50

% de seguimiento 60

70

80

90

100

110

120

Adormidera Alfalfa Maíz (F-700) Maíz forrajero Patata Remolacha Judía verde Maíz (F-600) Cebolla Maíz (F-400) Maíz (F-500) Maíz dulce Trigo Ajo morado Cebada Girasol Guisante Colza Cultivo

Fig. 11.13.

Bien regado

Infraregado

Grado de seguimiento: relación entre el riego aportado y el recomendado por el SAR. Promedio del período 1996-2003.

Estos datos resultan muy interesantes para la retroalimentación del sistema de asesoramiento, pues de ellos se pueden extraer conclusiones tan importantes como: • Los cultivos más emblemáticos de nuestra zona se están regando, siguiendo las recomendaciones del SAR lo que indica un grado de seguimiento aceptable. • Cultivos como la alfalfa o la remolacha, en los que el agua es un factor extremadamente limitante de la producción en la zona, el agricultor no arriesga y siempre riega por encima de las necesidades del cultivo. • Otros cultivos como por ejemplo las oleaginosas (girasol y colza), que nunca han obtenido grandes rendimientos en la zona aunque se encuentran subvencionados por la PAC, de los cuales el agricultor no espera grandes cosechas y tiende a que los inputs de explotación sean mínimos y por tanto tratan de ahorrar en riego. También están en este grupo algunos cultivos de primavera en los que déficits de agua no se corresponden con pérdidas importantes de cosecha. 2.6.2.

Cultivos leñosos

En los últimos años se ha extendido el servicio a los cultivos leñosos, debido a las demandas existentes para dos cultivos en plena reconversión en la zona: la vid y el olivo, ambos con unas exigencias de calidad que afectan claramente a las técnicas del riego y a las cantidades de agua a aportarles para estabilizar la producción y conseguir mayores cotas de calidad. La recomendación de riego en este caso no es para producción máxima, como se puede desprender de lo anterior. Por tanto, para estos cultivos en particular pero también para cualquier leñoso, cada parcela de seguimiento es diferente, con marcos de 451

plantación, variedades, cargas de frutos, edad, producciones distintas, etc., por lo que las recomendaciones son en la mayoría de los casos particularizadas, dando datos de necesidades hídricas generales de manera orientativa, para parcelas tipo de cada cultivo. En la tabla 11.4 se muestran los cultivos leñosos que han sido asesorados por el SAR. Tabla 11.4. Cultivos leñosos asesorados por el SAR Vid Olivo Almendro Albaricoquero Melocotonero Ciruelo

2.7.

LA EVALUACIÓN DE LOS SISTEMAS DE APLICACIÓN DEL AGUA AL SUELO

Aunque la labor principal del SAR, tal vez sea la de informar a los agricultores sobre las necesidades de riego de sus cultivos basándose en criterios técnicos, surgen a partir de ahí, actividades complementarias que han llegado a alcanzar gran importancia para el conocimiento de algunas de las circunstancias que afectan al regadío, como es la evaluación de los sistemas de riego. Merece la pena hacer un inciso, para recordar las cifras de distribución de los sistemas de riego del Libro Blanco del Agua (MIMAM, 1998) y del Inventario de Riegos (JCRMO, 1996), de las que se desprende que en España, el 59% de la superficie de regadío lo hace por gravedad, el 24% por aspersión y el 17% localizado, datos que contrastan con los de la Mancha Oriental, en la que el riego por aspersión representa un 83% de la superficie de riego con un grado de tecnificación elevado: pivots y coberturas totales fijas enterradas y automatizadas (figura 11.14). Las evaluaciones de los sistemas de riego se realizan a demanda del usuario, siguiendo la metodología aplicada en las mismas para pívot centrales y coberturas totales enterradas propuesta en las normas internacionales: • ISO-11545 (1994). • ANSI/ASAE STANDARS S 436 (1995). • ASAE STANDARD S330.1 (1987): «Procedure for sprinkler distribution testing for research purposes». • ASAE STANDARD S398.1 (1985): «Procedure for sprinkler testing and performance reporting». • ISO 7749/1 (1986). Norme internationale. Matériel d’irrigation. Asperseurs rotatifs. Partie 1: Exigences de conception et de fonctionnement. • ISO 7749/2 (1990). Norme internationale. Matériel d’irrigation. Asperseurs rotatifs. Partie 2: Uniformité de la distribution et méthodes d’essai. • UNE. 68_072_86. Aspersores rotativos. Requisitos generales y métodos de ensayo. También se recomienda tener en cuenta la metodología descrita por Merrian et al. (1978, 1980). 452

Sistemas de Riego utilizados

España

24%

59%

17%

83%

Mancha oriental

16% 1

Riego por aspersión Riego por superficie Riego localizado Fig 11.14.

Comparación de los sistemas de riego utilizados en España y en La Mancha Oriental (JCRMO, 1996; MIMAM, 1998).

El objetivo que se persigue con las evaluaciones de los equipos de riego es informar a los regantes del estado de funcionamiento de los equipos y la detección de posibles fallos. También se informa sobre dotaciones reales, uniformidad de distribución del agua, superficie bien regada, eficiencia de aplicación, etc., en definitiva poner en manos del agricultor un informe detallado del estado de funcionamiento de su sistema de riego. También son muy útiles para el propio SAR, pues ayudan a conocer mejor las características de funcionamiento de los distintos equipos de aplicación de agua de riego y la adaptación de estos a nuestra zona de trabajo, así como el conocimiento del agua que se aplica realmente a las parcelas asesoradas. En la figura 11.15 se representan los resultados de la evaluación de un pívot central de 9 torres que riega 69 ha y que ha sido evaluado girando a una velocidad del 100%, U. D.: 81,70%

C. U. h: 88,54%

18

Alttura recogida (mm)

16 14 12 10 8

Superficie bien regada: 71,5 % Superficie con + 1,15 AMR: 13,79% Superficie con –0,85 AMR: 14,7%

6 4 2 0 0

10

Altura recogida

Fig. 11.15.

20 AMR

30 40 Superficie (ha) AMR en torres

50 0,85 AMR

60 1,15 AMR

70 Inicio torre

Distribución del agua en un pivot evaluado (elaboración propia).

453

con 103 pluviómetros situados en un radio del equipo y distanciados entre ellos 4 m. El resultado nos informa que el aparato funciona con un 81,7% de uniformidad de distribución y un 88,54% de coeficiente de uniformidad de Heermann y Hein (1968). El 71,5% de la superficie se encuentra bien regada, al estar sus pluviometrías comprendidas entre el 15% superior e inferior de la altura media recogida. En la figura 11.16, se representa el resultado de una evaluación de una cobertura total enterrada, con un marco de 15 × 15 m y que ha sido evaluada con 49 pluviómetros uniformemente distribuidos en la superficie comprendida entre 4 aspersores que riegan con una presión de trabajo media de 3 Kg cm–2. El resultado se resume en la gráfica tridimensional adjunta, en la que se indica la uniformidad de distribución de 83% y el coeficiente de uniformidad de Christiansen de 88%. La pluviosidad media fue de 8.7 mm h–1.

Fig. 11.16.

2.8.

Distribución tridimensional del agua en una cobertura evaluada (elaboración propia).

EL APOYO A LOS PLANES DE EXPLOTACIÓN DE LA COMUNIDAD DE USUARIOS

En la primavera/verano de 1994 y debido a una sequía continuada que acabó asustando a los usuarios (figura 11.3), fue posible la creación de la Junta Central de Regantes de la Mancha Oriental (JCRMO), corporación de derecho público que asociaba a todos los agricultores de regadío en su ámbito de actuación, permitiéndoles unir los esfuerzos en defensa de sus intereses concesionales y también consensuar las restricciones en el uso de recursos no renovables que afectan a las reservas históricas del sistema. Esta asociación agrupa a 100.000 ha de riego, fundamentalmente instaladas con sistemas de pivotes centrales y coberturas totales enterradas (figura 11.14). En 1995, la JCRMO confeccionó su primer Plan de Explotación, en la que posiblemente por vez primera en España una organización de regantes se imponía a sí misma restricciones en el uso del agua subterránea, sin existir una declaración de sobreexplotación (López Fuster, 2000). Estos planes establecen una dotación máxima de agua por hectárea y año y por tanto a cada explotación o Unidad de Gestión Hídrica se le asigna un volumen de agua que no debe superar. Cada propietario deberá cumplir el Plan, planificando sus cultivos en función del consumo de los mismos que previamente han sido fijados en el informe técnico que el Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP pasa anualmente a la JCRMO. 454

Pues bien, todos los datos que sustentan al Plan de Explotación de cada año, provienen de los obtenidos objetivamente por el SAR a través de su actuación. Nos referimos a: • Las dotaciones de riego unitarias que deben utilizar los agricultores para cada cultivo que figura en su declaración anual, de la cual se deducirá la cantidad total teórica de agua que podrá utilizar en su explotación en esa campaña. • La entrada global de agua en la Unidad, y la demanda en la misma, a través del cálculo de las superficies sembradas de cada cultivo en toda la zona y los volúmenes medios empleados en su riego. • La evolución piezométrica de las diferentes zonas en las que se subdivide la Unidad. Toda esa información se resume en un informe anual que es la base para la confección del Plan de Explotación del año posterior, con el fin de conseguir la sostenibilidad del Sistema.

3.

UNAS REFLEXIONES SOBRE UNA LARGA EXPERIENCIA EN EL FUNCIONAMIENTO DEL SAR

El posible éxito que supone la actividad del SAR de Albacete durante sus 17 años de funcionamiento, en los que se ha convertido en uno de los más emblemáticos de España, puede estar, al menos en parte, determinado por la geografía, ya que partimos de una uniformidad edáfica, climática, topográfica (recordemos que nos encontramos en la llanura manchega) y estructural, que nos facilita mucho el trabajo. Los datos que hemos obtenido en nuestra finca experimental, podían ser extrapolados sin grandes errores al resto de la zona de actuación. Sin embargo, y a pesar de esta uniformidad, el arranque de una iniciativa como ésta nunca es fácil en un sector reticente a los cambios, en el que los agricultores habían apostado su propio dinero en las transformaciones (casi todas efectuadas desde la iniciativa privada), y con una mentalidad predominante en la que a mayor cantidad de agua aportada a los cultivos, mayor producción esperada, para de esta forma rentabilizar al máximo la explotación y amortizar en el menor tiempo posible sus elevadas inversiones. Los 15 años de funcionamiento del SAR no sólo han servido para conocer cada vez con mayor exactitud las necesidades hídricas de los principales cultivos de la zona, aun siendo un dato muy útil para los agricultores, sino que han servido también para conocer los consumos totales en la superficie regada, como dato fundamental para la planificación. Valga el ejemplo del 2001, en el que pudimos precisar que el consumo total fue de 423 hm3, que de ellos cerca del 50% (unos 200 hm3), se utilizaron en tan sólo dos cultivos apoyados por la PAC: el maíz y la alfalfa. Frente a estos extremos merece la pena señalar también que el 25% de la superficie se dedica a cultivos no subvencionados por la PAC, generalmente hortícolas moderadamente consumidoras de agua, tratándose de cultivos mucho más rentables desde todos los puntos de vista y fundamentalmente desde el social. Tal vez las propias ayudas PAC a las superficies de cultivos de verano con altas necesidades de agua, no contribuyan a solucionar el problema de la elevada demanda de agua en la España seca. Existen herramientas y datos suficientes como para corregir esta situación. Nuestro llamamiento aquí a las Administraciones Públicas que tienen el 455

poder de hacerlo, desde la Unión Europea a nuestra Comunidad Autónoma pasando por el Gobierno de la Nación, para que adopten Políticas que corrijan los excesos en los consumos de agua generados por las ayudas que priman a los cultivos más consumidores de agua. Se trataría de aumentar las ayudas a los cultivos de primavera en detrimento de las que priman a los de verano, fomentando de esta manera el ahorro que supondrá el incremento de superficies sembradas con cultivos poco consumidores. Creemos que a la hora de estas reflexiones cerramos un ciclo del SAR en el que se ha probado su utilidad para los agricultores, encontrándonos ahora en otra fase de su desarrollo en la que es necesario implicar a la sociedad entera, desde el pequeño agricultor a las Administraciones que deberán tomar las decisiones que conduzcan a la sostenibilidad de un recurso fundamental para la vida en el futuro.

4.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

FAO (Food and Agriculture Organization), 1993. «Las Políticas de Recursos Hídricos y la Agricultura». En: El Estado Mundial de la Agricultura y la Alimentación. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura, Roma, Italia. Fereres, E. 2001. El Ahorro Sistemático del Agua en la Agricultura de Riego. Actas Symposium Las Nuevas Tecnologías hacia la Agricultura Sostenible. ITAP. Albacete, España. Heermann, D.F. y Hein, P.R., 1968. «Performance characteristics of self-proped center pivot sprinkler irrigation system». Transaction of the ASAE, vol. 31 (2). JCRMO (Junta Central de Regantes de la Mancha Oriental), 1996. Inventario de regadíos. Informe interno no publicado. Albacete, España. Llamas, R. 1996. ¿Hacia donde va la planificación y gestión del agua en España? IV SIAGA, I. López Fuster, P. 2000. Los Regadíos de La Mancha Oriental. Edita ITAP, Albacete, España. Martín de Santa Olalla, F. y de Juan Valero, J.A.. 1993. Agronomía del Riego. Anexo Servicio de Asesoramiento de Riegos (López Fuster; López Córcoles). Edita Mundi-Prensa. Madrid, España. Merrian, J.L. y Keller, J. 1978. Farm irrigation system evaluation: a guide for management: Utah State University. Logan. Utah. USA. Merrian, J.L.; Shearer M.N. y Burt C.M. 1980. «Evaluating irrigation systems and practices». En: Design and operation of farm irrigation systems. M.E Jensen ASAE monograph n° 3 pp. 721-760. MIMAM (Ministerio de Medio Ambiente), 1998. Libro Blanco del Agua. Madrid, España. MIMAM (Ministerio de Medio Ambiente), 2001. Plan Hidrológico Nacional. Madrid, España. Montoro Rodríguez, A.; López Córcoles, H. y López Fuster, P. 2002. An Advisory Service for Irrigation in the Plains of La Mancha, Spain. Workshop organised by FAO-ICID, 24 July 2002. Montreal, Canada. Seckler, D.; Molden, D. y Barker, R. 1998. World Water Demand and Supply, 1990 to 2025: Scenarios and Issues. International Water Management Institute. Research Report 19. Colombo, Sri Lanka. Sumpsi, J.M.; Colmenero, A.; Fonseca, M.; Ortega, C. y Martínez, E. 1998. Economía y Política de Gestión del Agua en la Agricultura. Ediciones Mundi-Prensa, Madrid, España. Sunkel, O. y Leal, J. 1985. «Economía y medio ambiente en la perspectiva del desarrollo». El trimestre económico, 52 (1). Valdeyeros, 1998. Presentación del libro Economía y Política de Gestión del Agua en la Agricultura (Sumpsi, J.M. et al.). Edita MAPA y Mundi-Prensa. Madrid.

456

ANEXO 1. RELACIÓN DE COEFICIENTES DE CULTIVO (Kc) SEGUIDOS EN EL SAR DE ALBACETE Inicial: 11 días

Reproducción: 23 días

Desarrollo: 59 días

Maduración: 31 días

Kc 1,20

La espiga rompe la hoja bandera. 1,15

Fin de fecundación Óvulo engrosado. 1,15

1,00 0,80 Inicio de ahijamiento. 0,30 0,60

Madurez fisiológica. Grano duro. 0,45

0,40

Recolección. 0,15

0,20 0,00 01-mar

16-mar

31-mar

15-abr

30-abr

15-may

30-may

14-jun

29-jun Fecha

Coeficientes de Cultivo para Trigo

Inicial: 10 días

Reproducción: 19 días

Desarrollo: 58 días

Maduración: 25 días

Kc La espiga rompe la hoja bandera. 1,15

1,20 1,00

Fin de fecundación Óvulo engrosado. 1,15

Inicio de ahijamiento. 0,30

0,80 0,60 Madurez fisiológica. Grano duro. 0,45

0,40 0,20

Recolección. 0,15 0,00 01-mar

16-mar

31-mar

15-abr

30-abr

15-may

30-may

14-jun Fecha

Coeficientes de Cultivo para Cebada

Desarrollo: 25 días

Reproducción: 36 días

Maduración: 42 días

Kc 1,20 1,00

Primeras flores. 1,00

Inicio llenado de vainas. 1,00

0,80 0,60 0,40

De color colza a marrón-dorado. 0,45

0,20 0,00 01-mar

16-mar

31-mar

15-abr

30-abr

15-may

30-may Fecha

Coeficientes de Cultivo para Colza de Invierno

Fig. 11.17, 11.18 y 11.19. Coeficientes de Cultivo (Kc) para Trigo, cebada y colza de invierno utilizados por el Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

457

Formación de cosecha: Maduración: 33 días 16 días

Desarrollo: 76 días Kc 1,20

Salida escapo.

Inicio bulbificación, 1.00

1,00 0,80 0,60 0,40

Recolección. 0,60 4 hojas. 0,40

0,20 0,00 01-mar

16-mar

31-mar

15-abr

30-abr

15-may

30-may

14-jun

29-jun Fecha

Coeficientes de Cultivo para Ajo Morado

Formación de cosecha: 43 días

Desarrollo: 40 días

Maduración: 16 días

Kc 1,20

Salida escapo. 1.00

Inicio bulbificación. 1.00

1,00 0,80 0,60

Recolección. 0,60 0,40 0,20 0,00 01-mar

16-mar

31-mar

15-abr

30-abr

15-may

Coeficientes de Cultivo para Ajo Chino

Inicial: 32 días

Desarrollo: 40 días

30-may Fecha

Reproducción: Maduración: 17 días 20 días

Kc 1,2 Floración. 1.00

1,0

Formación de cápsulas. 1,00

0,8 0,6 0,4

4-6 hojas. 0,30

Inicio secado de cápsulas. 0,30

0,2 0,0 21-mar

Cápsulas secas. 0,15 05-abr

20-abr

05-may

Coeficientes de Cultivo para Adormidera

20-may

04-jun

19-jun

04-jul Fecha

Fig. 11.20, 11.21 y 11.22. Coeficientes de Cultivo (Kc) para Ajo Morado, ajo chino y Adormidera utilizados por el Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

458

Inicial: 28 días

Reproducción: 28 días

Desarrollo: 51 días

Maduración: 32 días

Kc 1,20

Las sedas tornan a marrón. 1,20

Aparece Penacho.1,20 1,00 0,80

Madurez fisiológica. (30% humedad). 0,70 0,60 0,40 5-6 hojas. 0,40 0,20 0,00 29-abr

14-may

29-may

13-jun

28-jun

13-jul

28-jul

12-ago

27-ago

Fecha

Coeficientes de Cultivo para Maíz

Inicial: 27 días

Desarrollo: 48 días

Engrosamiento de la raíz: 62 días

Kc 1,2

Maduración: 39 días

Contenido en azúcar 12-14%. 1,00

100% de sombreo. 1,00

1,0

11-ago

0,8 Madurez fisiológica. (30% humedad). 0,70 0,6 0,4 4 hojas verdaderas. 0,40

0,2

0 08-abr 23-abr 08-may 23-may 07-jun 22-jun 07-jul 22-jul 06-ago 21-ago 05-sep 20-sep Fecha

Coeficientes de Cultivo para Remolacha

Inicial: 18 días Kc 1,2

Desarrollo: 35 días

Aparece Penacho. 1,20

Reproducción: 41 días

Grano lechoso-pastoso. 1.20

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

5-6 hojas.0,40

0 22-may

06-jun

21-jun

Coeficientes de Cultivo para Maíz Dulce

06-jul

21-jul

05-ago

20-ago Fecha

Fig. 11.23, 11.24 y 11.25. Coeficientes de Cultivo (Kc) para el maíz, Remolacha y Maíz Dulce utilizados por el Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

459

Inicial: 25 días

Maduración: 34 días

Reproducción: 21 días

Desarrollo: 37 días

Kc 1,2 1,0

Final fecundación. 0,90

Primeras flores. 0,9

0,8

Maduración. Capítulo color morado. 0,6

0,6 0,4 0,2

4-6 hojas. 0,35

0 22-may

06-jun

17-jun

02-jul

17-jul

01-ago

16-ago

Coeficientes de Cultivo para Girasol

Fecha Desarrollo: 24 días

Inicial: 68 días

31-ago

Engrosamiento del bulbo: 49 días

Maduración: 21 días

Kc 1,2

7-8 hojas. 1,0

1,0

Acaba engrosamiento. Dobla el cuello. 1,0

0,8 0,6 0,4

Se seca la hoja. 0,4

4-5 hojas. 0,50 0,2 0 21-mar

05-abr 20-abr 05-may 20-may 04-jun 19-jun

04-jul

19-jul

03-ago 18-ago

Coeficientes de Cultivo para Cebolla

Desarrollo: 27 días

Inicial: 21 días Kc

Fecha

Formación de cosecha: 44 días Comienzo floración. 1,15

1,2

Maduración: 38 días

Final floración. 1,15

1,0 Maduración. 0,85

0,8 0,6 0,4 6-8 hojas. 0,45 0,2 0 26-abr

11-may

26-may

10-jun

Coeficientes de Cultivo para Patata

25-jun

10-jul

25-jul

09-ago

24-ago Fecha

Fig. 11.26, 11.27 y 11.28. Coeficientes de Cultivo (Kc) para Girasol, Cebolla y Patata utilizados por el Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

460

ANEXO 2. BALANCES HÍDRICOS POR PERIODOS FENOLÓGICOS DE LOS CULTIVOS SEGUIDOS POR EL SAR DE ALBACETE BALANCE HÍDRICO PARA EL TRIGO (Media 1994-2003) Reproducción

Nh: 147 mm Pe: 50 mm Rg: 97 mm

Maduración

Nh: 126 mm Pe: 23 mm Rg: 103 mm

Nh: 130 mm Pe: 11 mm Rg: 119 mm

Rg: Riego efectuado (mm)

Fig. 11.29.

Necesidades hídricas: 4.120 m3/ha Precipitación efectiva: 890 m3/ha Necesidades de riego: 3.230 m3/ha 30% en desarrollo 32% en reproducción 37% en maduración

04-jul

27-jun

20-jun

13-jun

06-jun

30-may

23-may

16-may

09-may

25-abr

02-may

18-abr

11-abr

04-abr

28-mar

21-mar

14-mar

07-mar

0

10

20

30

40

Nh: 9 mm Pe: 5 mm Rg: 4 mm

60 mm

Desarrollo

50

Inicial

Pe: Precipitación efectiva (mm)

Nh: Necesidades hídricas (mm)

Balance hídrico para el Trigo (media 1994-2003). Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

BALANCE HÍDRICO PARA LA CEBADA (Media 1994-2003) Reproducción

Nh: 148 mm Pe: 44 mm Rg: 104 mm

Nh: 100 mm Pe: 21 mm Rg: 80 mm

Maduración

60 mm

Desarrollo

Nh: 99 mm Pe: 15 mm Rg: 84 mm

50

Inicial

Rg: Riego efectuado (mm)

Fig. 11.30.

Necesidades hídricas: 3.550 m3/ha Precipitación efectiva: 840 m3/ha Necesidades de riego: 2.710 m3/ha 38% en desarrollo 29% en reproducción 31% en maduración

20-jun

13-jun

06-jun

30-may

23-may

16-may

09-may

02-may

25-abr

18-abr

11-abr

04-abr

28-mar

21-mar

14-mar

07-mar

0

10

20

30

40

Nh: 8 mm Pe: 5 mm Rg: 3 mm

Pe: Precipitación efectiva (mm)

Nh: Necesidades hídricas (mm)

Balance hídrico para la Cebada (media 1994-2003). Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

461

Maduración

Nh: 79 mm Pe: 15 mm Rg: 64 mm

Nh: 123 mm Pe: 28 mm Rg: 95 mm

Nh: 152 mm Pe: 42 mm Rg: 110 mm

50

Reproducción

Necesidades hídricas: 3.540 m3/ha Precipitación efectiva: 840 m3/ha Necesidades de riego: 2.690 m3/ha 24% en desarrollo 35% en reproducción 41% en maduración

Rg: Riego efectuado (mm)

Fig. 11.31.

13-jun

06-jun

30-may

23-may

16-may

09-may

25-abr

02-may

18-abr

11-abr

04-abr

28-mar

21-mar

14-mar

07-mar

0

10

20

30

40

Desarrollo

60 mm

BALANCE HÍDRICO MEDIO PARA LA COLZA 1996-2003

Nh: Necesidades hídricas (mm)

Pe: Precipitación efectiva (mm)

Balance hídrico para la Colza (media 1996-2003). Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

Reproducción

Nh: 195 mm Pe: 62 mm Rg: 133 mm

Maduración

Nh: 79 mm Pe: 4 mm Rg: 75 mm

Necesidades hídricas: 4.550 m3/ha Precipitación efectiva: 880 m3/ha Necesidades de riego: 3.620 m3/ha 37% en desarrollo 42% en reproducción 21% en maduración

Rg: Riego efectuado (mm)

Fig. 11.32.

462

04-jul

27-jun

20-jun

13-jun

06-jun

30-may

23-may

16-may

09-may

02-may

25-abr

18-abr

11-abr

04-abr

28-mar

21-mar

14-mar

07-mar

0

10

20

30

40

Nh: 176 mm Pe: 22 mm Rg: 154 mm

50

Desarrollo

60 mm

BALANCE HÍDRICO MEDIO PARA EL AJO MORADO 1996-2003

Pe: Precipitación efectiva (mm)

Nh: Necesidades hídricas (mm)

Balance hídrico para el Ajo Morado (media 1996-2003). Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

BALANCE HÍDRICO MEDIO PARA EL AJO CHINO 1996-2003 Maduración

35 mm

Reproducción

25 Necesidades hídricas: 3.280 m3/ha Precipitación efectiva: 820 m3/ha Necesidades de riego: 2.460 m3/ha 28% en desarrollo 48% en reproducción 24% en maduración

Rg: Riego efectuado (mm)

Fig. 11.33.

06-jun

30-may

23-may

16-may

09-may

02-may

25-abr

18-abr

11-abr

04-abr

28-mar

21-mar

14-mar

07-mar

0

5

10

Nh: 71 mm Pe: 11 mm Rg: 60 mm

20

Nh: 94 mm Pe: 25 mm Rg: 69 mm

30

Nh: 163 mm Pe: 45 mm Rg: 117 mm

15

Desarrollo

Nh: Necesidades hídricas (mm)

Pe: Precipitación efectiva (mm)

Balance hídrico para el Ajo Chino (media 1996-2003). Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

BALANCE HÍDRICO MEDIO PARA LA ADORMIDERA 1998-2003

Nh: 32 mm Pe: 24 mm Rg: 8 mm

Reproducción Maduración

Nh: 104 mm Pe: 7 mm Rg: 97 mm

Nh: 78 mm Pe: 2 mm Rg: 76 mm

40

Precipitación efectiva: 800 m3/ha Necesidades de riego: 2.530 m3/ha 28% en desarrollo 38% en reproducción 30% en maduración

Rg: Riego efectuado (mm)

Fig. 11.34.

04-jul

27-jun

20-jun

13-jun

06-jun

30-may

23-may

16-may

09-may

02-may

25-abr

18-abr

11-abr

04-abr

28-mar

21-mar

0

10

20

Necesidades hídricas: 3.330 m3/ha

30

50

Nh: 118 mm Pe: 47 mm Rg: 71 mm

70 mm

Desarrollo

60

Inicial

Pe: Precipitación efectiva (mm)

Nh: Necesidades hídricas (mm)

Balance hídrico para la Adormidera (media 1998-2003). Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

463

BALANCE HÍDRICO MEDIO PARA EL MAÍZ 700 1994-2003

Nh: 50 mm Pe: 32 mm Rg: 18 mm

Nh: 272 mm Pe: 16 mm Rg: 256 mm

Maduración

70 mm

Reproducción

Nh: 168 mm Pe: 20 mm Rg: 148 mm

60

Desarrollo

50

Inicial

Rg: Riego efectuado (mm)

Fig. 11.35.

Necesidades hídricas: 7.230 m3/ha Precipitación efectiva: 730 m3/ha Necesidades de riego: 6.500 m3/ha 3% en fase inicial 39% en desarrollo 35% en reproducción 23% en maduración

12-sep

05-sep

29-ago

22-ago

15-ago

08-ago

25-jul

01-ago

18-jul

11-jul

04-jul

27-jun

20-jun

13-jun

06-jun

30-may

23-may

16-may

09-may

02-may

0

10

20

30

40

Nh: 233 mm Pe: 5 mm Rg: 228 mm

Nh: Necesidades hídricas (mm)

Pe: Precipitación efectiva (mm)

Balance hídrico para el Maíz F-700 (media 1994-2003). Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

BALANCE HÍDRICO MEDIO PARA LA REMOLACHA 1994-2003

Nh: 168 mm Pe: 25 mm Rg: 143 mm

Necesidades hídricas: 8.830 m3/ha Precipitación efectiva: 1.020 m3/ha Necesidades de riego: 7.820 m3/ha 3% en fase inicial 21% en desarrollo 58% en reproducción 18% en maduración

11-abr 18-abr 25-abr 02-may 09-may 16-may 23-may 30-may 06-jun 13-jun 20-jun 27-jun 04-jul 11-jul 18-jul 25-jul 01-ago 08-ago 15 ago 22-ago 29-ago 05-sep 12-sep 19-sep 26-sep 03-oct

0

10

20

30

Nh: 466 mm Pe: 14 mm Rg: 452 mm

70 mm

Nh: 207 mm Pe: 41 mm Rg: 166 mm

Maduración

60

Nh: 43 mm Pe: 21 mm Rg: 21 mm

Reproducción

50

Desarrollo

40

inicial

Rg: Riego efectuado (mm)

Fig. 11.36.

464

Pe: Precipitación efectiva (mm)

Nh: Necesidades hídricas (mm)

Balance hídrico para la Remolacha (media 1994-2003). Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

BALANCE HÍDRICO MEDIO PARA EL MAÍZ DULCE 1994-2003

Nh: 200 mm Pe: 9 mm Rg: 191 mm

80 mm

Nh: 47 mm Pe: 11 mm Rg: 35 mm

Reproducción

Nh: 334 mm Pe: 21 mm Rg: 313 mm

70

Desarrollo

Necesidades hídricas: 5.800 m3/ha Precipitación efectiva: 410 m3/ha Necesidades de riego: 5.390 m3/ha 7% en fase inicial 35% en desarrollo 58% en reproducción

Rg: Riego efectuado (mm)

Fig. 11.37.

29-ago

22-ago

15-ago

08-ago

25-jul

01-ago

18-jul

11-jul

04-jul

27-jun

20-jun

13-jun

06-jun

30-may

23-may

0

10

20

30

40

50

60

Inicial

Nh: Necesidades hídricas (mm)

Pe: Precipitación efectiva (mm)

Balance hídrico para el Maíz Dulce (media 1994-2003). Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

Reproducción

Maduración

Nh: 55 mm Pe: 18 mm Rg: 37 mm

Nh: 178 mm Pe: 5 mm Rg: 172 mm

Nh: 135 mm Pe: 0 mm Rg: 135 mm

Nh: 133 mm Pe: 16 mm Rg: 117 mm

60

Desarrollo

40

50

Inicial

70 mm

BALANCE HÍDRICO MEDIO PARA EL GIRASOL 1994-2003

30

Necesidades de riego: 4.610 m3/ha 8% en fase inicial 37% en desarrollo 29% en reproducción

Rg: Riego efectuado (mm)

Fig. 11.38.

12-sep

05-sep

29-ago

22-ago

15-ago

08-ago

01-ago

25-jul

18-jul

11-jul

04-jul

27-jun

20-jun

13-jun

06-jun

30-may

23-may

0

10

Precipitación efectiva: 390m3/ha

20

Necesidades hídricas: 5.000 m3/ha

Pe: Precipitación efectiva (mm)

Nh: Necesidades hídricas (mm)

Balance hídrico para el Girasol (media 1994-2003). Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

465

BALANCE HÍDRICO MEDIO PARA LA CEBOLLA 1994-2003

Nh: 132 mm Pe: 59 mm Rg: 91 mm

Nh: 101 mm Pe: 11 mm Rg: 91 mm

Reproducción

Maduración

Precipitación efectiva: 770 m3/ha Necesidades de riego: 6.040m3/ha 12% en fase inicial 15% en desarrollo 55% en reproducción 18% en maduración

21-mar 28-mar 04-abr 11-abr 18-abr 25-abr 02-may 09-may 16-may 23-may 30-may 06-jun 13-jun 20-jun 27-jun 04-jul 11-jul 18-jul 25-jul 01-ago 08-ago 15-ago 22-ago 29-ago

0

10

30

Necesidades hídricas: 6.810 m3/ha

20

40

50

Nh: 336 mm Nh: 111 mm Pe: 5 mm Pe: 3 mm Rg: 331 mm Rg: 109 mm

60

70

Desarrollo

mm

Inicial

Rg: Riego efectuado (mm)

Fig. 11.39.

Nh: Necesidades hídricas (mm)

Pe: Precipitación efectiva (mm)

Balance hídrico para la Cebolla (media 1994-2003). Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

BALANCE HÍDRICO MEDIO PARA LA PATATA 1995-2003 Maduración

70

Reproducción

50 40

Nh: 349 mm Pe: 6 mm Rg: 344 mm

Necesidades de riego: 6.700 m3/ha 1% en fase inicial 16% en desarrollo 51% en reproducción 32% en maduración

10

Precipitación efectiva: 630 m3/ha

466

05-sep

29-ago

22-ago

15-ago

08-ago

25-jul

01-ago

18-jul

11-jul

0

Fig. 11.40.

04-jul

27-jun

20-jun

13-jun

06-jun

30-may

23-may

16-may

09-may

02-may

Rg: Riego efectuado (mm)

Necesidades hídricas: 7.330 m3/ha

30

Nh: 123 mm Pe: 19 mm Rg: 104mm

60

Nh: 224 mm Pe: 9 mm Rg: 215 mm

mm

Desarrollo

Nh: 36 mm Pe: 30 mm Rg: 6 mm

20

Inicial

Pe: Precipitación efectiva (mm)

Nh: Necesidades hídricas (mm)

Balance hídrico para la Patata (media 1995-2003). Servicio de Asesoramiento de Riegos del ITAP (Albacete).

CAPÍTULO

XII

Alternativas ante la limitación de recursos: el uso de aguas recicladas o desaladas en la agricultura

Sebastián Delgado Moya

1.

Introducción.

2.

Recursos tradicionales.

3.

Alternativas ante la limitación de recursos. 3.1. Estrategias en situaciones de escasez de recursos.

4.

Referencias bibliográficas.

1.

INTRODUCCIÓN

El planeta que habitamos no dispone, hoy en día, de una mayor cantidad de agua que hace 2.000 años, cuando lo habitaba menos del 3% de la población actual (Philippine Legislator’s Committee on Population and Development, 1994). En varios parajes bíblicos ya se pone de manifiesto la escasez de agua. Leonardo Da Vinci advertía, en 1516, sobre la falta de agua en el futuro. La asociación histórica de la agricultura de regadío con la salinización de los suelos y la falta de agua, ha sido la causa de la decadencia de antiguas civilizaciones. Desde hace décadas las instituciones internacionales preconizan los graves problemas que puede originar la creciente demanda, el incremento de la población y la consiguiente necesidad de aumentar la producción de alimentos, el uso ineficiente y los desequilibrios hídricos. La necesaria y eficaz gestión del agua, para avanzar en la sostenibilidad de recursos hídricos y actividades, ha trascendido del ámbito local a la agenda internacional. La primera conferencia internacional que advirtió acerca de la crisis venidera del agua tuvo lugar en 1977 (Conferencia sobre el Agua de las Naciones Unidas) celebrada en Mar del Plata, Argentina. A ésta han seguido varias otras, incluida la Reunión de Consulta Mundial sobre el Agua Potable y el Saneamiento para los años noventa, que tuvo lugar en Nueva Delhi en 1990, y la Conferencia Internacional sobre el Agua y el Medio Ambiente, celebrada en Dublín en 1992. La «AGENDA 21 Desarrollo Sostenible» (Río de Janeiro, 1992) es un buen manual de objetivos, actividades, medios, etc., de gestión hídrica. En 1997, un grupo de expertos preparó una evaluación integral de los recursos mundiales de agua dulce, para la quinta sesión de la Comisión sobre Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas. La Declaración Ministerial del Segundo Foro Mundial del Agua (La Haya, 2000), La Conferencia Internacional sobre el Agua Dulce, celebrada en Bonn en diciembre de 2001, la Cumbre Mundial de Desarrollo Sostenible (Johanesburgo, 2002) y el tercer Foro Mundial del Agua (Kioto, 2003) son algunos exponentes de la importancia que los organismos internacionales prestan, desde hace décadas, a las previsibles situaciones de conflicto debido a la escasez de agua. En el siglo XX la población se ha triplicado y sin embargo el volumen de agua movilizado se ha incrementado más de seis veces (Juma, C., 1998). Durante el último cuarto de siglo, la extracción de agua, en los países en desarrollo, ha aumentando entre el 4 y el 8% por año (Marcoux, A., 1994). Analistas, estudiosos y especialistas tratan el agua como si fuese «oro azul» y como el «recurso más preciado del futuro». También prevén, para los próximos dece469

nios, situaciones de conflictos debido al, cada vez mayor, número de países que deben hacer frente a tensiones hídricas y franca escasez de agua (Gleick, P., 1993). Según este autor, la posibilidad de conflictos refleja la sintomática incapacidad para manejar los suministros de agua dulce de manera sostenible. A todo ello ha de adicionarse la desigual distribución de los recursos de agua dulce, de suelo, de población y, por ende, de las demandas. En cierto modo, la humanidad «vive bajo la tiranía del ciclo hidrológico» (Falkenmark, M., 1993). Por el contrario, en referencia positivista, la falta de agua puede suponer un reto de cambio que obliga a gestionar de modo eficiente e integrado los recursos hídricos. Ante situaciones de escasez de agua una de las propuestas inmediatas es localizar nuevas fuentes de agua pero, desgraciadamente, cuando los recursos son limitados no es fácil el acceso a nuevos recursos de agua, salvo a costes económicos y sociales elevados. A veces, a esa dificultad, se solapa la limitación de recursos financieros para importar agua de otras regiones o para acometer infraestructuras hidráulicas desproporcionadas para la rentabilidad de la agricultura. El resultado puede llegar a ser la reducción de la superficie de riego, con el consiguiente impacto en la producción de alimentos, en el empleo, renta de los agricultores, industria agroalimentaria y en el PIB. Una estrategia plausible podría consistir en modificar los patrones de cultivo; en el intercambio de la actividad agrícola por otras basadas en el desarrollo rural, tales como forestación, actividades cinegéticas, desarrollo artesanal, turismo rural, o en algunas de ellas conjuntamente. Cabe considerar, también, el cambio en la atribución del agua entre los sectores económicos que compiten por ella, si bien resulta complicado debido a cuestiones económicas y de equidad social. En España, al contemplar el balance global entre recursos y necesidades se deduce que existe una tolerable disponibilidad de recursos. En efecto las demandas totales ascienden a 35.323 hm3/año (Libro Blanco del Agua en España) mientras que los recursos renovables totales han sido cuantificados en unos 111.000 hm3/año. Este panorama es radicalmente distinto si el balance se realiza entre necesidades (35.323 hm3/año) y recursos regulados (45.850 hm3/año) que pone de manifiesto que las posibilidades de movilización de nuevos recursos naturales se acerca a su techo técnica y económicamente razonable. La situación se hace crítica cuando por la, cada vez más recurrente, escasez de precipitaciones no se puede almacenar todo el volumen útil de los embalses. Sin embargo el asunto trascendente radica en la irregular distribución de demandas y recursos y en la limitación de recursos de algunas regiones, precisamente aquellas en las que el desarrollo agrario es mayor y en las que la producción agro-ganadera e industria asociada, contribuye de manera notable al PIB nacional. En esas regiones las alternativas ante la limitación de recursos pasa por practicar una gestión integral del agua. Por lo que respecta a las variables estrictamente hidrológicas, el fomento de políticas tendentes a la diversificación de fuentes de suministro, a la mejor utilización de sistemas y procesos de aplicación del agua para optimizar la eficiencia, de incrementar las disponibilidades y garantizar dotaciones, son de imperiosa necesidad si se desea avanzar hacia el abastecimiento futuro de agua seguro y sostenible. 470

En este capítulo se trata de orientar acerca de la compatibilidad y coexistencia de situaciones de escasez de recursos de agua y la actividad agrícola.

2.

RECURSOS TRADICIONALES

El agua que utiliza un sistema de regadío, mediante las infraestructuras de captación, regulación, transporte y distribución, puede ser de origen superficial o subterráneo, si bien pueden utilizar recursos de ambos orígenes (regadíos mixtos). La actividad agrícola es la que mayor volumen de agua utiliza (en término medio, el 70%), con eficiencias muy dispares, por lo que las políticas tendentes a la mejora de los sistemas de riego y el uso racional de suelo y agua, se postulan como las de mayores posibilidades para la conservación de los recursos. En España la agricultura de regadío demanda un volumen de 23.552 hm3 año–1 (Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, 2001) que representa el 67% de los 35.323 hm3 año–1 de la demanda total (Ministerio de Medio Ambiente, 1998). La distribución por Comunidad Autónoma se indica en la tabla 12.1, extraída del Plan Nacional de Regadíos. El consumo de los regadíos asciende a 20.432 hm3 año–1 y el volumen de recursos necesarios para satisfacer las demandas en áreas de riego infradotadas, se ha evaluado en 4.287 hm3 año–1 (incluye recursos necesarios para corregir situaciones de sobreexplotación de acuíferos). Este último volumen citado, sería el indicativo de la magnitud de la escasez de agua para la agricultura. Su distribución por Comunidades Autónomas se expresa en la tabla 12.2. Tabla 12.1. Demanda neta y bruta teórica de agua (hm3) en la situación actual por Comunidad Autónoma. Plan Nacional de Regadíos. MAPYA, 2001 Comunidad autónoma

Andalucía Aragón Asturias Baleares Canarias Cantabria Castilla-La Mancha Castilla y León Cataluña Extremadura Galicia Madrid Murcia Navarra País Vasco Rioja Valenciana Total

Demanda neta teórica (m3/ha)

Demanda bruta teórica (m3/ha)

Superficie regada (ha)

4.151 4.580 1.749 3.534 6.261 3.305 3.587 4.083 3.537 5.118 2.078 4.806 3.843 3.804 2.873 2.978 3.514 4.116

7.128 8.741 3.668 4.804 8.030 5.574 5.908 7.302 6.201 9.602 4.096 9.333 5.749 7.353 3.940 5.818 6.361 7.042

779.880 394.522 4.342 17.376 29.379 2.603 353.801 486.676 264.793 210.488 85.490 27.973 192.698 81.673 13.126 49.335 350.482 3.344.637

Demanda bruta teórica (hm3)

5.559 3.448 16 83 236 15 2.090 3.554 1.642 2.021 350 261 1.108 601 52 287 2.229 23.552

471

Tabla 12.2. Recursos adicionales necesarios para satisfacer las demandas en las áreas de riego infradotadas (hm3). Plan Nacional de Regadíos. MAPYA, 2001 Comunidad Autónoma

Recursos adicionales necesarios

Andalucía Aragón Asturias Baleares Canarias Cantabria Castilla-La Mancha Castilla y León Cataluña Extremadura Galicia Madrid Murcia Navarra País Vasco Rioja Valenciana Total

1.458 515 2 14 77 4 394 572 82 360 6 41 226 126 16 24 370 4.287

Si se admite una dotación media anual de 5.000 m3 por hectárea, la superficie de riego afectada por la escasez de agua asciende a unas 850.000 ha, es decir, el 25% de la superficie total regada en España. Tradicionalmente las grandes transformaciones en regadío, promovidas por el Estado, se han basado en recursos de agua superficial. Los costes de las infraestructuras han sido soportados por los presupuestos generales del Estado, por lo que el precio del agua para riego, puesta a disposición de los agricultores, no representa más que una ínfima parte de los costes reales. El Estado recupera los costes de inversión, a largo plazo y sólo de forma parcial. El sistema muy subsidiado y dispar, de precios del agua para los usuarios agrícolas, incentiva el abuso en el empleo del agua, consagra el derecho a recibir agua, aún en períodos de escasez, y acrecienta la discordia entre usuarios y regiones. Distinto es el caso de los regadíos con aguas subterráneas que afectan a una superficie de unas 950.000 ha. Las transformaciones en regadío son realizadas, en su mayor parte, por la iniciativa privada quien soporta, íntegramente, el coste total y utiliza un agua a un precio real. El sistema, basado en la aquilatación de los costes de producción, incentiva la tecnificación del regadío y el eficaz uso y aplicación del agua. El 11% de la transformación a regadío con agua subterránea es de promoción pública, frente al 63% de las que utilizan agua superficial. Los sistemas de riego a presión representan el 36,5% de la superficie regada con agua superficial, mientras que para los que emplean recursos subterráneos es del 65,5% (Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, 2001). Las situaciones de escasez se originan, por la reducción de aportaciones superficiales y, en el caso de las aguas subterráneas, por los procesos de deterioro de la calidad del agua (intrusión salina en los acuíferos costeros, aumento del contenido en sales a medida que se profundiza) y por la excesiva solicitación de agua a los acuíferos, lo que 472

deviene en la sobreexplotación de los mismos. En ambos casos, también, por la inutilización de recursos debido a la degradación de la calidad del agua por contaminantes. El sistema de producción agrícola actual se basa en el modelo de «revolución verde»1 que se fundamenta en la utilización de variedades de alto rendimiento, la transformación en regadío y el empleo masivo de agroquímicos. Los beneficios obtenidos se acompañan de consecuencias indeseables para el medio ambiente, de tal modo que la agricultura es considerada como el sector que más contaminación produce (Klohn, W. y Wolter, W., 1998), pues los fertilizantes y plaguicidas han contribuido seriamente a la contaminación de acuíferos y aportaciones superficiales. Los efectos de la agricultura sobre el medio hídrico se pueden atenuar si se practican métodos de producción sostenible. Cuando se utiliza una mayor cantidad de fertilizantes que la que puede absorber el cultivo o cuando son arrastrados por la escorrentía, antes del comienzo de la asimilación por las plantas, se propicia, además del sobrecoste de fertilización, que los excesos de nutrientes se puedan infiltrar en el terreno hacia los acuíferos o puedan ser incorporados a los cursos de aguas superficiales. En España la contaminación de las aguas subterráneas por nitratos es la más importante, por cuanto afecta a una mayor extensión y se atribuye a la agricultura y ganadería y, en menor cuantía, a los residuos líquidos urbanos. Este tipo de contaminación se presenta en prácticamente todos los acuíferos sobre los que se asientan superficies de riego, en particular en los acuíferos de la franja mediterránea, en los de las grandes depresiones del Duero, Tajo, Ebro y Guadalquivir, en la llanura Manchega así como en los valles de los grandes ríos. Una característica importante de este tipo de contaminación es que se incrementa paulatinamente al socaire de la intensificación del regadío. Las consecuencias de la sobrecarga de nutrientes son la contaminación del agua por compuestos nitrogenados, la eutrofización de las masas de agua, así como favorecer las condiciones para el crecimiento de algas. La aplicación intensiva de insecticidas, herbicidas, funguicidas, nematocidas y rodenticidas produce la contaminación del agua con compuestos carcinógenos. Este tipo de contaminación, por compuestos agroquímicos, está inutilizando importantes recursos de agua subterránea, en regiones con escasez de agua, para otros usos y está contribuyendo a la salinización progresiva del suelo. El creciente aumento de las concentraciones de compuestos nitrogenados, fosforados y plaguicidas en los acuíferos europeos ha motivado el interés del Parlamento Europeo y, fruto de ello, ha sido la promulgación de una Directiva específica (Directiva 91/676/EEC sobre la «Protección de las aguas contra la contaminación por nitratos procedentes de fuentes agrícolas») y otra genérica, pero que afecta a todas las masas de agua (Directiva 2000/60/CE del Parlamento Europeo y del consejo, de 23 de octubre de 2000, por la que se establece un marco comunitario de actuación en el ámbito de la política de aguas). Ambas tienen por objetivo la evaluación de las masas de agua contaminadas, la preservación de la calidad y reducir la contaminación de las mismas. A medida que el agua se hace escasa y no son viables nuevos desarrollos del tipo convencional, el sector agrícola busca poner otras fuentes no convencionales de agua al servicio de la producción. Las posibilidades son diversas y dependen de las condicio1

Norman E. Borlaug, Premio Nobel de 1970, es considerado el padre de la revolución verde.

473

nes locales. Las fuentes no convencionales dan lugar a proyectos de pequeño tamaño, que en su conjunto pueden sin embargo ser significativos para la economía, la seguridad alimentaria y el nivel de vida de la población rural.

3.

ALTERNATIVAS ANTE LA LIMITACIÓN DE RECURSOS. GESTIÓN INTEGRAL DEL AGUA

El uso y la explotación de los recursos naturales están sujetos a políticas tendentes a asegurar los objetivos nacionales. En particular, un país en el cual el agua es un recurso escaso y por tanto valioso, debería tener una política del agua armonizada con otras políticas sectoriales. De ese modo se hará la mejor selección de los sectores a los que se atribuirá el uso del recurso y bajo qué condiciones. Los principales sectores que compiten por el uso del agua son: la agricultura de regadío; el sector industrial, frecuentemente de mayor productividad y capitalización que el agrícola; el urbano y de servicios, incluyendo el doméstico, para el que el agua es absolutamente indispensable; y otros sectores productores de alimentos, diferentes de la agricultura de regadío, como la piscicultura, así como para el sector ambiental, cada día más exigente de recursos de agua en cantidad y calidad adecuada. El conflicto distributivo entre agentes interesados en acceder al uso del agua y las concepciones enfrentadas sobre cómo hacerlo, bajo las premisas de cohesionar armoniosamente los aspectos sociales, ecológicos, económicos y administrativos, relacionados con el agua, en aras de la sostenibilidad, puede solucionarse a través de una adecuada y eficiente gestión integral del agua. Cuando, además, el recurso agua es un problema de escasez sea por falta de recursos sensu stricto, por un elevado grado de utilización y consumo, o por una calidad inadecuada, una buena gestión se impone como el instrumento básico para sustentar tanto el uso eficiente y racional del agua, cuanto la mayor equidad (igualdad de oportunidades), y las más elevadas cotas de ahorro En referencia a la interacción entre agua y agricultura, la gestión puede entenderse como la acción de adecuar demandas y recursos, en cantidad y calidad, para lograr la pervivencia tanto de éstos, como de los usos, en simbiosis con la conservación ambiental (Delgado Moya, S., 2002). 3.1.

ESTRATEGIAS EN SITUACIONES DE ESCASEZ DE RECURSOS

Para avanzar hacia un abastecimiento de agua seguro y sostenible es preciso el fomento de políticas tendentes a la diversificación de fuentes de suministro, a la mejor utilización de sistemas y procesos de aplicación del agua para optimizar la eficiencia, incrementar las disponibilidades y garantizar dotaciones. El logro de ese objetivo pasa por la definición de estrategias y por la promoción y aplicación de mecanismos técnicos, por parte de los encargados de la administración de los recursos hídricos y por el compromiso solidario de los usuarios. La educación desde los niveles inferiores de la enseñanza, la concienciación sobre la necesidad de utilizar racionalmente y ahorrar agua, se antojan como medidas de bajo coste y beneficios inmediatos (Delgado Moya, S. y Martín de Santa Olalla, F., en edición). 474

Algunos de los mecanismos técnicos a emplear son: el uso conjunto de aguas superficiales y subterráneas, el desarrollo de nuevas y alternativas fuentes de recursos, tales como desalinización de agua marina o salobre, la recarga artificial de acuíferos, el uso de agua de calidad marginal, la reutilización del agua usada, la intensificación del reciclado del agua y la captación de aguas pluviales (Delgado Moya, S. y Martín de Santa Olalla, F., en edición). 3.1.1.

Gestión integral del agua

La gestión del agua, como la de todos los recursos naturales, es una necesidad que debe contemplar la simbiosis entre el agua y todos los aspectos involucrados con ella: Gestión de recursos (oferta), gestión de la demanda, gestión medioambiental, gestión económica, gestión administrativa, gestión de riesgos relacionados con el agua (inundaciones, sequías, efectos del cambio climático) e incluso la gestión de ineficiencias, porque de lo contrario se puede correr el riesgo de entrar en una espiral de mayores demandas, nuevas infraestructuras y mayores inversiones económicas que podrían conducir a graves fracasos, al agotamiento progresivo de los recursos, con el consiguiente impacto social y, en definitiva, a la insostenibilidad. Adicionalmente, por la diversidad de agentes sociales que intervienen, a veces con intereses contrapuestos, la gestión ha de contemplar asuntos relacionados con estrategias que coadyuven a promover la distribución equitativa del agua a los usuarios y a satisfacer los diferentes requerimientos de los mencionados agentes (Delgado Moya, S., 2002). Hasta el presente la mayor parte de las decisiones referentes al agua han sido enfocadas hacia la oferta, lo que ha contribuido a un mejor conocimiento de los recursos, pero ha agravado la ineficiencia de la asignación, la distribución y el uso del agua y empeorado la calidad de la misma en muchas zonas. «Hemos de dejar de vivir como si tuviéramos suministros infinitos de agua y comenzar a reconocer que debemos hacer frente a serias restricciones. La pregunta a tono con la realidad no es ¿cuánta agua necesitamos y dónde la conseguimos?, sino ¿cuánta agua hay y cómo podemos aprovecharla mejor? O sea que debemos regular mejor la demanda de agua en lugar de continuar concentrándonos en una gestión orientada hacia la oferta» (Falkenmark, M. y Widstrand, C., 1992). En aras de lograr la contención de las demandas, fundamentalmente de la agraria, por su magnitud, de conseguir una mayor eficiencia de la utilización del agua, de preservar y conservar el recurso y una mayor flexibilidad en la asignación de los recursos, es preciso desplazar la atención hacia la gestión de las demandas. La demanda es una variable compleja que depende del valor y del coste del agua, que a su vez depende del uso a que se destine, del contexto socioeconómico y de las circunstancias de lugar y tiempo. El agua se necesita para sostener las funciones ecológicas de los humedales y otros ecosistemas. La movilización de recursos y la utilización de los mismos produce significativos cambios en el ciclo hidrológico natural, sea de reducción y modificación de flujos (con las consiguientes afecciones a espacios acuáticos), sea de alteraciones de la calidad. 475

La dimensión del agua como bien social, económico y de sustento de actividad y vida y, como parte integral del ecosistema, provoca tensiones y competencias entre los diferentes agentes y entre regiones. La cantidad y calidad determinan la naturaleza de su utilización. La escasez y el deterioro de la calidad origina controversias que dificultan la formulación de políticas y estrategias, lo que, a su vez, retrasa la aplicación de acciones. La necesidad de la gestión integrada se sustenta, también, en la evidencia de que la optimización del uso del agua resulta más económica, socialmente más conveniente y medioambientalmente más adecuada que la permanente construcción de infraestructuras para satisfacer y garantizar demandas en crecimiento indefinido, infraestructuras que, por otra parte, pueden tener una rentabilidad cuestionable si se infrautilizan durante prolongados períodos. 3.1.2.

Actuaciones para incrementar las disponibilidades

Existe un cálculo según el cual un incremento del uno por ciento en la optimización del agua aplicada en la producción de alimentos pone a disposición de la población —por lo menos en teoría— otros 24 litros al día por persona, mientras que un incremento del 10 por ciento igualaría el consumo doméstico actual de agua. En consecuencia, invertir en agricultura y en gestión del agua en la agricultura constituye una interesante estrategia para liberar agua (FAO, 2003). En el contexto general de la gestión de los recursos hídricos, cualesquiera que fueren las acciones tendentes a mejorar la eficiencia en el empleo del agua debe verse recompensada con el incremento de las disponibilidades. Existe una amplia variedad de actuaciones y medidas técnicas que inciden de modo directo en el aumento de las disponibilidades de agua. Algunas de ellas son: el incremento de la regulación, el manejo adecuado de volúmenes regulados, la adecuada administración de aportaciones superficiales no reguladas, la preservación del agua contra el deterioro de la calidad y contaminación, así como los mecanismos técnicos mencionados anteriormente (uso conjunto de aguas superficiales y subterráneas, desarrollo de nuevas fuentes de recursos, recarga artificial de acuíferos, uso de agua de calidad marginal, reutilización del agua usada, incremento del reciclado y depuración del agua, captación de aguas pluviales). El previsible aumento de la productividad agrícola y de la eficiencia del riego junto a la necesidad de que el agricultor consolide un nivel de renta adecuado, demandará una mayor garantía de disponibilidad de recursos de agua, por lo que se requerirá una mayor capacidad de regulación, habida cuenta que habrá que reemplazar la capacidad perdida por la sedimentación en los embalses. La mejora de la garantía de suministro se puede lograr mediante el uso conjunto de aguas superficiales y subterráneas que consiste en complementar las necesidades, con el empleo alternativo de agua de distinto origen. Es obvio que para planificar la utilización conjunta se debe tener un buen conocimiento de los recursos disponibles y de la modulación temporal de las demandas. La recarga artificial tiene su esencia y fundamento en que acuíferos que están sometidos a una intensa explotación, sea temporal o permanente, sufren las consecuencias de descenso de niveles excesivos y, en definitiva, de reducción de recursos; tam476

bién en la capacidad de regulación que ofrecen los embalses subterráneos. En una situación planificada, se puede permitir la explotación intensificada de agua subterránea, durante los períodos de escasez, y la regeneración posterior (incluida en la planificación) del volumen sobreexplotado. Esta regeneración puede ser natural (reducción paulatina de la explotación en períodos subsiguientes y esperar los efectos beneficiosos de una recarga natural), o bien de modo artificial. El método consiste en favorecer, artificialmente, la recarga de los acuíferos, bien de manera directa (en dispositivos de recarga) o indirecta (favoreciendo la infiltración). Los beneficios que se consiguen, son: incrementar la disponibilidad de recursos, aprovechar la capacidad de regulación de los acuíferos y aumentar la regulación total, mejorar la calidad del agua de los acuíferos en los que sea deficiente, combatir la intrusión marina en los acuíferos costeros y la sobreexplotación, así como la regeneración de ecosistemas. La viabilidad de la recarga artificial está condicionada por las características hidrogeológicas del acuífero y por la disponibilidad de recursos de agua, normalmente de procedencia superficial. Desgraciadamente allí donde los acuíferos precisan ser recargados suele coexistir la escasez de recursos de origen superficial, por lo que, salvo con caudales excedentes (o estacionalmente no utilizados) de ríos o manantiales, las posibilidades de llevar a cabo actuaciones de recarga artificial, son reducidas. En tales circunstancias, la solución pasa por utilizar agua importada de otras cuencas hidrográficas excedentarias, lo que también suele ser prohibitivo, por su elevado coste, para la actividad agrícola. Una oportunidad interesante para combatir (o al menos para contener) la intrusión salina en los acuíferos costeros consiste en utilizar agua depurada y reutilizada, para inyectarla en la franja litoral. Además de frenar la penetración tierra adentro de la cuña salina, se obtendría, como beneficio añadido, una mejora de la calidad del agua original, por el simple filtrado a través del medio poroso. La consideración de vertido de la recarga artificial de acuíferos con agua depurada quizá constituya un obstáculo para la práctica de este tipo de actuación y, en tal caso, deberían arbitrarse medidas reglamentarias para el empleo de agua de diferentes calidades y los usos potenciales de las mismas. 3.1.3.

Desalación de agua

Una interesante posibilidad de disponer de recursos adicionales, donde hay escasez de agua, es la desalación de agua salobre o marina, que consiste en procesar el agua cargada en sales, para transformarla en agua potable. Los recursos hídricos utilizados para desalar son el agua marina y agua subterránea salobre de acuíferos costeros afectados por la intrusión salina y de otros acuíferos del interior cuyas aguas tienen un elevado contenido de sales. La tecnología de desalación tiene aplicación en la zona litoral, en las islas y en aquellos acuíferos o masas de agua cuyo alto contenido en sales impide el normal uso del agua. La tecnología de desalación de agua brinda una variada gama de posibilidades, de modo que permite elegir la solución óptima tanto a la calidad final del agua, como a las características del agua a tratar. Las técnicas más empleadas para producir agua son la evaporación (compresión de vapor, VC; evaporación multiefecto, MED; y evaporación súbita multietapa, MSF) y la separación con membranas (ósmosis inversa, OI; y electrodiálisis, ED). 477

Agua desalada AGUA DEL MAR

Proceso de desalación Agua subterránea Salmu era Salmuera (rechazo) (r(echazo)

salobre

Vertido

Gráfico XII.1.

Esquema del proceso de desalación.

La técnica de separación con membranas requiere menor consumo de energía y precisa instalaciones más simples que las de evaporación, por ello en la actualidad una gran parte de desaladoras utilizan estas tecnologías y, en concreto, la ósmosis inversa que tiene un mejor rendimiento energético. El proceso de compresión de vapor (VC) consiste en separar el agua origen previamente calentada en un intercambiador, formado por un evaporador y un compresor, en dos líneas, una de agua sin sales y otra de salmuera. Los sistemas de evaporación se basan en la destilación del agua salina en procesos con un buen rendimiento termodinámico que precisa una fuente de calor para calentar el agua. La evaporación multiefecto (MED) trata de destilar el agua salina a una temperatura inferior a los 100° C. El agua salina se precalienta en un intercambiador y el vapor que se origina pasa a la siguiente fase en la que se utiliza el calor de ese vapor para seguir calentando más agua y originar, así, una reacción en cadena en las sucesivas etapas conectadas en serie, normalmente menor de 15, salvo las grandes MED con múltiples efectos integrados. En la evaporación súbita multietapa (MSF), se pretende conseguir vapor de agua sin sales. El agua original es calentada a temperatura menor del punto de ebullición, haciéndola pasar por una serie de evaporadores en los que se aumenta paulatinamente el vacío. El agua evaporada desalada se condensa y se recoge, en un flujo continuo, al final del proceso. Esta técnica está recomendada cuando la calidad del agua bruta es deficiente, con un alto contenido salino, elevada temperatura y contaminación bacteriana; por la necesidad de una fuente calorífica, puede acoplarse con otras plantas para formar sistemas de cogeneración. La tecnología de membranas ha sufrido una profunda evolución, desde que en los años sesenta el Dr. Sourirajan comenzara sus experimentos de desalación de agua mediante ósmosis inversa, hacia la optimización energética y eficiencia de las membranas. «Las membranas tienen un tamaño de poro equivalente al peso molecular de una molécula patrón a partir de la cual se produce la retención de más del 90% del soluto. 478

Según el tamaño de poro, los procesos con membrana se clasifican en: microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa» (Centro Tecnológico del Medio Ambiente, 2003). Existen membranas orgánicas (poliméricas) e inorgánicas (cerámicas o metálicas), dependiendo del material de fabricación. Las primeras son las más comúnmente empleadas debido a su coste más reducido, pero ofrecen un rango de operación más reducido en lo tocante a temperatura, presiones y pH. Las segundas tienen una vida útil mayor, son más resistentes a valores de pH extremos y su expansión está condicionada a la reducción de su coste. La ósmosis inversa (OI) consiste en la separación de sales al hacer pasar el agua salina por unas membranas semipermeables a una presión mayor a la presión osmótica. El agua debe ser sometida a un pretratamiento físico y químico previo antes de ser impulsada a las membranas y, una vez eliminada de sales, el agua producida debe ser remineralizada. La electrodiálisis (ED) es un proceso de disociación de las sales del agua salina, en membranas de intercambio iónico y con aportación de un potencial eléctrico. El sistema de ósmosis inversa se compone de los siguientes procesos: • Pretratamiento. Consiste en la eliminación de los sólidos en suspensión y en la adición química de ácidos y antiincrustantes. • Bombeo a alta presión. Para aguas salobres las presiones habituales oscilan de 15 a 27 bar y para agua de mar, entre 55 y 70 bar. • Bastidores de membranas. Para ósmosis inversa las membranas normales son poliméricas, con una disposición en espiral. • Postratamiento. Trata de estabilizar el agua producto y prepararla para su distribución, mediante la eliminación de gases y ajuste de pH. Actualmente existen en España más de 700 instalaciones de desalación (Medina San Juan, J.A., 2001) que producen un volumen de agua desalada de unos 270-300 hm3/a. El 40% se destina a la agricultura y el 60% restante al abastecimiento urbano. La mayor parte del agua salobre desalada se emplea en el regadío de unas 25.000 ha (en el Plan Nacional de Regadíos se contabilizan 544 ha que utilizan agua proveniente de desalinizadoras. PNR, MAPYA, 2001, epígrafe 4.2.2.3. Superficie regada según el origen del agua y sistema de riego, página 204). Las instalaciones de desalación construidas con destino a la agricultura tienen particularidades especiales. Suelen ser modulares, utilizan la técnica de ósmosis inversa, adecúan el número de membranas a la calidad de agua necesaria para su aplicación directa o mezclada con agua de otro origen y calidad, su capacidad media es de unos 800 m3/d. La optimización de la técnica de desalación y la adecuación de costes, incidirá decisivamente a incrementar la producción de agua desalada para su empleo en la agricultura. Conviene hacer una llamada de atención sobre las repercusiones que la desalación puede tener sobre las masas de agua y sobre el medio ambiente. Ambientalmente el rechazo de las plantas (salmueras que además de la alta concentración salina, incorporan los productos utilizados en el proceso de desalación, tabla 12.3), puede constituir un riesgo de impacto elevado si no se realiza una gestión adecuada del mismo. 479

Tabla 12.3. Sustancias añadidas en el proceso de desalinización: función y posible impacto (Gacia, E. y Ballesteros, E. 2001) Compuestos

Metales pesados: Cu, Fe, Ni, Cr, Zn Fosfatos BELGARD’2000 (Ac. málico) Cloro Ácidos grasos Sulfuro de sodio Ácido sulfúrico Residuos sólidos Salmuera Temperatura

Origen/Función

Corrosión Anti-incrustantes Anti-incrustantes Antifouling Tensoactivos Anticorrosivo, captura el O2 Anti-incrustante Limpieza de membranas Concentrado de agua de mar Tratamiento

Impacto

Acumulación en el sistema, estrés a nivel molecular y celular Eutrofización Desconocido Formación de compuestos halogenados carcinógenos y mutágenos Membranas celulares Desconocido En grandes cantidades baja el pH del sistema Turbidez Variable Variable

Los acuíferos en general y los costeros en particular, suelen ser los suministradores de agua salobre, que por tales circunstancias ya están afectados por procesos de contaminación (intrusión salina) o sobreexplotación. Habida cuenta del elevado volumen de agua salobre utilizada para desalar, es necesario el control y gestión de las aguas subterráneas de los acuíferos, sobre todo costeros, para impedir que los efectos indeseables de intrusión marina y sobreexplotación no se intensifiquen ni se propaguen a otras zonas con recursos de agua dulce. La desalación de agua, sea marina o salobre, está regulada por el Real Decreto 1327/1995, de 28 de julio, sobre las instalaciones de desalación de agua marina o salobre. El Real Decreto Legislativo 1/2001, de 20 de julio, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Aguas incluye las aguas desaladas (artículo 2, apartado e) en el dominio público hidráulico junto a las aguas continentales y subterráneas. Asimismo, el artículo 13 del capítulo V, está dedicado a la desalación, conceptos y requisitos, en los siguientes términos: 1. Cualquier persona física o jurídica podrá realizar la actividad de desalación de agua de mar, previas las correspondientes autorizaciones administrativas respecto a los vertidos que procedan, a las condiciones de incorporación al dominio público hidráulico y a los requisitos de calidad, según los usos a los que se destine el agua. 2. Lo dispuesto en este artículo se entiende sin perjuicio de las autorizaciones y concesiones demaniales que sean precisas de acuerdo con la Ley 22/1988, de 28 de julio, de Costas, y las demás que procedan conforme a la legislación sectorial aplicable si a la actividad de desalación se asocian otras actividades industriales reguladas, así como las derivadas de los actos de intervención y uso del suelo. Aquellas autorizaciones y concesiones que deban otorgarse por dos o más órganos u organismos públicos de la Administración General del Estado, se 480

tramitarán en un solo expediente, en la forma que reglamentariamente se determine. 3. La desalación de aguas continentales se someterá al régimen previsto en esta Ley para la explotación del dominio público hidráulico. En consecuencia, puesto que las aguas salobres continentales forman parte del dominio público hidráulico, se precisa la previa concesión o autorización para explotar dichas aguas. La desalación del agua del mar la puede realizar cualquier persona física o jurídica, sin más requisitos que los derivados de las necesarias autorizaciones administrativas referentes a vertidos, a las condiciones de incorporación al dominio público hidráulico y a los requisitos de calidad según los usos a los que se destine el agua. La paulatina reducción del coste del agua desalada debido a la misma tendencia del coste energético que incide entre el 50 y 75% en el coste de explotación, así como al desarrollo y optimización de la tecnología, unido a la escasez estructural de agua en algunas regiones, permite augurar una mayor generalización de la desalación y, por ende, un aumento del volumen de agua desalada. Siendo técnicamente viable la desalación a un coste cada vez más competitivo, pero donde todavía el factor económico es determinante para optar por esta alternativa, la desalación de agua se ofrece como solución para corregir desequilibrios hídricos locales, pero sería prematuro pensar en que puede constituir una opción razonable frente a un hipotético trasvase desde el río Ebro, fundamentalmente por cuanto que algunos de los destinos del agua que previsiblemente se iba a trasvasar (artículo 17 de la Ley 10/2001 del Plan Hidrológico Nacional, derogado por el Real Decreto Ley 2/2004), como la restauración de la sobreexplotación de acuíferos o la mejora de las condiciones ambientales del medio hídrico natural actualmente degradado, no parecen puedan ser abordados, hoy día, con agua sometida a proceso de desalación. Por otra parte la construcción de plantas desaladoras (entendidas como el conjunto de la propia planta, toma de agua y emisario para la eliminación del rechazo) requieren determinadas condiciones que no siempre son fáciles de cumplir. Las características ambientales de las zonas litorales (espacios protegidos, como dunas, salinas, lagunas, etc. en el continente) pueden constituir un serio obstáculo tanto para las obras de construcción de la planta cuanto para la captación de los caudales necesarios de agua bruta; la configuración topográfica del fondo marino y las condiciones del medio hídrico marino (espesor de agua, corrientes, velocidad de las corrientes, calidad del agua, etc.) tiene una incidencia importante en el coste de la toma de agua marina; la presencia de flora submarina sensible a la salinidad es un limitante para la eliminación de las salmueras. El vertido de la salmuera de rechazo, al medio marino, es competencia de las Comunidades Autónomas, por lo que deben ser éstas las que otorguen la pertinente autorización. Puesto que el coste de desalación de agua salobre (del orden de 0,18 a 0,21 €/m3) es la mitad que el de agua de mar (entre 0,36 y 0,54 €/m3), la tendencia parece apuntar hacia la intensificación de la captación de aquel tipo de agua, pero para ello deben existir las condiciones hidrogeológicas favorables en el entorno de la planta, amén de las salvaguarda de que la explotación de agua salobre no produzcan afección a las aguas continentales. El factor principal para el empleo masivo de la tecnología de membranas radica en que nuevos materiales de membrana contribuyan a la eficiencia de las separaciones y 481

que operen con flujos elevados y estables, a precios razonables (Centro Tecnológico del Medio Ambiente, 2003). 3.1.4.

Reutilización del agua residual

El agua residual urbana, tras ser sometida a depuración secundaria, pasa a convertirse en un preciado recurso en las regiones con escasez. La utilización del agua depurada ofrece ventajas e inconvenientes. Las primeras se refieren a que contribuyen a incrementar las disponibilidades totales de agua y, además, puede cumplir la doble función de permuta por agua de buena calidad y para regadío, con el consiguiente beneficio económico. La sustitución del agua depurada por agua subterránea en los acuíferos costeros, colabora en la aminoración de la intrusión marina. Por el contrario, el uso de este tipo de agua plantea el riesgo sanitario y de contaminación por microorganismos patógenos. La tendencia actual consiste en hacer un uso planificado de las aguas depuradas, al objeto de aprovechar las ventajas que ofrecen y disminuir los riesgos para las personas y el medio ambiente. La depuración del agua usada no debe considerarse como la última etapa de uso, ni debe realizarse con fines exclusivamente higiénico-ambientales, sino que ha de ser incorporada al ciclo de la utilización del agua, como una actividad de reciclaje. La reutilización del agua, en todas sus facetas de calidad, e incluso la de calidad marginal, tiene que cumplir su función en la gestión integrada, por lo que ha de fomentarse su empleo bien directo, cuando la calidad se adecúe al uso, bien indirecto, mediante mezcla con otro tipo de agua. Esta práctica es habitual en regiones deficitarias en recursos de agua aunque la aplicación del agua tratada tiene una finalidad, fundamentalmente, agrícola. Lo deseable sería que se estimulara el empleo de este tipo de agua para otros usos como riego de jardines, baldeo, ornamentales, sanitarios domiciliarios. A título de ejemplo, una ciudad con una población de 500.000 habitantes y un consumo diario per cápita de 120 litros produce al día aproximadamente 48.000 m3 de aguas residuales, suponiendo que el 80 por ciento del agua utilizada llega a los servicios públicos de alcantarillado. Si estas aguas residuales fuesen depuradas y reutilizadas para un riego cuidadosamente planificado y controlado, a razón de 5.000 m3/ha anuales, podrían regarse unas 3.500 hectáreas. El valor de estos efluentes como fertilizante es tan importante como el valor del agua. En las aguas residuales tratadas mediante sistemas convencionales las concentraciones típicas de nutrientes son: de nitrógeno 50 mg/litro; de fósforo 10 mg/litro y de potasio 30 mg/litro. Si anualmente se aplican 5.000 m3/ha, la aportación anual de fertilizantes sería: 250 kg/ha de nitrógeno; 50 kg/ha de fósforo y 150 kg/ha de potasio. De esta forma, todo el nitrógeno, tanto orgánico como amoniacal, la mayor parte del fósforo (orgánico y como ortofosfato) y potasio que son necesarios para la producción agrícola, serían suministrados por el efluente. Además, otros valiosos micronutrientes y materia orgánica del efluente proporcionarían beneficios adicionales. Por otra parte, la mayor parte de estos nutrientes, una vez absorbidos por los cultivos, no entrarían en el ciclo del agua, y consecuentemente no contribuirían a la eutrofización de los ríos ni a la creación de «zonas muertas» en las áreas costeras (FAO, 2002). En España se atiende una demanda de 230 hm3 con agua depurada, siendo el riego el aprovechamiento más extendido con el 89% del volumen total (Libro Blanco del 482

Agua en España, 1998). El volumen utilizado en la agricultura asciende a unos 205 hm3/año que si se supone una dotación de 5.000 m3/ha, resulta que unas 50.000 ha se riegan con agua depurada (en el Plan Nacional de Regadíos se consigna que 16.664 ha se riegan con agua proveniente de las depuradoras. PNR, MAPYA, 2001, epígrafe 4.2.2.3. Superficie regada según el origen del agua y sistema de riego, pág. 204). Un aspecto importante de la aplicación del agua depurada al suelo es la capacidad de auto depuración que ofrece el nivel edáfico y, en particular, los terrenos permeables de la zona superficial (zona de aireación), de modo que en países donde existen rigurosas normas microbiológicas para la utilización de las aguas residuales, se recurre, con frecuencia, a la filtración rápida en lechos de arenas y posterior cloración. Una práctica que prolifera es el tratamiento terciario de los efluentes de las depuradoras y la desinfección, previa a su empleo, con ozono, radiación ultravioleta, etc. El regadío con agua residual urbana depurada en el Pla de Sant Jordi (isla de Mallorca) y su incidencia en el medio hídrico subterráneo, ha sido controlado y analizado con detalle durante más de tres décadas (Mateos Ruiz, R. M.ª et al., 2001). El agua subterránea del acuífero, en esa zona, presentaba, desde los años 60, una progresiva salinización por intrusión marina, con contenidos en ión cloruro superiores a 6000 mg/l y niveles piezométricos algunos metros por debajo del nivel del mar. En el año 1970 comenzó la reutilización de las aguas residuales depuradas para regadío. Las consecuencias en el acuífero han sido la recuperación del nivel piezométrico y el consiguiente retroceso de la cuña de intrusión marina; el contenido el ión cloruro ha experimentado una tendencia descendente, hasta los 1.000-2.000 mg/l a finales del año 2000, sin embargo el contenido en nitrato del agua subterránea muestra una evolución ascendente, estimándose un incremento medio de 100 mg/l, observándose una clara relación entre contenido de nitratos y precipitación ya que durante los períodos de copiosa lluvia se constata el lavado de los nitratos y la reducción de su contenido en el agua subterránea. Existen nitritos, con valores máximos de 0,30 ppm, en áreas muy localizadas, si bien se atribuye a la influencia de granjas y fosas sépticas. También se observa una contaminación por microorganismos fecales, probablemente acrecentada por la presencia de granjas en el área donde se ha localizado este tipo de contaminación. En todo caso, el poder autodepurante de la zona de aireación debe ser reducido debido a su escaso espesor (históricamente esta zona fue una marisma) o a su inexistencia, pues la recuperación del nivel piezométrico ha hecho que aflore en superficie y se han producido episodios de inundación. La tendencia del empleo del agua residual urbana depurada, debería evolucionar hacia la reutilización íntegra de todo el volumen de agua depurada, que se incrementará cuando se totalicen las instalaciones para dar cumplimiento a la normativa sobre depuración de agua en España. El Real Decreto ley 11/1995, por el que se establecen las Normas Aplicables al Tratamiento de las Aguas Residuales Urbanas, traspone al ordenamiento jurídico nacional la Directiva 91/272/CEE sobre tratamiento de aguas residuales urbanas. En el artículo 5 se establece que «las aglomeraciones urbanas que se indican a continuación deberán aplicar a las aguas residuales que entren en los sistemas colectores un tratamiento secundario o proceso equivalente, en los siguientes plazos: 483

Antes del 1 de enero del año 2001, aquéllas que cuenten con más de 15.000 habitantes-equivalentes2. Antes del 1 de enero del año 2006, aquéllas que cuenten entre 10.000 y 15.000 habitantes-equivalentes. Antes del 1 de enero del año 2006, aquéllas que cuenten entre 2.000 y 10.000 habitantes-equivalentes y viertan en aguas continentales o estuarios». Para ese horizonte, el volumen total de agua depurada podría ascender a los 1.100 hm3/a. El Real Decreto Legislativo 1/2001, de 20 de julio, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Aguas, dedica el Capítulo III a la reutilización de aguas depuradas. Según la citada Ley, el gobierno debe establecer las condiciones básicas para la reutilización de las aguas depuradas, según los usos previstos. Asimismo determina que se requiere una concesión administrativa para la reutilización de aguas provenientes de un aprovechamiento. En el futuro se prevé que la tecnología de membranas (micro y ultrafiltración) será empleada cada vez más para el tratamiento terciario en las depuradoras. La microfiltración permite eliminar partículas coloidales y microorganismos, mientras que la ultrafiltración, más selectiva, retiene macromoléculas, virus, partículas de aceite y pirógenos. 3.1.5.

Otros recursos

Aguas residuales urbanas El uso agrícola de las aguas residuales urbanas tiene una tradición secular, tanto para evitar la contaminación ambiental cuanto para aportar nutrientes orgánicos a la agricultura. Al manejar aguas no depuradas, los riesgos para la salud del agricultor y la higiene alimentaria son elevados aunque existen procedimientos para controlar tales riesgos. Una dificultad inherente al empleo de este tipo de agua estriba en la mezcla de aguas industriales y pluviales que son evacuadas conjuntamente a los colectores municipales, debido a que pueden contener sustancias contaminantes, difíciles de identificar y controlar. La aplicación de agua residual urbana al suelo se traduce en una mejora de las condiciones para el crecimiento vegetal, debido al aporte de nutrientes y microelementos, sin embargo si la aplicación es continuada y en grandes volúmenes se puede contribuir a la saturación del suelo, con la consiguiente modificación del medio edáfico, al pasar a condiciones anaerobias. En tal caso se favorece la salinización del suelo y se propicia que se produzcan fenómenos de oxidación incompleta y producción de sustancias que pueden ser tóxicas (Seoánez Calvo, M., 1999). En países desarrollados el regadío con este tipo de agua se limita a cultivos leñosos, sin embargo en las regiones menos desarrolladas y afectadas por la escasez, los regadíos con aguas residuales domésticas están en expansión y se aplican a todo tipo 2

1 habitante equivalente: la carga orgánica biodegradable con una demanda bioquímica de oxígeno de cinco días (DBO 5), de 60 gramos de oxígeno por día.

484

de cultivos. Debido a las mayores posibilidades de acceso al agua y del mayor incremento de la población, la cantidad de agua residual urbana constituye, en el balance general de disponibilidades, un recurso de cierta importancia. Captación de aguas de lluvias Consiste en la aplicación de una variedad de tecnologías para recoger el agua de lluvia. Este método se aplica en regiones semiáridas, con precipitaciones entre 300 y 600 mm, donde la escasez es la tónica predominante y el agua tiene un valor estratégico. Este método suele tener aplicación a superficies de reducida extensión ya que la cantidad de agua recogida es pequeña, por ello la incidencia sobre la escasez es tan solo testimonial, si bien puede contribuir a minorizar la incertidumbre meteorológica. En regiones con secular escasez de agua se emplean todos los métodos y técnicas que el ingenio es capaz de diseñar, para aprovechar cualquier cantidad de agua adicional. En el sureste español, es fácil encontrar invernaderos construidos con una cubierta especial multitúnel para recoger la máxima cantidad de agua de lluvia, minimizar la evaporación de la misma, y canalizarla hacia colectores perimetrales, desde donde se conduce a la planta de distribución del agua y de los nutrientes del cultivo. Captación de nieblas El método se basa en la forma con que la vegetación aprovecha la humedad de la niebla. Consiste en propiciar la retención de la humedad en estructuras lineales con inclinación hacia el receptáculo que almacena el agua. Se aplica en regiones donde la escasez de agua es elevada y donde las condiciones climáticas son apropiadas para la formación de niebla baja y densa. La cantidad de agua recogida es escasa por lo que el empleo del método no constituye solución definitiva para el uso del agua en el regadío. Puede ser de interés para complementar ciertas dosis de riego. Captación de avenidas En regiones áridas y semiáridas ocurren, aleatoria y estacionalmente, fuertes aguaceros que dan lugar a escorrentías de cierta importancia que, debido a la reducida magnitud de agua y al carácter ocasional, no se aprovecha y se pierde. La construcción de infraestructuras de retención de esas aguas, generalmente con alto contenido de sedimentos, no es económicamente viable, por lo que este sistema queda restringido a cultivos marginales de ciclo rápido; cualquier actuación debe llevarse a cabo y dimensionarse contando con una elevada incertidumbre meteorológica. La captación de avenidas, mediante obras de retención, se utiliza para la obtención de agua para recargar artificialmente los acuíferos; para este cometido, sería de aplicación, a las zonas mediterráneas y las islas Aguas salinizadas Cada día se utiliza más cantidad de agua salina, parcialmente desalinizada, para el riego de cultivos de elevada productividad y rentabilidad en las regiones costeras, sin embargo los costes del proceso de desalación y su dependencia energética impiden la generalización de esta técnica a la agricultura. 485

Una práctica que está logrando avances significativos consiste en la identificación o creación genética de plantas resistentes a determinadas dosis de salinidad, lo que permitiría incrementar las disponibilidades de agua o expandir la superficie regada. Se ha demostrado que es de aplicación para la creación de biomasa para forraje y producción de aceite vegetal, si bien no ha sido experimentado a gran escala. En este sentido, la biotecnología ofrece excelentes expectativas de futuro (Glenn et al., 1998). Conviene llamar la atención sobre los posibles efectos negativos que el uso de este tipo de agua puede tener en la salinización y drenaje de los suelos, así como en el deterioro de la calidad del agua dulce subterránea. Otra consecuencia indeseable, si no se adoptan las medidas preventivas pertinentes, consiste en la dispersión aérea del vapor salino por el viento, a las áreas de alrededor.

4.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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486

CAPÍTULO

XIII

Modelos para la evaluación del uso y la productividad del agua de riego

Ignacio J. Lorite Torres Luciano Mateos Íñiguez Elías Fereres Castiel

1.

Introducción: la modelación de la práctica del riego.

2.

Modelos de simulación aplicados a la agronomía del riego.

3.

Las funciones de producción en relación al agua: su utilidad como un modelo funcional. 3.1. Relaciones entre fotosíntesis y transpiración. 3.2. Rendimiento en función de la evapotranspiración. 3.3. Rendimiento en función del agua aplicada.

4.

La evaluación de la calidad del riego a distintas escalas. 4.1. Escala de cuenca o regional. 4.2. Escala de zona regable. 4.3. Escala de agrupación. 4.4. Escala de parcela.

5.

Un modelo funcional a escala de zona regable. 5.1. Balance de agua en el suelo. 5.2. Estimación del rendimiento. 5.3. Generación de calendarios de riego. 5.4. Consideraciones espaciales.

6.

Índices de calidad del riego en zonas regables.

7.

Aplicación del modelo funcional y de índices de calidad a la evaluación de una zona regable del Valle del Guadalquivir. 7.1. Descripción de la zona regable del Genil-Cabra (Córdoba). 7.2. Funciones de producción específicas para condiciones mediterráneas. 7.3. Índices de calidad del riego usados en el análisis de la zona regable del Genil-Cabra. 7.4. Resultados.

8.

Conclusiones.

9.

Referencias bibliográficas.

Anexo.

1.

INTRODUCCIÓN: LA MODELACIÓN DE LA PRÁCTICA DEL RIEGO

La práctica del riego es uno de los procesos más complejos que debe realizar el agricultor, por la multitud de factores implicados en el manejo del agua. Dicha complejidad ha hecho que el regante tienda a basarse en su experiencia y que la información técnica necesaria para optimizar los riegos tenga una difusión limitada. El empiricismo generalizado en el que se basa la práctica del riego en la actualidad, hace que se desconozca la brecha que existe entre la práctica habitual y la que podría considerarse óptima. Por tanto, es importante caracterizar las prácticas actuales y relacionarlas con las que ofrecen un manejo racional del agua de riego. Sin embargo, conocer el comportamiento de una región, cuenca, zona regable, finca o parcela en relación al riego es extraordinariamente difícil. En primer lugar, se está trabajando con un medio como es el suelo, cuya variabilidad espacial es elevada y mayor aún la complejidad de los procesos que ocurren en él. A eso hay que añadir los efectos del ambiente aéreo y del cultivo que interaccionan para determinar una demanda hídrica que debe satisfacer la capacidad de suministro del sistema suelo-raíz. La multitud de procesos relacionados con el transporte de agua desde el suelo a la atmósfera a través del cultivo, hace que sea muy difícil caracterizarlos con el detalle y profundidad necesarios. Para poder comprender y analizar todos estos procesos se recurre cada vez más al uso de modelos de simulación. Se debe tener presente que la modelación es una simplificación de la realidad, basada en los mecanismos físicos que aparecen en la naturaleza (Leenhardt et al., 1995). Actualmente, si bien es posible modelar los procesos físicos citados, el gran problema a la hora de analizar el comportamiento de una zona regable es la escasez de información sobre el medio en donde se desarrollan estos procesos. Esta ausencia de información detallada, unida a la complejidad del análisis de la misma, hace atractiva la utilización de modelos simples que expliquen cada uno de los procesos que intervienen y, posteriormente, integrarlos en una herramienta que permita simular el comportamiento de la zona. Un claro inconveniente del uso de modelos es la simplificación de los procesos (y la no inclusión de otros) lo que resta veracidad a los resultados finales, pero sin duda, la gran limitación de los modelos es la falta de información para confeccionarlos. Precisamente, en el ámbito del riego, hay carencias muy importantes referidas a la información inicial; datos fundamentales como el tipo de suelo o el consumo de agua de los usuarios son frecuentemente inaccesibles o simplemente nunca han sido caracteriza489

dos. Igualmente, muchos de los modelos son específicos para la zona estudiada y se han planteado como respuesta a problemas locales de la zona por lo que no es posible su aplicación generalizada. Pese a todas estas dificultades, la modelación constituye una herramienta imprescindible para la evaluación de la práctica del riego ya que permite determinar las necesidades actuales y futuras de una zona regable, así como la posibilidad de generar escenarios hipotéticos con distinta distribución de cultivos o distintos climas. Los modelos permiten estudiar y cuantificar todos los procesos que constituyen el comportamiento de una zona regable (balance de agua en el suelo, distribución del agua por la red de distribución, crecimiento y desarrollo de los cultivos, efecto del estrés sobre el rendimiento, estrategias de riego, etc.). El empleo de modelos de simulación aplicados a zonas regables reporta dos ventajas importantes: la primera es la posibilidad de evaluar su comportamiento de forma pormenorizada, relativa a un comportamiento ideal. En segundo lugar, los modelos permiten integrar información fragmentaria y hacer supuestos sobre escenarios hipotéticos. En efecto, es posible generar escenarios que no se pueden plasmar en la realidad tales como cambio de las condiciones climáticas, cambios en la distribución de cultivos o suelos, cambio en los hábitos de los agricultores, etc. El único modo de pronosticar cual será el comportamiento futuro de la zona regable bajo esas nuevas premisas, es mediante la modelación. La evolución de los modelos a lo largo de los últimos años ha sido muy significativa. Mientras que a finales de la década de los ochenta se utilizaban modelos hidrológicos simples y con algunas suposiciones poco operativas (Wesseling y van den Broek, 1988), en la actualidad la complejidad de los modelos se ha incrementado notablemente, principalmente desde el punto de vista hidrológico como en el caso de D’Urso et al. (1999). En estos últimos, se introducen formulaciones más complejas, como aquellas que utilizan la ecuación de Richards para cuantificar el movimiento del agua en el suelo. Numerosos autores han estudiado el comportamiento de una zona regable desde diversos puntos de vista, siendo el objetivo general del estudio incrementar el rendimiento y la eficiencia del uso del agua. Algunos autores emplean determinados índices de calidad del riego para estudiar una zona regable (Clemmens y Bos, 1990; Molden y Gates, 1990; Bos et al., 1994; Bos, 1997; Sarma y Rao, 1997). Con estos índices, se analizan las principales deficiencias, se proponen medidas para su resolución, así como su posible evolución en el tiempo y permiten la comparación entre diferentes zonas regables. Otros autores utilizan los modelos para optimizar los recursos hídricos de los que dispone una zona regable. Así buscan la distribución más eficiente, bien sea del agua disponible entre las parcelas, o del patrón de cultivos más eficiente en la superficie disponible (Kuo et al., 2000; Kipkorir et al., 2001). Recientemente, han comenzado a usarse técnicas de análisis espacial para extrapolar las observaciones puntuales sobre distintas propiedades de una zona regable. Así mismo, las observaciones a gran escala mediante teledetección empiezan a encontrar aplicaciones en la evaluación de zonas regables. Puede decirse que el empleo de Sistemas de Información Geográfica, SIG (Calixte et al., 1992; Lal et al., 1993; Hashmi et al., 1994; Knox et al., 1997; Beinroth et al., 1998; D’Urso et al.,1999; Hartkamp et al., 1999; Mateos et al., 2000; Yang et al., 2000) y el uso de técnicas de teledetección 490

(Roberts et al., 1992; Medina et al., 1998; D’Urso et al., 1999; Kite, 2000; Martín de Santa Olalla et al., 2003) empieza a ser habitual en las investigaciones más recientes, y ha posibilitado un conocimiento más preciso del comportamiento de las zonas regables.

2.

MODELOS DE SIMULACIÓN APLICADOS A LA AGRONOMÍA DEL RIEGO

Desde la década de los setenta los modelos de simulación aplicados a la agronomía se desarrollaron de manera muy importante. Surgieron dos tipos, uno esencialmente práctico que combinaba unas pocas reglas para predecir el comportamiento de los cultivos y otros que trataban de representar los procesos biológicos y fisiológicos de las plantas y su entorno (Passioura, 1996). Estos dos enfoques se corresponden con los modelos funcionales y mecanísticos definidos por Addiscott y Wagenet (1985). En general, según los fundamentos de los modelos de simulación, se pueden clasificar en mecanicistas, empíricos y funcionales (Villalobos et al., 2002). Los primeros son aquellos en los que se conoce la relación causa-efecto en todas las interacciones que aparecen en el modelo, como la relación entre tasa de fotosíntesis e intensidad de radiación a nivel de hoja o los modelos que usan la ecuación de Richards para caracterizar el flujo de agua en la zona no saturada del suelo. En los modelos empíricos o caja negra, no se conoce la relación causa-efecto y sólo se conoce la relación entre la entrada y la salida. Finalmente, los modelos funcionales describen el sistema en base a los distintos procesos relevantes, que son descritos por relaciones que van desde mecanísticas hasta totalmente empíricas. Otro modo de clasificar los modelos es el descrito por Leenhardt et al. (1995), los cuales consideraron aproximaciones por analogía, aproximaciones empíricas y aproximaciones mecanísticas. Las primeras representan procesos usando otros procesos similares. Las aproximaciones empíricas usan relaciones observadas entre los resultados y las variables de entrada sin tener en cuenta los mecanismos. Por último, las aproximaciones mecanísticas describen un proceso de acuerdo con las leyes físicas que lo controlan. Dentro del ámbito de la agronomía, los modelos de balance de agua del suelo que se han formulado para distintas aplicaciones, usan indistintamente estos tres tipos de aproximaciones siendo común una combinación de las tres aproximaciones en un mismo modelo. Las aproximaciones por analogía tratan el suelo como una colección de depósitos que se llenan por la lluvia y/o el riego y se vacían por la evapotranspiración y el drenaje. Las propiedades de cada depósito son determinadas por umbrales específicos de cada suelo considerado. El máximo almacenamiento será igual a la cantidad de agua en el suelo a capacidad de campo (CC) y el mínimo, aquella cantidad de agua en el punto de marchitez permanente (PMP). Aunque estos conceptos no son muy precisos, los modelos que emplean esta analogía son usados frecuentemente debido a su simplicidad y a la escasa cantidad de información requerida. Usando estos conceptos se puede distinguir entre modelos que consideren uno o varios depósitos. Cuando se considera un único depósito, la mayoría de los autores añaden un depósito más que controla la evaporación directa desde la superficie del suelo. En las aproximaciones mecanísticas el flujo es regulado por la existencia de gradientes de potencial del agua del suelo. La ecuación de flujo se obtiene de la ley de 491

Darcy y el principio de continuidad. Estas metodologías requieren gran cantidad de información, en especial, las relativas a las características hidráulicas del suelo. Otro ámbito donde el tipo de modelo utilizado varía es en la determinación de la evapotranspiración real de un cultivo. Se ha generalizado la utilización de modelos empíricos y funcionales basados en determinar, en primer lugar, una evapotranspiración de referencia (ETo). De los muchos métodos empleados, la ecuación de PenmanMonteith (Allen et al., 1998) es la más usada actualmente. Además de la estimación de ETo, es necesario disponer de la relación entre ETo y evapotranspiración del cultivo (ETr), denominada coeficiente de cultivo (Kc). El Kc depende del estado de desarrollo del cultivo y del contenido de agua en la superficie del suelo. En ausencia de déficit hídrico, Kc ha sido determinado empíricamente para muchos cultivos herbáceos en función del nivel de cobertura del suelo (Doorenbos y Pruitt, 1977; Fereres y Puech, 1981; Wright, 1982). La simplicidad de este método acarrea algunos inconvenientes. Dado que Kc es función del estado de desarrollo del cultivo, se requiere dividir el ciclo del cultivo en varias fases (inicial, crecimiento rápido, media y final). La duración de las fases es variable y varía según las condiciones del cultivo y ambientales. Todas las mejoras de esta metodología no resuelven el problema de la incertidumbre que se tiene sobre la duración de las fases de desarrollo y además, al emplear coeficientes de corrección empíricos, se requiere de calibración local. Para utilizar modelos más complejos, es necesario separar la ET en sus dos componentes, E y T. Los procesos físicos involucrados en la evaporación y la transpiración son diferentes y por lo tanto deben ser considerados separadamente al usar una metodología más mecanística. El reparto de la demanda evaporativa total se realiza entre Tp (transpiración de la planta) y Ep (evaporación de la zona sin cubierta). Por lo tanto el desarrollo de la planta es un factor determinante. La estructura de la cubierta vegetal (distribución y número de hojas) determina la penetración y atenuación de la radiación solar hasta la superficie del suelo, actuando la vegetación como un medio difusivo, y así, en múltiples modelos se emplea la ley de Beer-Lambert por analogía. El paso de Ep a Ereal se realiza con modelos por analogía y por métodos empíricos. Los primeros usan la ley de Darcy y la ecuación de continuidad para determinar el flujo de vapor de agua desde la superficie del suelo. Los segundos hacen el cálculo de la Ereal de forma cronológica separando dos fases claramente diferenciadas: una primera fase de evaporación constante y una segunda fase de descenso, así, Ereal = Ep si ΣEreal < u

[1]

siendo u el umbral a partir del cual comienza la segunda fase. En la segunda fase la reducción de la Ereal puede ser calculada de forma proporcional al número de días tras el último evento de lluvia (Ritchie, 1972) o en función de la Ep acumulada (Boesten y Stroosnijder, 1986). Para calcular Treal en función de Tp se utiliza el concepto de curvas de secado (similares a las empleadas para la evaporación) asociando el cociente Treal /Tp al contenido de agua en el suelo. En la mayoría de los modelos el suelo es dividido en compartimentos y las curvas de secado son aplicadas sucesivamente a cada capa. La máxima extracción también se relaciona con la densidad de raíces que contenga la capa. Esto 492

implica la necesidad de conocer la función de distribución de la densidad de las raíces en el perfil del suelo. Las aproximaciones más simples (empíricas) son aquellas que requieren menor información de partida. Sólo las metodologías mecanísticas permiten la adaptación a situaciones tales como la presencia de capa freática superficial, flujo ascendente capilar o capas impermeables. Sin embargo, el uso de modelos extremadamente complejos hace que lleguen a ser únicamente teóricos puesto que para ser usados requieren información no disponible. Así, autores como Passioura (1996) recomiendan el uso de modelos de simulación lo más simples posibles y que requieran de la menor cantidad posible de información. Igualmente es recomendable no usar modelos de simulación (por complejos que estos sean) fuera del rango en los que fueron calibrados, por ejemplo al tratar de conocer la respuesta de los cultivos con escenarios referidos al cambio global atmosférico, debido principalmente a que los procesos no son lineales y la interacción entre procesos puede generar resultados inesperados. Ejemplos de modelos funcionales en ámbitos relacionados con el riego incluyen los de Doorenbos y Pruitt (1977), Doorenbos y Kassam (1979) y Allen et al. (1998) y de modelos mecanísticos, los de Abbott et al. (1986), van Aelst et al. (1988), Williams et al. (1989) y Querner et al. (1997).

3.

LAS FUNCIONES DE PRODUCCIÓN EN RELACIÓN AL AGUA: SU UTILIDAD COMO UN MODELO FUNCIONAL

Desde principios del siglo XX, se vienen estudiando las relaciones entre la producción de los cultivos y el uso de agua. En los primeros experimentos, las plantas se cultivaban en contenedores y se determinaba por pesadas periódicas el agua transpirada. En general, estos primeros resultados llegaron a la conclusión de que los requerimientos de agua de las plantas eran proporcionales a la evaporación desde una superficie libre de agua y dependiente de la especie. Hasta la década de los 70, los efectos del estrés sobre los cultivos se determinaban experimentalmente. A partir de entonces comenzaron a estudiarse las respuestas fisiológicas en condiciones de campo y así, se determinaron los cambios en el comportamiento estomático, la fotosíntesis, respiración, translocación y reparto de asimilados como respuestas al estrés. Actualmente se conocen los mecanismos que regulan la transpiración en condiciones de estrés y las repuestas morfofisiológicas que determinan la reducción en la producción de los cultivos. Existe un consenso generalizado sobre la gran sensibilidad que tienen los procesos de crecimiento al déficit hídrico (Hsiao, 1973). En condiciones de campo se ha demostrado que una reducción del 20-50% de la reserva hídrica del suelo induce una reducción de la expansión foliar, dependiendo de la demanda evaporativa (Sadras et al., 1993). Por el contrario, los procesos de fotosíntesis y transpiración son menos sensibles y requieren que la reserva hídrica se agote hasta un 60-70% para que disminuyan sus tasas por efecto del déficit hídrico. 3.1.

RELACIONES ENTRE FOTOSÍNTESIS Y TRANSPIRACIÓN

El proceso de la fotosíntesis requiere la difusión del CO2 hacia los cloroplastos a través de los estomas. La apertura estomática necesaria para la difusión del CO2 493

implica que el vapor de agua, que está prácticamente a saturación en las cavidades subestomáticas, se difunda pasivamente hacia la atmósfera siguiendo un gradiente de presión de vapor en el proceso de transpiración (T). En este intercambio de CO2 y vapor de agua se encuentra la asociación entre los dos procesos, asociación que marca la dependencia de los procesos de producción de un cultivo respecto del suministro de agua. Las relaciones entre producción vegetal y el uso del agua se han explorado desde los comienzos del estudio de la Fisiología Vegetal. Sinclair (1994) cita a Woodward, quien en 1699 realizó uno de los primeros estudios que relacionaban el aumento de peso de plantas con el consumo de agua. Los estudios experimentales clásicos de Briggs y Shantz (1917) demostraron la asociación íntima existente entre la acumulación de biomasa (B) y las pérdidas por transpiración en numerosos cultivos. No fue hasta 1958 cuando de Wit demostró, utilizando datos experimentales de numerosos ensayos en climas diversos, que el cociente entre B y T era inversamente proporcional a la evaporación del tanque, E, parámetro que cuantificaba la demanda evaporativa de un clima determinado. La relación que de Wit (1958) encontró era del tipo: B m = T E

[2]

siendo m constante para un determinado cultivo. Al cociente B/T se le suele denominar eficiencia en el uso del agua (de Wit, 1958) o, más recientemente, eficiencia de transpiración (TE). Monteith (1993) propone como término más correcto el de fracción biomasa : agua (FBA) dado que la planta usa sólo una pequeñísima fracción del agua transpirada y que el resto se pierde, por lo que el concepto de eficiencia, normalmente aplicado en procesos de ingeniería, no debe ser de aplicación al intercambio de CO2 y vapor de agua entre las plantas y la atmósfera. Lamentablemente, el término eficiencia se viene usando indiscriminadamente tanto en Fisiología Vegetal como en la gestión del agua de riego, con las connotaciones negativas que sugieren los valores bajos de eficiencia y que no siempre se corresponden con la realidad. Por ejemplo, de acuerdo con la ecuación anterior, un clima de alta E tendrá una eficiencia (B/T) menor que otro de baja E, sin embargo, la mayor E suele asociarse con una mayor radiación solar y, por tanto, con una mayor producción. El análisis de la dependencia de la fracción B/T de factores ambientales y productivos fue realizado de una forma sistemática por Tanner y Sinclair (1983) quienes relacionaron B/T con el déficit de presión de vapor, D, por la ecuación: B k = T D

[3]

en donde k es un coeficiente definido por Tanner y Sinclair (1983) y que es función de la conversión de fotoasimilados a biomasa y de los índices de área foliar de la cubierta vegetal. 3.2.

RENDIMIENTO EN FUNCIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN

La ET es una medida del agua realmente consumida por el sistema suelo-planta (incluye la transpiración de la planta y la evaporación desde la superficie del suelo). Se 494

incluye la evaporación desde el suelo puesto que es una pérdida inevitable y porque la humedad relativa alrededor de la planta también puede afectar a la tasa de transpiración. Hay pocas dudas de que la ET es un mejor predictor del crecimiento y el rendimiento que el agua de riego aplicada (Vaux y Pruitt, 1983). Hay gran cantidad de autores que establecen la hipótesis de que la relación entre el rendimiento y la ET es lineal. Si la evapotranspiración real (ETr) es menor que la evapotranspiración máxima (ETmax), ocurre un déficit de evapotranspiración (ETd) y por tanto, el rendimiento se reduce por debajo del máximo (Ymax). Entre los numerosos trabajos que relacionan producción y ET, Stewart et al. (1976) mostró excelentes correlaciones basadas en resultados procedentes de tres experimentos con maíz, sorgo, habas y alfalfa durante una serie de años. Posteriores trabajos con algodón, habas y tomates confirmaron estos resultados y fueron publicados por Stewart et al. (1977). Estos estudios mostraron que, cuando el patrón de distribución del déficit hídrico es similar, la relación entre reducción de rendimiento y déficit de ET estacional es generalmente una línea recta. Las pendientes de estas relaciones lineales difieren de manera importante entre cultivos e incluso entre variedades, si bien son constantes para un cultivo o variedad dada. La pendiente (también llamado coeficiente de reducción de rendimiento, y en donde es el cociente entre el porcentaje de reducción de rendimiento y el porcentaje de déficit de ET) es una medida de la sensibilidad del cultivo al estrés hídrico. Stewart et al. (1976) publicaron valores de 2,34, 1,26 y 0,98 para judías, maíz y sorgo, respectivamente. Esto indica que las judías serían un 85% más sensibles a déficit de ET que el maíz, y éste, un 25% más sensible que el sorgo. Las regresiones lineales para el maíz y el sorgo utilizando datos experimentales, se comportaban de forma correcta pero también se resaltó la necesidad de tener precaución a la hora de realizar extrapolaciones con valores fuera del rango experimental de ET. Los resultados de estos experimentos fueron la base de una función de producción generalizada propuesta por Stewart et al. (1977): 1–

(

ETr Yr =β 1– ETm Ym

)

[4]

en donde Yr es el rendimiento real, ETr es la evapotranspiración real estacional, Ym es el máximo rendimiento, ETm es la máxima evapotranspiración para máximo rendimiento, y β es una constante denominada coeficiente de reducción de rendimiento. Este modelo sería el adoptado por Doorenbos y Kassam (1979) en el Manual de Riegos y Drenajes n.° 33 de FAO sobre las respuestas de la producción de los cultivos al agua. Utilizando estos principios, se han realizado modificaciones teniendo en cuenta situaciones de déficits hídricos severos, en donde la reducción de ET producida por el estrés hídrico afecta más al índice de cosecha que a la producción de biomasa al traspasarse un cierto umbral (Fereres, 1984). Fereres (1984), basándose en la constancia del valor del índice de cosecha en un amplio rango de déficits, sugiere que cuando se aplica uniformemente un déficit estacional de ETc frente a ETc max, se puede considerar que la reducción del rendimiento es proporcional a la reducción de la producción de biomasa para déficits de ET que causan reducciones de biomasa hasta del 40% de la máxima. 495

3.2.1.

Efectos del estado de desarrollo sobre las funciones de producción

Existen procesos que influyen en la formación del rendimiento que se ven afectados más negativamente por el déficit hídrico que los procesos de acumulación de biomasa. No obstante, para algunos cultivos, hay evidencia que la existencia de estrés durante ciertos estados de desarrollo podría aumentar el rendimiento o la calidad del producto cosechable; Doorenbos y Kassam (1979) mencionaron cultivos como el algodón, cártamo, soja, piña, tomate y caña de azúcar. Sin embargo, para la mayoría de los cultivos el rendimiento puede verse afectado de manera muy negativa como, por ejemplo, con déficits durante la polinización en maíz (Robins y Domingo, 1953; Denmead y Shaw, 1960). Jensen (1968) desarrolló una función de producción la cual dividía la estación de crecimiento en fases, teniendo el valor de la ET en cada fase su efecto sobre el rendimiento: Y Yp

n

=Π i=1

( ) ETr ETp

λ

i

[5]

i

en donde λi es la sensibilidad relativa del cultivo al estrés hídrico en la etapa i de crecimiento y ETp es equivalente a ETmax. Stewart usó un coeficiente diferente para cada etapa, empleando un efecto aditivo: Ya = Ym – Ym (β1 · ETD1 + β2 · ETD2 + … + βn · ETDn)

1 ETm

[6]

donde ETDi es el déficit de ET en la etapa i y ETm es la ET máxima para toda la estación. Stewart et al. (1975) encontraron evidencias de que el rendimiento del maíz era especialmente vulnerable a déficits de agua durante el periodo de polinización si no hubo déficits en la fase final del periodo vegetativo. Sin embargo, estos autores establecieron que la sensibilidad del rendimiento del maíz a déficits en el periodo de polinización era menor si había habido con anterioridad déficits hídricos. Son muchos más los ejemplos sobre estudios del efecto del estrés durante periodos concretos del ciclo de cultivos de maíz (Barret y Stogerboe, 1978), algodón (Miller y Grimes, 1967) y trigo (Schneider et al., 1969). 3.2.2.

Efectos de la frecuencia de riegos

Algunos autores (Faci y Fereres, 1980) realizaron experimentos con diferentes frecuencias de riegos pero manteniendo la cantidad total de agua aplicada. Fereres et al. (1978) mostraron que para sorgo, habas y tomates no había diferencias entre regímenes de riego cuando la ET estaba próxima al máximo. Sin embargo, con bajos valores de ET y riegos con alta frecuencia se encontraron cosechas menores que con riegos con frecuencia normal. Ello fue debido a la mayor E en los riegos de alta frecuencia ya que fueron aplicados por aspersión. El uso actual de riego por goteo subterráneo debería solventar estas diferencias y precisa ser investigado bajo condiciones de estrés. 496

3.3.

RENDIMIENTO EN FUNCIÓN DEL AGUA APLICADA

Existe evidencia de que la forma de la función que relaciona el rendimiento con el agua aplicada es convexa (a diferencia de la línea recta de la función rendimiento - ET) ya que una parte del agua aplicada no es utilizada por el cultivo. Si la eficiencia del riego fuera del 100%, es decir, toda el agua aplicada fuera usada como ET, las funciones que relacionan el rendimiento con la ET y el agua aplicada serían idénticas. De este modo, la forma convexa indica que la eficiencia del riego decrece conforme nos aproximamos a la ETmax (Stewart y Hagan, 1973). La cantidad de agua aplicada (considerando agua almacenada en el suelo antes de la siembra y lluvia) debe ser mayor que la ETmax si se pretende conseguir rendimiento máximo. La forma de la función dependerá de la uniformidad en la distribución del agua de riego (Mantovani et al., 1995).

4.

LA EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DEL RIEGO A DISTINTAS ESCALAS

La dificultad del estudio de los procesos del riego aumenta al incrementar la escala desde la parcela hasta la cuenca o región, pues se trabaja entonces en un medio extenso y heterogéneo. Así, la gran variabilidad espacial de los parámetros que definen los modelos adecuados para el estudio a esta escala hace muy difícil su determinación pormenorizada. Pese a estos inconvenientes, urge conocer ese comportamiento en todas las escalas, en especial a escalas superiores a finca, debido a la necesidad cada día más acusada de que la planificación hidrológica ayude a ahorrar agua de riego. Existen ya trabajos que abarcan cuencas hidrológicas completas (Singh et al., 1999; Kite, 2000), mientras que para otros trabajos el marco de estudio es la zona regable (Querner et al., 1997; Gilot et al., 1997; D’Urso et al., 1999; Droogers et al., 2000). Un tercer nivel es la agrupación, definida como el conjunto de parcelas servidas por una toma, y es abordado por otros autores (Lohani et al., 1993; Steiner y Keller, 1992; Yamashita y Walker, 1994a y b; Prajamwong et al., 1997). Por último, los trabajos con más detalle son aquellos que se aplican en parcelas individuales (van Aelst et al., 1988; Sanchez-Cohen et al., 1997). 4.1.

ESCALA DE CUENCA O REGIONAL

Cuanto mayor es la escala considerada, el nivel de simplificación ha de ser mayor (Leenhardt et al., 1995) y, por lo tanto, aunque los resultados a nivel global sean correctos, no tienen por qué ser válidos para cada una de las unidades que definen la cuenca o región. La aplicabilidad de modelos simples depende principalmente de la posibilidad de medida de sus parámetros. Singh et al. (1999) demostraron que se pueden obtener resultados satisfactorios en el modelado hidrológico de una zona de riego, por grande que sea ésta, si se realiza una calibración previa. Para estos autores, a la hora de la calibración, los parámetros relacionados con el suelo (retención de humedad del suelo, conductividad hidráulica saturada, etc.) son los que tienen mayor relevancia, al constatarse la alta sensibilidad del modelo a estos parámetros. 497

Desde el punto de vista de la productividad regional, Lal et al. (1993), combinaron modelos de simulación con Sistemas de Información Geográfica para, tras un proceso de simulación, determinar la estrategia de riego óptima y estrategias de manejo del cultivo. Finalmente, otros autores (Hashmi et al., 1994; Medina et al., 1998) determinaron la ET con herramientas de teledetección y SIG, a nivel regional. Todos estos estudios sobre grandes zonas indicaron que la precisión de los resultados dependía, fundamentalmente, de la heterogeneidad de la zona objeto de estudio. 4.2.

ESCALA DE ZONA REGABLE

Al modelizar las zonas regables se pueden realizar estudios más detallados que a nivel de cuenca. Los modelos empleados por norma general presentan una complejidad mayor a los del anterior apartado. En esta escala se tratan aspectos relativos al manejo del agua dentro de la zona regable. Esto hace que se incluyan modelos para simular el comportamiento del sistema de distribución o la red de drenaje (Yang et al., 2000). Además, se incluyen modelos para realizar el balance de agua en el suelo y para la simulación del sistema de acuíferos (Querner et al., 1997; Calera et al., 1999; D’Urso et al., 1999), y otros incluyen el manejo del riego realizado por el agricultor (Gilot et al., 1997). En esta escala han aparecido herramientas que facilitan la gestión de las zonas regables (Mateos et al., 2002), englobando modelos simples de balance de agua, cultivos y circulación en la red. Además del estudio del manejo del agua, en algunos casos estos modelos se utilizan para la simulación de escenarios o situaciones hipotéticas (cambios climáticos, por ejemplo), que pudiesen ocurrir en un futuro (Engel et al., 1997; Gilot et al., 1997; Droogers et al., 2000). Como en la escala de cuenca o región, el uso de técnicas de teledetección y SIG son ya habituales (Beinroth et al., 1998; Yang et al., 2000; Heinemann et al., 2002; Lorite et al., 2004a y b), siendo de gran utilidad para el estudio de relaciones espaciales y para mostrar resultados. 4.3.

ESCALA DE AGRUPACIÓN

El siguiente paso en la reducción del tamaño de la zona de estudio es la agrupación, definida como el grupo de parcelas bajo la misma toma de la red de distribución. Este ámbito ha sido estudiado con modelos específicos por varios autores (Yamashita y Walker, 1994a; Prajamwong et al., 1997) pero, aunque la escala de trabajo es mucho menor, también se han empleado modelos puramente hidrológicos como el SHE (Erlich, 1988; Lohani et al., 1993). En el proceso de calibración, Steiner y Keller (1992) y Yamashita y Walker (1994a) determinaron los parámetros a los que sus respectivos modelos resultaron más sensibles. Así, en términos generales, son las características asociadas al suelo (capacidad de almacenamiento del suelo, profundidad radicular, máximo nivel de agotamiento permisible, humedad inicial, etc.) y a la forma de realizar el riego (frecuencia, dosis y uniformidad del riego), las que tienen un mayor efecto a la hora de simular correctamente el riego en una agrupación. 498

4.4.

ESCALA DE PARCELA

El último nivel de estudio es el de parcelas individuales. Como norma general, los modelos usados para esta escala establecen un balance de agua con el que se determina un calendario de riego óptimo, o simulan el comportamiento del cultivo bajo un calendario de riego ya definido o con diferentes estrategias de riego. En esta escala se puede estudiar en profundidad algún componente del balance de agua, como realizan van Aelst et al. (1988), al estudiar el ascenso capilar en su relación con la profundidad de la capa freática. Con igual escala, Sánchez-Cohen et al. (1997) aplicaron un modelo a una parcela y estudiaron los parámetros a los que el balance de agua era más sensible. Así, al igual que con las anteriores escalas, encontraron que el contenido de agua inicial en el suelo y la profundidad del mismo, eran los factores más relevantes para el modelo.

5.

UN MODELO FUNCIONAL A ESCALA DE ZONA REGABLE

Las aplicaciones descritas en apartados anteriores, se ilustran a continuación con un modelo ensamblado para el análisis del manejo del riego en la zona regable del Genil-Cabra, Córdoba, aunque el modelo es aplicable a cualquier zona regable en donde esté disponible la información necesaria (Lorite et al., 2004a y b). El modelo está compuesto por submodelos que tratan cada componente del balance de agua y evalúan los efectos del déficit hídrico sobre los cultivos. El modelo proporciona resultados diarios de los componentes del balance de agua en el suelo para cada parcela, genera un calendario de riego económicamente óptimo (Wu, 1988) y evalúa el calendario de riegos realmente empleado en cada parcela de la zona regable. Un Sistema de Información Geográfica fue utilizado para la superposición de las parcelas con los tipos de suelo y así caracterizar las unidades elementales en donde el modelo de simulación se aplicó. A continuación, se describe el modelo y su uso en la evaluación de la zona regable. 5.1. 5.1.1.

BALANCE DE AGUA EN EL SUELO Modelo multicapa con movimiento del agua en cascada

El suelo se divide en múltiples capas y la distribución del agua se simula en intervalos de tiempo diarios (figura 13.1). Las entradas al sistema son la lluvia (LL) y el riego (R). Las salidas del sistema son la transpiración del cultivo (T), la evaporación desde el suelo (E), la escorrentía superficial (Esc) y la filtración profunda a partir de que el perfil del suelo está lleno o debidas a la falta de uniformidad de la aplicación del riego. La evaporación desde el suelo se asigna al horizonte superior del suelo. Este componente está incluido en el término de evapotranspiración y se describe en el siguiente apartado. La filtración profunda se calcula trasladando sucesivamente a cada capa inferior el exceso sobre capacidad de campo de cada capa superior. Cuando la última capa (donde 499

LL

R

E

T

Esc

Circulación entre capas T T

Capa superficial

Circulación entre capas

Capas intermedias T Zona radicular Capa más profunda

Fig 13.1.

Filtración profunda

Representación esquemática de la circulación en cascada del agua entre capas dentro de la zona radicular.

se encuentra la máxima profundidad de raíces) se llena, el exceso producido será considerado como filtración profunda, al quedar fuera del alcance de las raíces. Cualquier falta de uniformidad en los emisores provocará que sea necesario incrementar la cantidad aportada al cultivo para satisfacer los requerimientos en toda la superficie de la parcela. En este trabajo se ha considerado que el agua que llega al suelo sigue una distribución de frecuencias uniforme (Mantovani et al., 1995). 5.1.2.

Escorrentía

La escorrentía se calcula para cada lluvia diaria utilizando el método del número de curva SCS (Soil Conservation Service, 1972). Se ha incluido un ajuste para expresar los efectos de la pendiente y la humedad del suelo sobre la escorrentía (Williams, 1991). Finalmente, se asume que el riego no produce escorrentía. 5.1.3.

Absorción radicular

Como el agua absorbida por los cultivos no es uniforme en el perfil del suelo sino que depende de la densidad radicular y del contenido de agua en cada capa del suelo (Taylor, 1983), la absorción de agua por las raíces del cultivo fue calculada siguiendo a Coelho et al. (2003). 5.1.4.

Evapotranspiración de los cultivos

Los requerimientos de agua del cultivo han sido calculados siguiendo el procedimiento descrito en el Manual de Riegos y Drenajes n.° 56 de FAO (Allen et al., 1998). 500

Para el cálculo de la evapotranspiración del cultivo (ETc), se parte de la evapotranspiración de referencia diaria (ETo), que ha sido calculada usando la ecuación de PenmanMonteith empleando la información meteorológica proporcionada por la estación meteorológica del Instituto de Agricultura Sostenible (CSIC) situada en la zona. Para considerar la transpiración del cultivo se emplea el coeficiente de cultivo basal (Kcb). Además, el modelo estima el coeficiente de evaporación desde el suelo (Ke) por medio del cálculo de la energía disponible en la superficie del suelo (Allen et al., 1998): ETc = ETo · (Kcb · KS + Ke)

[7]

El modelo reduce el término ETc max (evapotranspiración sin estrés hídrico) usando un coeficiente de estrés hídrico (Ks). Este coeficiente afecta únicamente al coeficiente de cultivo basal (Kcb), al considerar los efectos del déficit hídrico en el suelo sobre la transpiración del cultivo, cuando el contenido medio de agua en la zona radicular es insuficiente para satisfacer totalmente la transpiración de la planta (Allen et al., 1998). Debido a la consideración de este factor, la evapotranspiración máxima (ETc max) es diferente a la real (ETc). 5.2.

ESTIMACIÓN DEL RENDIMIENTO

Para estimar el rendimiento, el modelo emplea el valor máximo de evapotranspiración estacional (ETc max), el valor real de evapotranspiración estacional (ETr) y el factor de respuesta del cultivo (β) basado en una función de producción lineal tal y como la describió Doorenbos y Kassam (1979). Para estrés severo, se corrigió usando una relación lineal que parte del 60% de la ETmax e intercepta al eje X en el 20% de la ETmax, valor para el que se considera que la producción es nula. Los valores de β propuestos por Doorenbos y Kassam fueron corregidos para las condiciones locales (Lorite, 2002). El valor de la evapotranspiración estacional real (ETr) se reduce debido al déficit de agua por falta de riego y por la falta de uniformidad de la aplicación. Para tener en cuenta ambos efectos, Mantovani et al. (1995) propusieron el uso de un coeficiente de déficit (Cd) definido como el cociente entre el déficit medio y la lámina requerida (Losada et al., 1990). Este cociente depende de la lámina bruta de riego estacional, de la lámina bruta requerida y del coeficiente de uniformidad. 5.3.

GENERACIÓN DE CALENDARIOS DE RIEGO

Se han analizado dos estrategias de riego: una óptima y otra real. En la estrategia óptima, el riego es aplicado en el momento adecuado para evitar que el cultivo sufra estrés y con la cantidad necesaria para que no se produzcan pérdidas de agua por filtración profunda. Adicionalmente, se han considerado prácticas de riego comunes en la zona como el recorte del riego al final del ciclo del cultivo (en algodón) o la aplicación de un primer riego anterior a la siembra (en ajo, maíz, remolacha y otros cultivos menos frecuentes). Con la estrategia real, el calendario de riegos se realiza a partir del consumo en cada parcela medido cuatro o cinco veces a lo largo de la campaña de riego. Este consumo se supone distribuido a lo largo de la campaña de riego determinando el momento más adecuado para su aplicación. Para generar esta distribución, se ha usado 501

el modelo de simulación descrito previamente, considerando las condiciones específicas de cada parcela (cultivo, fecha de siembra, propiedades del suelo, pendiente) y las condiciones climáticas (lluvia y evapotranspiración). Las prácticas de riego descritas previamente (corte del riego al final del ciclo y riego de presiembra) también han sido consideradas en este caso. 5.4.

CONSIDERACIONES ESPACIALES

Como es habitual encontrar diferentes tipos de suelos dentro de la misma parcela, a la hora de la simulación surgen unidades distintas dentro de cada campo. Tanto para el almacenamiento como para la realización de este análisis espacial se han empleado los SIG, ARC/INFO y ARC/VIEW. Una vez definidas estas unidades, el modelo de simulación se aplica a cada una de ellas. Los resultados obtenidos son agregados considerando cada una de las unidades que componen cada parcela, ponderado por la superficie de cada unidad. Esta agregación es necesaria debido a que los consumos realizados por cada agricultor han sido obtenidos para cada parcela real. Una vez realizada esta agregación se vuelve a utilizar ARC/VIEW para la realización del análisis espacial.

6.

ÍNDICES DE CALIDAD DEL RIEGO EN ZONAS REGABLES

La definición de indicadores de calidad del riego ha facilitado el análisis del funcionamiento de zonas regables en términos de adecuación (reparto del agua requerida), eficiencia (pérdidas de agua en canales, acequias y durante la aplicación del agua), fiabilidad (uniformidad y seguridad del reparto a lo largo del tiempo) y equidad (reparto del agua de forma justa o uniformidad espacial del reparto de agua) (Molden y Gates, 1990). Bos (1997) propuso dividir estos y otros indicadores en grupos, según el aspecto que reflejen. Así, hay indicadores relativos al balance de agua, a la sustentabilidad ambiental, indicadores de mantenimiento, de tipo económico, social y medioambiental. Malano y Burton (2001) definieron tres categorías de indicadores. En la primera se incluyen los relacionados con el funcionamiento del servicio de distribución como son la cantidad de riego aportada por superficie, el aporte relativo anual de riego, el aporte relativo anual de agua, la eficiencia en su distribución, la capacidad de distribución del agua en la red o la seguridad en el suministro. También en esta categoría se incluyen indicadores financieros como son el coste de mantenimiento, manejo y operación de la red o del m3 de agua de riego en relación con los costes de los regantes, o el número de empleados en la comunidad por superficie regada. La segunda categoría recoge indicadores referidos a la eficiencia de la producción e incluye algunos como el valor de la producción por superficie, por volumen de riego empleado, por volumen de agua distribuido o por el volumen de agua usado. La última categoría recoge aspectos ambientales y contiene indicadores referidos a la calidad del agua de riego, como es el caso de la salinidad o de cambios en la profundidad de la capa freática. La utilización de varios de estos indicadores, entre ellos los relativos al balance de agua, algunos sobre sustentabilidad ambiental o algunos de tipo económico, requiere 502

conocer distintos componentes de aquel balance. Para la obtención de estos componentes, algunos autores emplean modelos simples que usan los aportes de agua como «inputs», estiman las necesidades reales de los cultivos y deducen el drenaje y la escorrentía como residuo del balance de agua. Con esta información y con la registrada por la comunidad de regantes (aportes en cabecera, consumos facturados de cada parcela, etc.) se obtienen algunos de los índices referidos en la bibliografía. En el momento de redactar este epígrafe, ya existe experiencia en España de llevar a cabo algunos análisis utilizando indicadores de calidad del riego (Dechmi et al., 1999; Dechmi et al., 2003). En estos trabajos se ha definido un índice de calidad de riego para cuantificar el aplicado frente a las necesidades del cultivo. Se encontró que los agricultores sometían a los cultivos a un nivel de estrés considerable y variable en el tiempo. Estos resultados se obtuvieron en una zona regable del valle del Ebro durante tres campañas de riego no consecutivas. También otros autores (Sarma y Rao, 1997; Dechmi et al., 1999; Droogers et al., 2000; Lorite et al., 2004b) han estudiado la variación temporal de estos índices. Sarma y Rao (1997) observaron que una mejora en la gestión del agua trajo consigo un incremento en la producción de los cultivos por unidad de agua aplicada. En el apartado 7.3 se describen los indicadores elegidos para caracterizar el manejo del riego en una zona regable en Andalucía. La elección de los indicadores se ha realizado en función de las características propias de la zona con relación al sistema de distribución, método de riego y modo de suministro.

7.

7.1.

APLICACIÓN DEL MODELO FUNCIONAL Y DE ÍNDICES DE CALIDAD A LA EVALUACIÓN DE UNA ZONA REGABLE DEL VALLE DEL GUADALQUIVIR DESCRIPCIÓN DE LA ZONA REGABLE DEL GENIL-CABRA (CÓRDOBA)

El área de estudio está localizada cerca de Santaella (4° 51’ W, 37° 31’ N) provincia de Córdoba, comprende 6.990 ha y comenzó a funcionar en 1990, proporcionando un completo abastecimiento de agua desde 1995. El clima es Mediterráneo Continental con una precipitación media anual de 606 mm y un verano seco. La temperatura media del aire varía desde 10° C en invierno a más de 27° C en verano. Los suelos predominantes de la zona son Cromic Haploxererts y Typic Xerorthent. El área se sirve por un moderno sistema con distribución a presión que permite flexibilidad de frecuencia, caudal y duración del riego. Aproximadamente 2.600 ha de las zonas bajas son regadas desde una red que obtiene la presión gracias a la diferencia de cota, mientras que el resto consigue la presión por medio de una central de bombeo. El tamaño medio de las parcelas es 8,4 ha pero más del 90% de las parcelas tienen una superficie inferior a 20 ha. Se han analizado cuatro campañas de riego. Los cultivos más frecuentes han sido los cereales de invierno, girasol y algodón, que ocupaban aproximadamente el 503

27%, 18% y 16% de la zona regada respectivamente. Otros cultivos también presentes en la zona son ajo, olivar, remolacha, habas, maíz, espárragos y otros cultivos hortícolas. La tabla 13.1 presenta la información sobre el área cultivada cada año estudiado. Tabla 13.1. Área cultivada de cada uno de los cultivos más frecuentes en la zona a lo largo de los cuatro años estudiados 1996/97

Cereales Inv. Girasol Algodón Ajo Olivar Remolacha Habas Maíz Espárrago Otros Superficie total cultivada

7.2.

1997/98

1998/99

1999/2000

Área (ha)

%

Área (ha)

%

Área (ha)

%

Área (ha)

%

1.805 1.133 1.120 839 535 230 193 96 82 141 6.174

29,2 18,4 18,1 13,6 8,7 3,7 3,1 1,6 1,3 2,3

1.829 1.603 988 647 599 231 53 255 105 122 6.432

28,4 24,9 15,4 10,1 9,3 3,6 0,8 4,0 1,6 1,9

1.954 874 1.164 933 609 366 405 192 149 190 6.836

28,6 12.8 17,0 13,7 8,9 5,4 5,9 2,8 2,2 2,8

1.559 1.342 907 1.036 656 680 224 146 188 224 6.962

22,4 19,3 13,0 14,9 9,4 9,8 3,2 2,1 2,7 3,3

FUNCIONES DE PRODUCCIÓN ESPECÍFICAS PARA CONDICIONES MEDITERRÁNEAS

Tradicionalmente se han empleado los valores de la función de Stewart recomendados en el Manual de Riegos y Drenajes n.° 33 de FAO (Doorenbos y Kassam, 1979). Sin embargo, estos valores pueden diferir de la realidad bajo condiciones de estrés grave, por lo que se prefirió usar valores obtenidos localmente o nuestras percepciones personales después de años de experiencia. Tanto los valores de Doorenbos y Kassam (1979), como los aquí usados se muestran en la tabla 13.2. Tabla 13.2. Valores de β según FAO (Doorenbos y Kassam, 1979) y valores usados en las condiciones del Valle del Guadalquivir β (Santaella)

Ajo Algodón Cereales Inv. Girasol Habas Maíz Olivo Remolacha Patata Sorgo

504

1,00 0,85 1,05 1,20 0,85 1,25 0,85 1,10 1,30 1,00

β (FAO)

– 0,85 1,05 0,95 1,15 1,25 – 1,00 1,10 0,90

7.3. 7.3.1.

ÍNDICES DE CALIDAD DEL RIEGO USADOS EN EL ANÁLISIS DE LA ZONA REGABLE DEL GENIL-CABRA Aporte relativo anual de riego y aporte relativo anual de agua

El aporte relativo anual de riego (ARAR) y el aporte relativo anual de agua (ARAA) los definieron Malano y Burton (2001). ARAR =

Volumen anual de riego aportado Volumen anual de riego demandado por el cultivo

[8]

ARAR =

Volumen anual de agua aportada Volumen anual de riego demandada por el cultivo

[9]

y,

El ARAR relaciona el volumen de agua distribuido para riego a los usuarios durante la campaña de riego con el volumen de agua de riego necesario para evitar un estrés indeseable a lo largo del ciclo de crecimiento del cultivo. El ARAR relaciona el volumen total de agua aportado para riego más la lluvia con el volumen de agua demandado por el cultivo (riego necesario para evitar estrés indeseable más lluvia). 7.3.2.

Índice de producción

Otro índice de calidad del riego analizado ha sido el índice de producción, IP definido por Bos et al. (1994) como, IP =

Cosecha obtenida en las condiciones reales Cosecha máxima pretendida

[10]

El índice de producción relaciona la producción real, estimada con el modelo, en relación a la máxima alcanzable por el cultivo. Esto implica que factores ajenos al riego como la fertilización, plagas o enfermedades no se consideran en el cálculo del índice. 7.3.3.

Productividad del agua y productividad del agua de riego

La productividad del agua (PA) se ha definido como la producción por unidad de riego aplicado (Malano y Burton, 2001): PA =

Valor anual de la producción agrícola (€/m3) Volumen anual de agua de riego empleada

[11]

En el numerador se encuentra el valor total de la producción agrícola y en el denominador el agua empleada por el agricultor para el riego. Para el cálculo de la producción se ha requerido conocer la producción máxima del cultivo sin limitaciones de agua y el precio de la cosecha en los mercados locales. 505

La productividad del agua de riego (PAR) es un indicador definido por Bos (1997) como cosecha por unidad de agua aplicada. PAR =

Incremento en el valor de la producción agrícola debido al riego Volumen anual de riego aplicado

(€/m3) [12]

Este indicador requiere conocer el valor de la diferencia entre el rendimiento del cultivo en las condiciones actuales de riego y el rendimiento en condiciones de secano. El primero resulta del modelo de simulación y el segundo de consultas a expertos locales. Adicionalmente, y al igual que para el índice PA, se requieren los precios de la cosecha final en los mercados locales. 7.4. 7.4.1.

RESULTADOS Riego aplicado en ZRGC

El consumo de agua total en ZRGC osciló de manera importante según la campaña de riegos (tabla 13.3), siendo en la campaña más seca (1998/99) cuando el consumo fue mayor. Al estudiar este consumo por parcela, es común encontrar parcelas en las que el agricultor ha cultivado dos o más cultivos. El área de cada cultivo es conocida; sin embargo, la distribución del agua entre los cultivos realizada por el agricultor es desconocida. Para poder hacer un análisis por cultivos se han analizado previamente las parcelas en las que únicamente se ha utilizado un cultivo. De estas parcelas se ha extraído el consumo medio para cada cultivo y campaña (tabla 13.3). Esta información se ha utilizado para redistribuir el agua consumida entre todos los cultivos de las parcelas en las que hay más de un cultivo. 7.4.2.

Comparación de resultados a escala de parcela y de zona regable

El análisis de la calidad de la gestión del riego se realiza a menudo aplicando modelos de balance de agua que generan indicadores basados en valores medios para toda la zona regable (Kloezen y Garcés-Restrepo, 1998; Model et al., 1998; Burt y Styles, 1999). Sin embargo, este procedimiento puede no reflejar las prácticas reales de riego puesto que no se considera el grado de variación del manejo del riego entre los agricultores (Lorite et al., 2004b). La existencia de una gran variabilidad en el manejo del riego por parte de los agricultores indica un substancial potencial de mejora, incluso si los valores medios de los indicadores son aceptables. Los resultados globales para toda la zona regable y para los cinco índices de calidad del riego, en las cuatro campañas estudiadas, se muestran en la tabla 13.4 y los mismos cinco índices para cada cultivo en parcelas con un único cultivo se recogen en el anexo a este capítulo, tablas 13.5, 13.6 y 13.7, y se discuten en los apartados siguientes. 506

Tabla 13.3. Consumo total de agua en ZRGC (en hm3), consumo medio (en mm) realizado por los agricultores y, entre paréntesis, el coeficiente de variación para cada cultivo y campaña

Consumo total Algodón Ajo Remolacha Maíz Cereales Inv. Girasol Olivo

7.4.3.

1996/97

1997/98

1998/99

1999/2000

16,1 446 (0,33) 333 (0,42) 297 (0,48) 448 (0,37) 92 (0,68) 74 (1,32) 132 (0,74)

14,1 440 (0,42) 181 (0,34) 399 (0,30) 501 (0,32) 89 (0,87) 61 (1,20) 122 (0,88)

29,4 740 (0,33) 461 (0,43) 709 (0,19) 713 (0,37) 226 (0,67) 221 (0,88) 252 (0,74)

17,6 585 (0,35) 192 (0,25) 421 (0,58) 545 (0,57) 96 (0,78) 82 (1,34) 131 (0,77)

Aporte relativo anual de riego

El valor medio de la zona regable fue menor que 1, oscilando entre 0,45 y 0,64, lo cual indica que globalmente el riego es deficitario (tabla 13.4). El ARAR fue en la campaña seca (1998/99) 0,19 puntos superior al ARAR de las campañas lluviosas (1996/97 y 1997/98), indicando que el agricultor sobreestima la contribución de la lluvia a las necesidades de agua de los cultivos. Tabla 13.4. Valores medios (coeficiente de variación entre paréntesis) de los cinco índices de calidad del riego para la zona regable del Genil-Cabra

ARAR ARAA IP PA (€/m3) PAR (€/m3)

1996/97

1997/98

1998/99

1999/2000

0,45 (0,87) 0,80 (0,17) 0,74 (0,28) 1,36 (1,01) 0,67 (1,15)

0,49 (0,83) 0,87 (0,13) 0,82 (0,18) 1,99 (1,20) 0,56 (1,21)

0,64 (0,61) 0,72 (0,43) 0,72 (0,44) 0,72 (1,17) 0,72 (1,17)

0,57 (0,73) 0,82 (0,23) 0,83 (0,29) 1,62 (0,91) 0,58 (1,41)

Los valores medios de ARAR en ZRGC son inferiores a los publicados para diferentes zonas regables distribuidas por todo el mundo (Kloezen y Garcés-Restrepo, 1998; Molden et al., 1998; Burt y Styles, 1999) con ambiente y condiciones socioeconómicas distintas a las de España y sólo ligeramente inferiores a los publicados para zonas geográficamente más cercanas a ZRGC, como la comunidad de regantes de la Loma de Quinto de Ebro en Zaragoza (Dechmi et al., 1999). La observación del mapa 507

13.1 permite detectar cierta estructura espacial en la distribución del índice ARAR. La parte oeste (cercana al núcleo de población de La Montiela) y las partes cercanas al arroyo Salado y al río Cabra, que circundan la zona regable, muestran un ARAR superior a la parte central de la zona regable. Esta diferenciación se debe probablemente a que en la periferia se encuentran gran cantidad de explotaciones familiares de tamaño reducido dedicadas a algodón y hortalizas, y con tradición de riego más antigua que en el centro de la zona donde predominan parcelas de mayor tamaño, y cereales de invierno, girasol u olivar, cultivos que reducen el valor medio del índice como se discute más adelante. Todas estas observaciones son especialmente patentes en las dos primeras campañas estudiadas (ver mapa 13.1), en donde el riego fue especialmente deficitario. En la última campaña estudiada se apreció un incremento del índice en las parcelas de mayor tamaño al incrementarse el cultivo del ajo.

0 - 0,5 0,5 - 0,8 0,8 - 1,2 1,2 - 2,0 + 2,0 Sin cultivo/Doble cosecha

Mapa 13.1.

Distribución del índice ARAR para la campaña 1996/97.

Del examen de los valores del ARAR por cultivos (anexo, tabla 13.5) se deduce que es posible distinguir dos grupos de cultivos (se ignoran los cultivos con poca superficie, que no exceden el 5-10% de la superficie total): • Grupo 1: remolacha, ajo, maíz y algodón. • Grupo 2: girasol, cereales de invierno y olivar. El primer grupo incluye cultivos de regadío, introducidos en la zona con la puesta en riego. El segundo grupo incluye los cultivos tradicionales de secano. La distinción 508

de los dos grupos se basó en un análisis estadístico. El ARAR medio ponderado por la superficie de los cultivos del Grupo 1 es superior al de los cultivos del Grupo 2 (tabla 13.3). Así, un cultivo característico del Grupo 1 como es el algodón, presenta valores medios ponderados que oscilan entre 0,7 y 0,75 (en las campañas más lluviosas) y 0,87 en la campaña seca, mientras que el ARAR de un cultivo característico del Grupo 2 como el girasol, muestra valores que varían entre 0,22 y 0,34. Por otro lado, las frecuencias de ocurrencia (figura 13.2) y las curvas de distribución de frecuencias (no mostradas) muestran un desplazamiento a la derecha del valor más frecuente y de las curvas de distribución del ARAR de los cultivos del Grupo 1 (hacia valores más altos), mientras que el valor más frecuente y las curvas del Grupo 2 están muy próximas al origen.

N (%)

N (%)

Algodón 20 10 0 N (%)

N (%)

Ajo 20 10 0 N (%)

N (%)

Remolacha 20 10 0

Girasol

Cereales de invierno

Olivar

+2 1,9 81, 1,7 61, 1,5 41, 1,3 21, 0,9 01, 0,9 80, 0,7 60, 0,5 40, 0,3 20, 0,1 00,

+2 1,9 81, 1,7 61, 1,5 41, 1,3 21, 1,1 01, 0,9 80, 0,7 60, 0,5 40, 0,3 20, 0,1 0 0,

ARAR

50 40 30 20 10 0 50 40 30 20 10 0 50 40 30 20 10 0

ARAR

Fig. 13.2. Distribución de frecuencias de ARAR dentro de la zona regable. A la izquierda se presentan los cultivos del Grupo 1 (algodón, ajo y remolacha) y a la derecha los del Grupo 2 (girasol, cereales de invierno y olivar).

El coeficiente de variación (CV) fue menor en el Grupo 1. Otra característica diferenciadora de ambos grupos de cultivos fue que el CV en los cultivos del Grupo 1 tomó valores entre 0,35 y 0,42, mientras que el del Grupo 2 varió entre 0,76 y 1,20, ocurriendo los valores menores en la campaña seca. Esta mayor variabilidad en los cultivos del Grupo 2, en un índice similar a ARAR, también fue encontrada por Faci et al. (2000) en la zona regable de Almudévar (Huesca). El porcentaje de parcelas donde el ARAR está entre 0,8 y 1,2 fue superior en los cultivos del Grupo 1 que en los cultivos del Grupo 2. Así, en el algodón estuvo entre el 37% (en 1997/98) y el 60% (en 1998/99), mientras que en girasol varió del 2% (en 509

1999/2000) al 12% (en 1996/97). El riego excesivo con seguridad para el algodón osciló entre el 10% de las parcelas para la campaña seca y el 17% en las campañas húmedas. Sin embargo, para el girasol el riego excesivo osciló ente el 0% (en la campaña seca) y el 5% de las parcelas (en las campañas húmedas). Por otro lado, el riego deficitario con seguridad en algodón ocurrió en el 23% de las parcelas para la campaña seca y en el 45% de las parcelas para las campañas húmedas, frente a lo ocurrido con el girasol que osciló entre el 86% y el 97% de las parcelas. La principal conclusión es que, aunque los valores medios del índice ARAR indiquen que la cantidad de agua aplicada en la zona es la correcta, la distribución individualizada del índice muestra diferencias importantes en la cantidad de riego aplicada por los agricultores, entre los que sólo una fracción alrededor del 50% aportan dotaciones cercanas a la correcta en el Grupo 1 e inferiores al 20% para los cultivos del Grupo 2. Esta gran variabilidad en el comportamiento de los agricultores es la debilidad de la gestión del riego en la zona si se tiene en cuenta que sus características (moderno sistema de riego, apoyo en cuestiones relacionadas con el riego por parte del gerente, etc.) deberían conllevar uniformidad en la gestión del agua llevada a cabo por los agricultores. 7.4.4.

Aporte relativo anual de agua e índice de producción

Los índices ARAA e IP presentan un comportamiento similar debido a que ambos están estrechamente relacionados (anexo, tabla 13.6, 13.2). Se observa que las campañas 1997/98 (debido a la alta pluviosidad) y 1999/2000 (debido a la pluviosidad y al aporte de riego) presentan valores de los índices mayores, mientras que en el año 1998/99 el valor de los índices es menor debido a la baja pluviosidad, no compensada suficientemente con el incremento de riego aportado. Los valores medios de ARAA e IP muestran menores variaciones que el ARAR a lo largo de las cuatro campañas de riego (anexo, tablas 13.5 y 13.6). ARAA varió entre 0,87 (en 1997/98) y 0,72 (en 1998/99), mientras que IP varió en esos años entre 0,82 y 0,72. Comparando los resultados de ARAA con los publicados para otras zonas regables (Kloezen y Garcés-Restrepo, 1998; Molden et al., 1998; Burt y Styles, 1999) solamente una zona presentó valores menores que el área estudiada. Sin embargo, las condiciones económicas y sociales son demasiado diferentes para realizar una correcta comparación. Analizando los valores medios por cultivos (anexo, tabla 13.6) y las curvas de distribución de frecuencias (no mostradas) tanto en ARAA como en IP, siguen siendo válidos los grupos de cultivos definidos anteriormente para el índice ARAR, aunque la lluvia aparece como un factor homogeneizador y por este motivo las diferencias entre cultivos son menores al analizar los índices ARAA e IP, especialmente en los años lluviosos. Se ha realizado un análisis interestacional comprobando que la evolución de ambos índices depende del tipo de cultivo. Así, las diferencias en el Grupo 1 son pequeñas, mientras que los cultivos del Grupo 2 muestran diferencias muy significativas entre años puesto que el riego no compensa la ausencia de lluvias a diferencia de lo ocurrido en los cultivos del Grupo 1. Además, se ha encontrado en ambos índices un desplaza510

miento en las curvas hacia la izquierda (valores menores) cuanto más seco ha sido el año, especialmente en los cultivos del Grupo 2. Los cultivos del Grupo 1 presentan un manejo del riego más apropiado que los del Grupo 2 aunque este hecho no implique que haya un manejo del riego óptimo, pues puede haber pérdidas de agua por filtración profunda. De este modo, para los cultivos del Grupo 1, aunque la lluvia fue escasa, los índices ARAA e IP no cayeron en la campaña seca. Los cultivos del Grupo 2 presentaron los menores valores de ARAA e IP en el año seco, pese a que en este año estos cultivos tienen los valores mayores de ARAR. En la campaña seca el agricultor trata de compensar el estrés hídrico incrementando el agua aplicada (ver ARAR), sin embargo, en los cultivos del Grupo 2 el incremento no es suficiente para compensar la falta de lluvia y ARAA e IP caen. La variabilidad de los índices ARAA e IP es diferente dependiendo de la campaña de riego. Los índices muestran muy baja variabilidad en las campañas lluviosas incrementándose de forma importante en las campañas secas, debido al papel de la lluvia como amortiguador de los índices. En la campaña seca la alta variabilidad del índice ARAR influye sobre la variabilidad de los índices ARAA e IP debido a que estos apenas son alterados por la escasa lluvia. En cultivos en donde la cantidad de agua aportada es próxima a la óptima, el incremento en la variabilidad es menor mientras que en cultivos infraregados el incremento es grande. 7.4.5.

Productividad del agua y productividad del agua de riego

La productividad del agua es claramente dependiente de las condiciones climáticas y del manejo del riego llevado a cabo por el agricultor. El descenso de la productividad en el año seco es debido a un descenso en la producción del cultivo en este año (ver índice IP) y a un incremento en la cantidad de riego aplicada. La reducción de la producción en el año seco depende del cultivo, así, para el algodón los descensos en la producción fueron muy escasos, mientras que para el girasol en las campañas secas se produjeron descensos de hasta el 66% frente a las campañas lluviosas. Sin embargo, el incremento en el riego aplicado en el año seco es muy importante llegando a incrementarse más del 100% en algunos cultivos (especialmente pertenecientes al Grupo 2) frente a las campañas lluviosas. Con los valores medios obtenidos (tabla 13.4) es fácil hacer comparaciones con los índices encontrados en otras zonas. De entre un gran número de zonas regables localizadas en Andalucía (Corominas, 2000), sólo un 10% de éstas presentan valores de productividad de agua mayores que los encontrados en la zona regable del Genil-Cabra, debido a la existencia de cultivos con alta productividad del agua como olivar o ajo y al reducido consumo de agua en la ZRGC. Previsiblemente las zonas que superan a la ZRGC engloban gran cantidad de cultivos hortícolas. Los valores de PA observados en ZRGC son muy altos en relación a los publicados anteriormente en diferentes partes del mundo (Molden et al., 1998; Burt y Styles, 1999). Una causa es la predominancia de cultivos de invierno y primavera cuyos requerimientos de riego son bajos, como son el caso de cereales de invierno. En otros casos como la remolacha, algodón y olivar los subsidios contribuyen a altos valores de PA. Es destacable que el ajo, cultivo con más alto PA, no está subsidiado. Esto ocurre puesto que combina un alto valor del cultivo con un bajo nivel de requerimientos de riego, tal que 2/3 de los requerimientos de agua son suministrados por la lluvia (Villa511

lobos et al., 2004). Cultivos de verano como el maíz tienen bajo PA debido a los bajos precios y los altos requerimientos de riego. El índice PAR no presenta variaciones importantes a lo largo de las cuatro campañas de riego, debido a que la producción del cultivo en condiciones de secano homogeneiza su evolución a lo largo de éstas: si el año es seco se produce un incremento en la producción al pasar de secano a regadío y también se incrementa el riego; si el año es lluvioso, el incremento de producción de secano a regadío es escaso pero el aporte de riego también lo es. La variación interestacional ha sido también analizada para los índices PA y PAR. En el índice PA se ha observado que el valor medio cae cuando el año es seco (1,99 €/m3 vs. 0,72 €/m3 en el año seco). El valor mínimo aparece en la campaña 1998/99 (tabla 13.3) debido a la caída en el rendimiento de los cultivos (ver índice IP) y al incremento simultáneo del riego aportado. Sin embargo, con el índice PAR estas diferencias a lo largo de las campañas de riego no son apreciadas debido a la existencia de otros factores que homogeneizan el valor del índice. El factor principal que evita grandes diferencias entre años a pesar de registrarse diferente pluviosidad es la inclusión de la producción en condiciones de secano. De este modo, el índice PAR osciló entre 0,56 €/m3 (campaña 97/98) y 0,72 €/m3 (campaña 96/97). Con el análisis de la productividad del agua de riego para cada cultivo se logra determinar los cultivos en los cuales un aporte adicional de agua implicaría un mayor incremento en los ingresos brutos. Ajos, olivar, remolacha y algodón, considerando únicamente los cultivos más frecuentes en la zona, son los cultivos con mayores valores de PAR, mientras que cereales de invierno, girasol y maíz han presentado los valores más bajos. 7.4.6.

Combinación de indicadores para la mejora de la calidad del riego

Con el uso de tres índices de calidad del riego es posible analizar el manejo del agua en una zona regable e identificar vías que contribuyan a la mejora en el uso del agua. La figura 13.3a muestra la correlación entre ARAR e IP para los distintos cultivos. Un valor alto de ARAR (superior a 1) junto a un valor elevado de IP indicaría un riego excesivo (caso de la remolacha en las tres últimas campañas), mientras que un bajo valor de ARAR y un alto valor de IP indicaría que se está realizando un riego insuficiente pero bien distribuido. Valores de ARAR alrededor de 1, con bajo IP indicarían que la cantidad total de agua es apropiada pero no el momento de aplicación. Si la cantidad de agua disponible es insuficiente para abastecer a todos los cultivos de la zona, es necesario elegir en qué cultivos es más productivo aplicar el agua, para lo cual se incluyó la productividad del agua de riego para un cultivo o zona regable (figura 13.3b). Los cultivos localizados en la zona superior del esquema son los cultivos en los cuales el agua es más productiva, por lo que un incremento en el agua aplicada a estos implicaría un mayor incremento en la productividad económica del agua. Valores de ARAR altos con PAR muy baja (maíz) indica que puede ser conveniente una reducción del riego aportado. Una alta productividad del agua de riego no implica necesariamente que convenga un incremento en el riego aplicado puesto que es necesario comprobar el valor del 512

índice ARAR. Si este valor es mayor que uno, la aportación del riego es excesiva y se pueden estar produciendo pérdidas de agua por filtración profunda. Por lo tanto, un incremento en el riego aplicado no sería apropiado a pesar de que el agua aplicada al cultivo tenga una alta productividad. La distancia desde donde se sitúa el cultivo o zona regable hasta el punto donde ARAR vale 1 indica el margen para incrementar el agua aplicada sin que se exceda la cantidad óptima. Como se puede ver en la figura 13.3, es importante considerar la variabilidad del índice dentro de la zona, como anteriormente ha sido estudiado, que podría causar importantes distorsiones entre el valor medio y el valor individual en cada parcela. Ajo

1

Algodón

Remolacha Olivar

0,8

IP

Girasol

ZR

0,6

Maíz

Cereal I 0,4 0,2 0 0

0 ,2

0,4

0 ,6

0,8

1

1,2

1

1,2

ARAR 2,5 Aj o

3

PAR (€/m )

2

1,5

1 Olivar

Remolacha ZR

Cereal I

0,5

Algodón Girasol

Maíz

0 0

0 ,2

0,4

0,6

0,8

ARAR Fig. 13.3. Posicionamiento de cada cultivo y de la zona regable usando índices de calidad del riego para la campaña de riegos 1996/97. a) comparación entre IP y ARAR, b) comparación entre PAR y ARAR.

513

Usando esta metodología se ha obtenido información útil acerca de la zona regable estudiada. Así, empleando valores promedio de los índices, el olivar y el ajo son cultivos en los cuales un incremento en el agua aplicada podría ser recomendable debido a que presentan valores bajos de ARAR y altos de PAR. Sin embargo, cultivos como el algodón están próximos a un manejo eficiente del riego y un incremento en la cantidad de agua aportada no implicaría un incremento en el rendimiento del cultivo. Pese a estas consideraciones, y como se vio en la figura 13.3, hay una cantidad relativamente importante de agricultores para los cuales estas recomendaciones no son válidas, y en los que a pesar de usar cultivos del Grupo 1 es necesario que incrementen o reduzcan la cantidad de riego aplicada. Cultivos como los cereales de invierno o el girasol, a pesar de sus bajos niveles de aplicación de agua (ver ARAR), no requieren incrementos de riego debido a la baja productividad del agua cuando es aplicada a estos cultivos (figura 13.3). Si se llegara a aplicar el riego, el riego en los cereales de invierno sería más productivo que en el girasol, según los precios actuales. Las tendencias en el manejo del riego por los agricultores siguen pautas parecidas a las que se deducen de la figura 13.3. Así, los cultivos en los cuales el agua tiene una mayor productividad son regados más abundantemente que los que tienen una baja PAR. Además, las subvenciones para cereales de invierno procedentes de la PAC probablemente han conducido a que el riego sea sólo de apoyo. A la figura 13.3b se le puede incluir un umbral el cual incluya el coste del agua y el de la aplicación del riego. En la zona regable estudiada, el coste del agua varía entre 0,016 y 0,02 €/m3 y el coste de aplicación ha sido de 27,13 € por hectárea y riego. Con esta información, en esta zona se ha definido un umbral de rentabilidad situada en torno a 0,05 €/m3. Si la PAR de algún cultivo o zona estuviera situado bajo este umbral, la aplicación del riego no sería rentable. El valor de este umbral no es traspasado por ningún cultivo en ninguna de las campañas estudiadas, si bien los valores de PAR del girasol, especialmente en la campaña 1998/1999 están muy próximos a dicho umbral. Estudiando estas relaciones entre índices a lo largo de los cuatro años analizados, se comprueba que los cultivos con alto valor de PAR son siempre los mismos e igual ocurre con los que presentan los valores más bajos. La caída de PAR en el cultivo del ajo se ha debido fundamentalmente a una caída de los precios en las dos últimas campañas de riego, especialmente en la 1999/2000.

8.

CONCLUSIONES

Los modelos de simulación, junto con los Sistemas de Información Geográfica y la teledetección, son en la actualidad y probablemente más en un futuro próximo, herramientas de gran utilidad en la evaluación y mejora de la gestión del riego en zonas regables. Para analizar la zona regable del Genil-Cabra se han empleado un modelo de simulación y un SIG que han permitido la evaluación de la zona por medio de índices de calidad del riego. El índice clave que determina la calidad del riego es el aporte relativo anual de riego (ARAR), que osciló entre 0,45 y 0,64 a lo largo de las cuatro campa514

ñas analizadas, lo que indica que el riego en la zona regable es claramente deficitario. Sin embargo, el análisis de la zona no estará completo si no se miran otros índices. Una característica interesante en el manejo del agua en la zona regable del GenilCabra es el ajuste por parte del agricultor a las restricciones impuestas por la climatología. Así, cuando la precipitación anual es escasa, los agricultores ajustan el agua aplicada a las condiciones climáticas, incrementando el valor de ARAR. Cuando la campaña es húmeda, el valor de ARAR se reduce, al sobrestimar la contribución de la lluvia para suplir las necesidades de los cultivos. Sin embargo, se ha determinado que el incremento en el riego en los años secos no es suficiente y los rendimientos se resienten. Al estudiar el manejo del riego por parte de los agricultores han aparecido dos grupos de cultivos: El primero lo componen el algodón, el ajo, el maíz y la remolacha, mientras que en el segundo grupo se incluyen cultivos como los cereales de invierno, el girasol y el olivar. En el primer caso, el índice ARAR está alrededor de 1 siendo su variabilidad relativamente pequeña, sin embargo, para el segundo grupo los valores de ARAR son mucho menores y la variabilidad entre agricultores se incrementa. El valor medio de los índices de calidad del riego facilita un análisis global para evaluar tendencias a lo largo del tiempo pero no son suficientes para caracterizar el comportamiento del sistema. Por lo tanto, es necesario determinar la variabilidad en la gestión del agua entre agricultores. Así, en cultivos como el algodón que muestran valores medios que indicarían un correcto manejo del riego, aparece un porcentaje significativo de parcelas (mayor del 30% en todas las campañas) que son regadas de forma incorrecta. Combinando ARAR y el índice de productividad (IP) se ha determinado qué cultivos requieren mejorar la gestión del riego y cuales requieren incrementar la cantidad de agua aplicada. Combinando ARAR y la productividad del agua de riego (PAR) se ha determinado en cuales de los cultivos analizados un incremento en el agua aplicada sería más rentable. Así, a lo largo de las cuatro campañas el olivar y el ajo se han mostrado como los cultivos en donde un incremento en la aplicación de riego sería más productivo, mientras que en cultivos como los cereales de invierno o el girasol, a pesar de que su riego es muy escaso, no es conveniente incrementarlo desde un punto de vista de productividad del agua.

9.

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519

ANEXO Tabla 13.5. Valor de ARAR para los principales cultivos a lo largo de las cuatro campañas de riego. Los valores entre paréntesis muestran el coeficiente de variación ARAR 1996/97

Algodón Ajo Remolacha Maíz Cereales Inv. Girasol Olivo

ARAR 1997/98

ARAR 1998/99

ARAR 1999/2000

0,75

0,70

0,87

0,83

(0,33)

(0,42)

(0,33)

(0,36)

0,70

0,64

0,85

0,75

(0,42)

(0,36)

(0,40)

(0,23)

0,55

1,19

0,97

0,91

(0,44)

(0,29)

(0,18)

(0,51)

0,67

0,73

0,79

0,74

(0,36)

(0,33)

(0,38)

(0,61)

0,24

0,41

0,45

0,44

(0,69)

(0,85)

(0,67)

(0,81)

0,29

0,26

0,34

0,22

(1,24)

(1,34)

(0,86)

(1,36)

0,33

0,35

0,46

0,33

(0,77)

(0,88)

(0,74)

(0,92)

Tabla 13.6. Valor de ARAA e IP para los principales cultivos a lo largo de las cuatro campañas de riego. Los valores entre paréntesis muestran el coeficiente de variación ARAA 1996/97

Algodón Ajo Remolacha Maíz Cereales Inv. Girasol

Olivo

520

ARAA 1997/98

ARAA 1998/99

ARAA 1999/2000

IP 1996/97

IP 1997/98

IP 1998/99

IP 1999/2000

0,89

0,87

0,89

0,90

0,90

0,86

0,90

0,92

(0,12)

(0,14)

(0,26)

(0,19)

(0,09)

(0,10)

(0,21)

(0,16)

0,88

0,91

0,88

0,91

0,87

0,88

0,91

0,95

(0,14)

(0,07)

(0,31)

(0,07)

(0,18)

(0,10)

(0,18)

(0,04)

0,81

1,05

0,98

0,96

0,82

0,98

0,96

0,94

(0,13)

(0,09)

(0,15)

(0,24)

(0,15)

(0,07)

(0,11)

(0,13)

0,85

0,88

0,82

0,84

0,82

0,85

0,75

0,84

(0,13)

(0,12)

(0,31)

(0,32)

(0,21)

(0,23)

(0,29)

(0,14)

0,73

0,88

0,57

0,81

0,57

0,83

0,64

0,92

(0,08)

(0,08)

(0,41)

(0,15)

(0,28)

(0,15)

(0,46)

(0,11)

0,80

0,84

0,46

0,66

0,65

0,70

0,27

0,45

(0,14)

(0,09)

(0,52)

(0,20)

(0,30)

(0,21)

(1,06)

(0,45)

0,76

0,80

0,60

0,71

0,85

0,85

0,69

0,84

(0,12)

(0,12)

(0,41)

(0,19)

(0,11)

(0,10)

(0,37)

(0,13)

Tabla 13.7. Valor de PA (€/m3) y PAR (€/m3) para los principales cultivos a lo largo de las cuatro campañas de riego. Los valores entre paréntesis muestran el coeficiente de variación 1996/97

Algodón Ajo Remolacha Maíz Cereales Inv. Girasol Olivo

1997/98

1998/99

1999/2000

PA

PAR

PA

PAR

PA

PAR

PA

PAR

(€/m3)

(€/m3)

(€/m3)

(€/m3)

(€/m3)

(€/m3)

(€/m3)

(€/m3)

0,77

0,53

1,00

0,60

0,41

0,41

0,90

0,75

(0,19)

(0,15)

(0,26)

(0,18)

(0,14)

(0,14)

(0,22)

(0,18)

3,12

2,21

6,52

2,19

1,87

1,87

3,41

0,87

(0,26)

(0,18)

(0,30)

(0,10)

(0,22)

(0,22)

(0,23)

(0,15)

1,24

0,58

1,29

0,54

0,60

0,60

1,14

0,63

(0,26)

(0,11)

(0,31)

(0,20)

(0,10)

(0,10)

(0,60)

(0,25)

0,32

0,27

0,32

0,23

0,18

0,18

0,28

0,25

(0,15)

(0,11)

(0,28)

(0,08)

(0,08)

(0,08)

(0,20)

(0,20)

0,90

0,32

1,21

0,24

0,35

0,35

1,16

0,22

(0,37)

(0,08)

(0,65)

(0,15)

(0,15)

(0,15)

(0,59)

(0,22)

0,62

0,16

1,10

0,20

0,09

0,09

0,43

0,15

(0,63)

(0,15)

(0,72)

(0,17)

(0,53)

(0,53)

(0,58)

(0,12)

2,37

0,49

3,95

0,43

1,13

1,13

1,90

0,42

(0,74)

(0,25)

(0,77)

(0,14)

(0,42)

(0,42)

(1,08)

(0,24)

521

CAPÍTULO

XIV

Uso de la teledetección en el seguimiento de los cultivos de regadío

Alfonso Calera Belmonte Francisco Martín de Santa Olalla

1.

Introducción.

2.

Observación de la tierra

3.

Reflectividad y temperatura de la superficie terrestre estimada desde imágenes 3.1. Reflectividad de la superficie terrestre en el espectro solar. 3.2. Temperatura. 3.3. Índices de vegetación

4.

Estimación de parámetros biofísicos de la cubierta vegetal.

5.

Estimación de la evapotranspiración. 5.1. Determinación del coeficiente de cultivo desde la respuesta espectral. 5.2. Determinación de la evapotranspiración.

6.

Identificación de cultivos de regadío y su distribución espacial; mapas temáticos. 6.1. El proceso de clasificación. 6.2. Aplicaciones de los mapas temáticos en la gestión del regadío.

7.

Referencias bibliográficas.

Anexo. Índices de vegetación.

1.

INTRODUCCIÓN

La agricultura de regadío afronta importantes retos en múltiples direcciones. Por un lado se confía en el riego para satisfacer la creciente demanda de alimentos que el incremento de población mundial va a requerir (FAO, 2002). Por otro lado, la agricultura de regadío es el sector que mayor uso hace del agua dulce; así, cada vez más se da el caso de zonas de regadío que sufren restricciones de suministro, que originan y padecen problemas de calidad del agua, y que no siempre alcanzan la productividad económica y social esperada. A este panorama se suman el agotamiento progresivo de los recursos hídricos y la creciente competencia con los sectores urbano, industrial, recreativo y ambiental. Asimismo se ha ido desarrollando una potente opinión pública que demanda una utilización adecuada del agua para riego, respetuosa con el medio ambiente tanto en aspectos de cantidad, que eviten fenómenos de sobreexplotación, como en la calidad, que evite la contaminación. El concepto actual de modernización de regadíos es más amplio y fundamental que el de hace un par de décadas, que se reducía prácticamente a la introducción de nuevas infraestructuras y equipos, y hace referencia a todo un sistema que permite aplicar las dosis de agua adecuadas para conseguir la mayor eficiencia. Este sistema incluye, además de las infraestructuras y equipos, la generación de información acerca de la cantidad de agua óptima y su transmisión y retorno a y desde el agricultor. Los Servicios de Asesoramiento de Riego, ligados estrechamente a los regantes, son las estructuras que no sin dificultades, se van lentamente consolidando en este relativamente nuevo papel (Martin de Santa Olalla et al., 1999). La gestión del agua, esto es, su uso y la productividad del agua, hay que analizarlas en diferentes ámbitos espaciales. Parcela, finca, zona regable y cuenca hidrográfica o acuífero subterráneo son niveles de gestión del agua de riego, y se corresponden con distintas escalas espaciales, así como responden a diferentes usuarios y ámbitos administrativos. Por tanto, la escala o, más concretamente, la delimitación del sistema y el grado de agregación elegidos, son críticos en la interpretación del uso y la productividad del agua. La teledetección en el regadío La respuesta a los nuevos retos que plantea el regadío requiere de nuevas herramientas tecnológicas, entre las que se encuentran la Teledetección y los Sistemas de Información Geográfica, herramientas adecuadas para la generación de información y 525

su manejo a diferentes escalas espaciales en el ámbito temporal adecuado. Asimismo, la introducción de las Tecnologías de la Información, que permiten la transmisión de imágenes tanto vía Internet como por otros medios como la telefonía móvil, abre un gran abanico de posibilidades para transmitir y recibir a y desde el usuario final, información necesaria para conseguir una mejor eficiencia en el uso del agua. Los sensores remotos proporcionan información sobre importantes variables que caracterizan la superficie terrestre y los procesos que sobre ella ocurren. Sus datos, espacialmente distribuidos, con alta frecuencia temporal y bajo coste, permiten generalizar a grandes zonas modelos desarrollados de forma localizada, especialmente si se apoyan además en sistemas de información geográfica y en información meteorológica recogida en tierra. Una representación esquemática del flujo de información desde las imágenes de satélite hasta los usuarios en el campo de la agronomía y en el de la gestión de agua en el riego se muestra en la figura 14.1. Uno de los usos principales de la teledetección en los sistemas agrícolas de regadío pretende identificar cultivos y parcelas en regadío. La capacidad de elaborar mapas de cultivos mediante imágenes de satélite, de actualizarlos, de estimar las superficies, y

Satélite

Radiancia en el techo de la atmósfera/satélite Proceso físico Correcciones atmosféricas

Reflectividad/temperatura de la superficie

Combinación de bandas

Compuestos

Medidas de campo/modelos empíricos

Parámetros biofísicos

Combinación de parámetros

Condiciones del riego

Indicadores de gestión

Biofísica

Agronomía

Ingeniería del riego

Gestión del riego

Productividad del agua Fig. 14.1. Diagrama esquemático de las principales etapas en la obtención de información desde satélite en aplicaciones en agronomía y gestión del agua en regadío (Adaptado de Bastiaansen, 1998).

526

como consecuencia, la de calcular la distribución espacial y temporal de sus necesidades hídricas en regiones extensas (Martín de Santa Olalla et al., 2003) hacen de esta aplicación una de las más importantes para la gestión de recursos hídricos. Experiencias exitosas en la asignación de derechos de riego en una determinada región (Allen et al., 2003) (Calera y de la Cruz, 2003) han utilizado mapas de cultivos de regadío mediante teledetección. El seguimiento en tiempo real de las parcelas en riego mediante tecnologías de observación de la tierra ha demostrado su eficacia en el seguimiento y control de los planes de explotación en acuíferos, tal y como se viene desarrollando con éxito en La Mancha Oriental desde el año 1997. En el campo del riego, otra aplicación de los sensores remotos que está aunando importantes esfuerzos en los últimos años es la estimación de la evapotranspiración real de los cultivos con vistas a su inclusión en balances de agua, y por tanto para el asesoramiento directo a los agricultores en el riego para incrementar la eficiencia en el uso del agua. Se pueden resaltar dos enfoques que aprovechan datos remotos en la estimación del consumo de agua por los cultivos: • Aplicación del balance de energía para determinar la evapotranspiración, en el que variables aportadas por los sensores, como albedo, temperatura superficial, cobertura vegetal, LAI y otras permiten estimar los diferentes términos del balance. • Empleo de la relación que existe entre la respuesta espectral de la vegetación y el coeficiente de cultivo, Kc. La determinación del Kc, unido a la estimación de ET0 usando bases de datos meteorológicos permite el cálculo de la evapotranspiración del cultivo en condiciones estándar. Una tabla de categorías en las que pueden ser agrupadas las aplicaciones de la teledetección en la gestión del riego se resume por Menenti (2000) en la forma: • Realización de mapas temáticos de cultivos en regadío. • Determinación de necesidades hídricas de los cultivos. • Detección de áreas con problemas de salinidad. • Hidrología de acuíferos. • Gestión de riego. Los campos de aplicación de la teledetección mencionados, junto con otros, tienen como base común la medida de propiedades tales como la reflectividad y temperatura de la superficie terrestre, mediante imágenes digitales adquiridas por sensores a bordo de plataformas espaciales principalmente, tal y como se señala en la figura 14.1. Esto es posible gracias al ya importante conjunto de personas y equipos que integran el denominado Sistema de Observación de la Tierra, en el cual se pueden distinguir los siguientes subsistemas: (a) el segmento espacio, que mantiene en operación los sensores y plataformas y los renueva constantemente, (b) el segmento tierra que recibe y registra la información adquirida, (c) los centros de procesado que transforman la información bruta en productos finales, y, finalmente, (d) los usuarios que utilizan dichos productos y que indican las necesidades que los productos han de satisfacer. Este Sistema de Observación de la Tierra ha recorrido ya un largo camino desde los primeros satélites; su origen como tal sistema se puede datar en 1972, cuando se lanzó el primer Landsat, específicamente diseñado para los fines de exploración de recursos de la superficie terrestre. 527

Lejos estamos de los tiempos en que la teledetección se ofrecía (habitualmente fuera de la comunidad científica) como «la solución», en vez de como una herramienta para el seguimiento de la superficie terrestre. Esta desafortunada sobrevaloración llevó a muchos usuarios a un alejamiento de estas tecnologías, defraudados por las expectativas no cumplidas. Lejos estamos también de los tiempos en que la teledetección se consideraba una buena herramienta sólo de relaciones públicas por la belleza de sus imágenes Hoy, considerada la teledetección en sus justos términos, esto es, como una herramienta, se acepta ampliamente que la observación de la Tierra mediante satélites es la forma más precisa, consistente y operativa para obtener la medida de parámetros de la superficie en áreas extensas.

2.

OBSERVACIÓN DE LA TIERRA

Una definición ampliamente aceptada de la teledetección es «la medida o adquisición de información de alguna propiedad de un objeto o fenómeno, mediante un instrumento que no está en contacto físico directo con el objeto o fenómeno bajo estudio» (Colwell, 1983). La teledetección espacial es considerada como «la aproximación cuantitativa» para la observación, seguimiento y estudio de la superficie terrestre, expresión acuñada ya en época temprana por Swain y Davis (1978). El conocimiento científico y tecnológico acumulado en el campo de la Observación de la Tierra durante las últimas décadas ofrece metodologías robustas y maduras que se incorporan como herramientas en el quehacer diario de ingenieros, científicos y técnicos en muchos campos y aplicaciones. El tamaño y complejidad crecientes del denominado Sistema de Observación de la Tierra hace que los diferentes campos y aplicaciones adquieran entidad por sí mismos. Excelentes textos generales acerca de la teledetección son, entre otros, los de Colwell (1983), Curran (1985) Chuvieco (2002), Jensen (2000), Sobrino (2000), Lillesand y Kieffer (2000). En este capítulo se van a abordar principalmente los fundamentos y aplicaciones de aquellos aspectos de la teledetección que se configuran como herramientas tecnológicas adecuadas para responder a los retos en el seguimiento de la vegetación y en la mejora de la gestión del uso del agua en el regadío tanto a escala de parcela y explotación, como a escala de acuífero y cuenca hidrográfica. El estado del arte de las aplicaciones de la teledetección en el campo de la gestión de recursos hídricos se describe en Baumgartner et al., (1997) Bastiaansen (1998), Schultz y Engman (2000), Owe et al., (2000). En este texto el enfoque se dirige al seguimiento de la cubierta vegetal en la superficie terrestre en el dominio del espectro solar y del infrarrojo térmico. El programa Landsat de observación de la Tierra constituye el mejor ejemplo de un programa espacial operativo en el campo que nos ocupa. Se inició el 23 de julio de 1972 con el lanzamiento del satélite ERTS-1, (Earth Resources Technology Satellite) rebautizado posteriormente con el nombre Landsat-1. En 1975, 1978, 1982 y 1984 fueron lanzados los denominados Landsat 2, 3, 4 y 5, y, en abril de 1999, el Landsat 7 ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus). Este programa se planteaba en sus inicios dar respuesta a las necesidades de un mejor conocimiento acerca de la distribución geográfica de los recursos de la Tierra en el marco de un uso civil, y compartir esta información con usuarios interesados dentro de un proyecto de cooperación internacional. Varias décadas después de su inicio, el programa Landsat sigue proporcionando un 528

continuo suministro de imágenes multiespectrales de la superficie de la Tierra. Está abierto un intenso debate acerca de las características de los nuevos sensores que den continuidad a la misión. Las imágenes obtenidas constituyen un archivo de incalculable valor en la descripción de la superficie terrestre y sus cambios, por su continuidad y repetitividad. Su uso por la comunidad científica internacional, a pesar de su coste, ha tenido una profunda influencia en la elaboración de mapas temáticos de recursos naturales y en el seguimiento de los cambios medioambientales de la superficie terrestre, profundizando en el conocimiento de su dinámica espacio-temporal (Lauer et al., 1997). La difusión masiva de imágenes Landsat en medios de comunicación es un indicador de que, en el último cuarto de siglo, este programa y otros muchos de observación de la Tierra desde satélites han configurado una nueva forma de ver nuestro mundo, dando paso a una nueva era. El sensor que incorpora este satélite se denominó Thematic Mapper porque en sus especificaciones de diseño se destinaba precisamente a la elaboración de mapas temáticos, especialmente en agricultura y vegetación. De hecho la selección de bandas se inclinó fuertemente hacia las aplicaciones para el seguimiento de la vegetación. Finalmente se incluyó la banda de 2,08 a 2,35 µm, para facilitar los trabajos en geología. De ahí viene que se llamara banda 7, por detrás del térmico, dada su incorporación posterior (Mika, 1997). Una descripción de las características del sensor ETM+ se muestra en la tabla 14.1. Tabla 14.1. Características espectrales de las bandas del sensor ETM+, así como algunas características de éstas en relación con sus aplicaciones. La resolución temporal es de 16 días Sensor ETM+; Landsat 7 Banda

Color

Ancho de banda (µm)

Resolución espacial (m)

Resolución radiométrica (niveles)

1 2 3 4 5 6 7 8

Azul (B) Verde (G) Rojo (R) Infrarrojo cercano (NIR) Infrarrojo de onda corta (SWIR) Infrarrojo térmico (TIR) Infrarrojo de onda corta (SWIR) Pancromático

0,45-0,52 0,53-0,61 0,63-0,69 0,78-0,90 1,55-1,75 10,4-12,5 2,09-2,35 0,52-0,90

30 30 30 30 30 60 30 15

256 256 256 256 256 256 256 256

Banda 1: El límite inferior de la banda corresponde al pico de transmitancia del agua clara. El límite superior está cerca de la región donde se produce la absorción por la clorofila. En su diseño se aconseja esta banda para la diferenciación entre coníferas y caducifolias, discriminación entre suelo y vegetación y batimetría de agua clara. Banda 2: Esta banda abarca la región entre las dos zonas de absorción debidas a la clorofila. Corresponde al verde de una vegetación vigorosa. Es un indicador del vigor y crecimiento de la vegetación. Se utiliza en estimación de sedimentos, y en batimetría de agua turbia Banda 3: Esta banda comprende la región en que se produce la absorción en el rojo por la clorofila. Está indicada especialmente en la clasificación de cultivos, y en la elaboración de cartografía temática de nieve y hielo. Banda 4: Corresponde a la región donde es máxima la reflexión de la vegetación. Se aplica en el seguimiento de la biomasa, así como para la delimitación de zonas de agua. Banda 5: Esta banda es especialmente sensible al contenido en agua de la vegetación. Se aplica a la diferenciación entre nieve y nubes. Banda 6: En la región correspondiente a esta banda (zona del térmico) la radiación emitida desde las superficies es detectada de acuerdo con la temperatura y emisividad. Se aplica en la elaboración de mapas térmicos, como indicador de estrés en las plantas, en la diferenciación entre usos de suelo urbanos y no urbanos. Banda 7: Esta banda es de interés para estudios con fines geológicos. Se aplica en la elaboración de cartografía temática de aguas termales. Se usa en la discriminación entre rocas y suelos para la geología de minerales y petróleo.

529

La forma como el sensor TM registra la radiación reflejada y emitida desde la superficie de la Tierra se representa gráficamente en la figura 14.2. En ella se muestra cómo, mediante un espejo oscilante, se hace llegar a los sensores, en el visible y en el infrarrojo, la radiación procedente de la zona observada, de 185 km de anchura, perpendicular al sentido del avance. La tecnología de espejo oscilante recibe el nombre de explorador de barrido. Otra tecnología actualmente en uso es la denominada explorador «por empuje». En ella el espejo oscilante se sustituye por un sensor tipo CCD (Charge Couple Device), que registra en un determinado instante todo el ancho de surco a la vez. Este es el sistema que monta el satélite francés SPOT.

Primer plano focal

Espejos de corrección

Telescopio

Espejos de barrido (7 barridos por segundo)

Radiación

Plano focal frío

705 km

185 km

Dirección de avance Fig. 14.2. Mecanismo mediante el cual el sensor recibe la radiación reflejada y emitida por la superficie terrestre. La figura corresponde al sensor ETM+ . Un mecanismo similar usa el sensor TM.

La óptica del sensor corrige el solape que se produciría al componer los movimientos, por un lado de la plataforma en la dirección de la trayectoria del satélite, y por otro del espejo en la dirección perpendicular. Este sistema de corrección permite que las sucesivas líneas de barrido sean paralelas. Este sistema sufrió una avería en Landsat7, por lo que las imágenes adquiridas por este sensor posteriormente al 31 de mayo de 2003 no incorporan esta corrección. En el caso del Landsat5-TM cada barrido del espejo, de 60,7 ms de duración, el sistema óptico hace llegar la radiación incidente a los 16 fotodiodos de silicio para cada una de las bandas 1 a 4, a los 16 fotodiodos de indio-antimonio para cada una de las bandas 5 y 7, y a los 4 fotoconductores de mercurio-cadmio-telurio para la banda 6; el diferente número de sensores origina la diferente resolución espacial de las bandas. Todos los detectores que operan en el infrarrojo se encuentran refrigerados a una temperatura de 90 K. El tiempo empleado en obtener una imagen completa de 185 por 185 km es de 25 s. El tamaño completo del sensor TM es de 2,0 por 1,1 por 0,7 m, con una 530

masa global de 258 kg, y un consumo de energía de 335 W. De esta forma cada uno de los sensores del Landsat adquiere una imagen de la superficie terrestre en el ancho de banda correspondiente. La imagen de 185 × 185 km se obtiene en el sentido del avance del satélite. Características de los sensores y de las imágenes

Resolución espacial Es usual definir como resolución espacial de un sensor al tamaño mínimo que ha de tener un objeto para que sea reconocible en la imagen. El concepto de resolución espacial hace referencia al tamaño mínimo de la unidad de información presente en la imagen, lo que se suele conocer como píxel (picture element). Dependiendo del tamaño del píxel (resolución espacial) y de la variabilidad espacial presente en la imagen, es posible encontrar algunos píxel en el que se hallan mezcladas diferentes características y otros píxel en que la superficie es homogénea. La resolución espacial depende de las características del sensor y de las características orbitales de la plataforma. En función de la resolución espacial es usual agrupar los sensores en: (a) Baja resolución, aquellos en que la resolución espacial es igual o menor a 1 × 1 km; (b) Media resolución, que corresponde a un tamaño de píxel de 250 × 250 m; (c) Alta resolución, en el que el tamaño típico de píxel oscila alrededor de 20-30 m, y (d) Muy alta resolución, en la que el tamaño del píxel oscila de 1 a 10 m. Es de notar que es frecuente que en un mismo sensor se encuentren bandas con diferente resolución espacial, como se muestra en las tablas 14.1 y 14.2.

Angulo de observación Una característica importante de una imagen es la inclinación angular con que se registre un determinado píxel de la superficie terrestre. Como habitualmente la superficie se registra mediante un sistema oscilante (espejo o CCD), ver figura 14.2, solamente la zona central de la imagen será registrada mediante observación cenital. Los píxel situados en los extremos del surco serán observados bajo ángulos crecientes, lo que causa distorsión y disminución de la resolución espacial. En algunos casos se utiliza la observación bajo varios ángulos para obtener información acerca de las características de la superficie (Asrar, 1989). A este tipo de observaciones se les denomina multiangulares.

Resolución espectral Este concepto se refiere a la capacidad del sensor de registrar imágenes en diferentes bandas, espectrales tal y como se muestra en las tablas 14.1 y 14.2. La denominación sensor hiperespectral (también llamados espectrómetros o radiómetros) se utiliza para designar aquellos que son capaces de registrar imágenes en muchas bandas, contiguas y muy estrechas, cuyo ancho de banda es de unos pocos nanometros. También la resolución espectral suele variar dependiendo la zona del espectro electromagnético en que se esté observando. Es usual considerar con distintos nombres las regiones del espectro electromagnético en la que los sensores registran la energía transportada por los fotones. Así, se 531

considera el espectro solar (u óptico) aquella región comprendida entre 0,3 y 3 µm. Dentro del espectro solar destaca la zona del visible que corresponde a fotones que al incidir sobre nuestra retina permiten la visión y cuyas longitudes de onda se encuentran entre 0,4 y 0,7 µm, aproximadamente el mismo rango de longitudes de onda que la región denominada Radiación Fotosintéticamente Activa (PAR). Una imagen pancromática designa aquella que corresponde aproximadamente al ancho de banda del visible. Otras regiones dentro del dominio óptico son el Infrarrojo Cercano (NIR), 0,75-1,35 µm, e Infrarrojo Medio o de onda corta (SWIR), 1,35-2,5 µm. Fuera del espectro solar se halla el infrarrojo térmico (TIR), región comprendida entre los 0,3-100 µm, en la que los fotones son emitidos por la superficie terrestre en función de su temperatura, por lo que la energía registrada en esta zona se utiliza usualmente para medir la temperatura de la superficie terrestre. Más allá de los 100 µm se encuentra la región de las microondas y el radar, sistemas que están conociendo un importante desarrollo en el campo de las aplicaciones de hidrología (Owe et al., 2000) especialmente en el campo de la estimación de la humedad del suelo, dado que la atmósfera, incluidas las nubes, es transparente en estas longitudes de onda, pero que no consideraremos aquí. La elección de las bandas en las diferentes regiones del espectro se realiza atendiendo no sólo a las características constructivas, sino a la interacción de la radiación con la atmósfera. Si el objetivo es observar la superficie terrestre, las bandas espectrales se sitúan en aquellas zonas del espectro donde la atmósfera es más transparente, y por tanto existe una menor atenuación. La ubicación de las bandas de Landsat que se muestra en la tabla 14.1, señala la posición de estas regiones, a las que se denomina «ventanas atmosféricas», en el espectro solar y en el infrarrojo térmico.

Resolución radiométrica Cada píxel en una imagen correspondiente a una banda tiene un valor proporcional a la energía que ha llegado al sensor en dicho ancho de banda. El valor asignado a cada píxel recibe el nombre de Nivel Digital (ND). El número de niveles posible en que se puede cuantizar la energía que llega recibe el nombre de resolución radiométrica. Un valor típico de resolución radiométrica en muchos sensores, ver tabla 14.1 para Landsat, es el que permite distribuir la energía que llega entre 0 y 255 niveles, que corresponde a una resolución radiométrica de 8 bit (28 niveles). Algunos sensores, como el AVHRR que monta NOAA, admiten hasta 1.024 niveles, lo que corresponde a 10 bit (210 niveles).

Resolución temporal El período de tiempo transcurrido en el cual se dispone de una nueva imagen sobre el área a seguir se denomina resolución temporal. Este tiempo depende de las características orbitales de la plataforma sobre la que se monta el sensor. Atendiendo a las características de observación, se consideran satélites heliosíncronos aquellos que pasan por un determinado punto de la superficie terrestre a la misma hora, de tal forma que la altura solar sobre la imagen depende solamente de las características astronómicas del lugar. Un satélite geosíncrono o geoestacionario es el que gira con la Tierra, situado a 36.000 km de su superficie, como sucede con el satélite de observación meteorológica Meteosat. 532

Observación multiescala La capacidad de observar la superficie terrestre a diferentes escalas espaciales y temporales permite abordar el estudio de diferentes fenómenos que suceden en múltiples escalas espacio-temporales. La observación y seguimiento de fenómenos meteorológicos como el paso de borrascas, tormentas, etc. que ofrecen una gran diversidad en su estructura y dinámica espacio temporal requieren del uso de sensores adecuados a la escala del fenómeno a observar. Los usos de suelo, las cubiertas vegetales, etc. cambian en el tiempo y en el espacio con otros ritmos y distribución. La capacidad de seguimiento multiescala es una característica única del Sistema de Observación de la Tierra espacial. La tabla 14.2 muestra las características espaciales, temporales y espectrales de un conjunto de sensores en el ámbito de la alta resolución espacial, especialmente indicados en el campo de la aplicación de la agricultura. Tabla 14.2. Características de algunos sensores y satélites de alta resolución espacial. VIS visible; NIR: infrarrojo cercano; SWIR: infrarrojo medio o de onda corta; TIR: infrarrojo térmico Satélite

ASTER

IRS-1C

Resolución temporal (días)

Tamaño de la imagen

Bandas (número)

16 d

60 × 60 km

VIS (2) NIR (1) SWIR (6) TIR (5)

15 m

VIS (2) NIR (1) SWIR (1)

23 m

24 d

12 × 12 km

IRS-1D

25 d

18 × 18 km

Landsat 7

16 d

185 × 185 km

Landsat 5

16 d

185 × 185 km

Resolución espacial

30 m 90 m

70 m

Las mismas que IRS-1C VIS (3) NIR (1) SWIR (2) Pancromática TIR (1)

30 m 15 m 60 m

VIS (3) NIR (1) SWIR (2) TIR (1)

120 m

30 m

Spot 1, 2, 3

*)

60 × 60 km

VIS (2) NIR (1)

20 m

Spot 4

*)

60 × 60 km

VIS (2) NIR (1) SWIR (1)

20 m

* El modelo de órbita de SPOT1, 2, 3 y 4 se repite cada 26 días. La frecuencia varía con la latitud.

En la mayor parte de las aplicaciones se requiere del uso de una secuencia temporal de imágenes, pero es evidente que la utilización eficaz de estas imágenes requiere la capacidad de superponerlas y de realizar análisis espacial, bien entre ellas, bien con mapas procedentes de otras fuentes de información. La superposición y análisis espacial se puede realizar mediante herramientas denominadas Sistemas de Información Geográfica (SIG), que son tecnologías informáticas que permiten manejar información en la que la posición geográfica es relevante (Longley et al., 1999). La correcta super533

posición es un punto crítico en el cruce de información, y requiere que la información digital tenga asignadas coordenadas en un mismo sistema de referencia, lo que se hace utilizando para todas las capas de información una misma proyección cartográfica y datum, el cual se caracteriza por un determinado elipsoide de referencia y punto origen (Wolf y Dewit, 2000).

Sistemas de Información Geográfica y Teledetección En muchos casos la posición de la información de tierra vendrá dada mediante la utilización de tecnologías basadas en Sistemas de Posicionamiento Global, bien conocido por sus siglas GPS, siglas que aún haciendo referencia a un determinado sistema se han popularizado para designar a toda la tecnología que permite calcular la posición de un punto de la superficie terrestre mediante satélites.

Georreferenciación Se denomina así al proceso que permite asignar a cada píxel de una imagen unas determinadas coordenadas de acuerdo con el sistema de referencia que se desee. Una vez realizado el proceso de georreferenciación o corrección geométrica es posible considerar la imagen como un mapa, susceptible de ser superpuesto sobre cualquier otra cartografía que se encuentre en el mismo sistema de referencia. Un típico método de georreferenciación es el denominado método de puntos de control, mediante el cual se asignan a una serie de puntos reconocibles e inalterables en la imagen, tales como cruce de caminos, carreteras, ferrocarril, y homogéneamente distribuidos por ella, sus coordenadas conocidas u obtenidas de la cartografía de referencia. Finalmente a partir de estos puntos de control se calcula la posición del resto de píxel de la imagen mediante interpolación de polinomios de segundo grado (Richards, 1995). Una de las características más notables de la teledetección es la capacidad para el seguimiento temporal de una superficie. Por ello es necesario señalar que la incertidumbre inherente al proceso de georreferenciación, que típicamente se puede estimar en medio píxel, introduce una degradación de la resolución espacial del sensor (Justice et al., 1985a). Para garantizar que estamos «viendo» la misma superficie en la secuencia temporal es necesario que la superficie tenga un tamaño mínimo de, al menos, 3 × 3 píxel (Martínez et al, 2003). Así, por ejemplo, en el caso de Landsat, con una resolución espacial nominal de 30 × 30 m, el uso de una secuencia temporal de imágenes para el seguimiento de una cubierta, impone que la superficie mínima a seguir sea aproximadamente 100 × 100 m, esto es, 1 ha.

Procesado (tratamiento digital) de una imagen El proceso de georreferenciación es uno de los procesos básicos en el tratamiento digital al que hay que someter una imagen de la superficie terrestre obtenida mediante un sensor, bien aeroportado, bien a bordo de una plataforma espacial, para hacerla útil. Este procesado, junto con otros se realiza mediante técnicas de tratamiento digital de imágenes mediante paquetes informáticos adecuados (Richards, 1995). Estas técnicas permiten realizar operaciones lógicas y algebraicas con los valores de cada uno de los píxel que componen una imagen en cada banda, combinando los valores que se obtienen en las diferentes bandas, con el objetivo de extraer información de dicha imagen (Mather, 1987). 534

La información a extraer puede ser cualitativa y/o cuantitativa, aunque habitualmente se utiliza la combinación de ambos tipos de información como el medio más eficaz para acercarnos al conocimiento de la superficie terrestre. Es de señalar que las técnicas de tratamiento digital se utilizan en multitud de campos y aplicaciones que van desde la medicina hasta la observación extraplanetaria. Las técnicas de interpretación visual de una imagen explotan la capacidad del sistema ojo-cerebro humano para identificar los elementos espaciales, espectrales y temporales tales como la forma, el tamaño, la textura, el tono, el color, etc. Dichas técnicas aplicadas a las imágenes digitales son herederas de décadas de desarrollo en el terreno clásico de la fotografía aérea. La capacidad de obtener imágenes en color mediante combinaciones de diferentes bandas es uno de los aspectos más importantes en Teledetección para facilitar la interpretación visual a un analista, así como para hacer llegar al gran público la información que es posible obtener desde el espacio. Una combinación color usual de las bandas 3, 4 y 5, de Landsat, una imagen de las cuales se muestra en la figura 14.3, es en la forma llamada RGB543, con la que designamos que en el cañón del rojo irá la banda 5, en el cañón del verde irá la banda 4, y en el cañón del azul, irá la banda 3. Nótese en la figura 14.3 como la vegetación activa aparece brillante en la banda 4, mientras que en la banda 3 aparece con tonos cercanos al negro, indicando una elevada reflectividad en el infrarrojo cercano (banda 4) y una baja reflectividad en el rojo (banda 3), rasgo representativo de una vegetación densa. En la combinación RGB543 estas zonas aparecerán de un verde intenso, ya que el color preponderante será el verde, cuya intensidad la da la banda 4.

Fig. 14.3.

Imágenes correspondientes a las bandas 3, 4 y 5 del sensor ETM+.

535

La extracción de información cuantitativa desde las imágenes consiste en la derivación de parámetros biofísicos de la superficie terrestre. Más adelante se detallan los procedimientos que permiten la obtención desde imágenes en las bandas apropiadas y para cada píxel de parámetros como reflectividad y temperatura de la cubierta, que posibilitan la obtención de información cuantitativa de la superficie terrestre, para cada uno de los píxel que componen la imagen. Uno de los aspectos más importantes en la información cuantitativa es la obtención de información temática, mediante la cual podemos categorizar los diferentes elementos de la superficie, obteniendo mapas temáticos. Es evidente que uno de los terrenos con mayor número de aplicaciones es precisamente la realización de mapas temáticos de las cubiertas vegetales y de los usos de suelo presentes en una zona, entre los cuales destacan las superficies en regadío. La extraordinaria capacidad de realizar estos mapas, así como la de su actualización continua es una de las características sobresalientes de la teledetección.

3.

REFLECTIVIDAD Y TEMPERATURA DE LA SUPERFICIE TERRESTRE ESTIMADA DESDE IMÁGENES

Los sensores a bordo de satélites espaciales, aviones, o simplemente manejados en tierra son capaces de medir la radiación electromagnética reflejada y/o emitida por la superficie terrestre, como esquemáticamente se muestra en la figura 14.4. Mediante el análisis de dicha radiación reflejada y/o emitida, las técnicas de teledetección permiten obtener, para cada píxel de la imagen, valiosas estimaciones de parámetros biofísicos relacionados con la dinámica de la vegetación, principalmente a través de la medición de la reflectividad y temperatura de la superficie terrestre. Dado que se registran extensas áreas, finalmente dispondremos de un mapa de estos parámetros, de tal manera que podemos estudiar la distribución espacial y su evolución temporal al incorporar una secuencia de imágenes. 3.1.

REFLECTIVIDAD DE LA SUPERFICIE TERRESTRE EN EL ESPECTRO SOLAR

La interacción de la radiación electromagnética con la superficie, que depende de la longitud de onda de los fotones que inciden y de las características de la superficie, se describe mediante las magnitudes reflectividad, absortividad y transmisividad, que se encuentran relacionados entre sí por el principio de conservación de la energía. La reflectividad se define como el cociente entre la energía que es reflejada por la superficie y la energía que incide; es usual expresarla en tantos por ciento o tantos por uno indistintamente. Dada la dependencia de la reflectividad con la longitud de onda se designa con el nombre de reflectividad espectral monocromática a la que corresponde a los fotones que poseen una determinada longitud de onda. Así pues, la reflectividad de una superficie es una curva extendida sobre la región del espectro electromagnético que se considere, como se muestra en las figuras 14.5 y 14.6 para varias superficies en el espectro solar. La reflectividad en una banda espectral es el valor que se obtiene integrando la reflectividad en el ancho de banda corres536

Imágenes desde satélite

Imágenes desde sensores aeroportados a gran altitud

Imágenes desde sensores aeroportados a baja altitud

Observación en tierra (radiometría de campo) Fig. 14.4. Sensores a bordo de satélites espaciales, aviones, o simplemente manejados en tierra son capaces de medir la radiación electromagnética reflejada y/o emitida por la superficie terrestre.

pondiente. Cuando se integra sobre toda la región del espectro solar, el valor de la reflectividad recibe el nombre propio de albedo. Los elementos básicos de la superficie terrestre son la vegetación, el suelo y el agua. La superficie se presenta como una combinación de estos elementos y sus características se deben a la proporción existente de cubierta vegetal, el tipo de hojas, su inclinación, el estado fenológico, el contenido en agua, la orientación, densidad, distribución geométrica, el sombreado, la arquitectura del dosel vegetal, la proporción y tipo de suelo existente, su estado de humedad etc. Todos estos elementos junto con la distribución espectral e inclinación de la radiación solar incidentes juegan un papel notable en la interacción de la radiación con la superficie. Detallados modelos matemáticos sobre dicha interacción permiten describir dichos procesos (Asrar et al., 1989). La reflectividad espectral, al ser el parámetro que refleja la interacción contiene, pues, información de las características de la cubierta. La inversión de los modelos de transferencia radiativa permite derivar dichas características (Sellers et al., 1985, 1989). 537

AVIRIS

SPOT HRV

NOAA AVHRR

Landsat TM-ETM+

Reflectividad

60 % 50

Landsat MSS Suelo

40 30 20

Vegetación

10

Agua

Rojo

0,6 Verde

Azul

0 0,4

0,8

1,0

1,2

1,4 1,6 1,8 Longitud de onda

2,0

2,2

2,4 µm 2,6

Infrarrojo medio

Infrarrojo cercano

Fig. 14.5. Curvas de reflectividad espectral (signaturas espectrales) de la vegetación, suelo y agua. Asimismo se muestran las diferentes bandas espectrales de algunos sensores de observación de la tierra (adaptada de Richards, 1995).

50

Pigmento de Estructura de la hoja la hoja

Absorción del agua

FcVV = 80 %

Reflectividad (%)

40

30

20

10

0 0,5

1

1,5

2

2,5

Longitud de onda (µm)

Fig. 14.6. Curva característica de la vegetación densa, fotosintéticamente activa, en el espectro solar. La curva mostrada en la figura corresponde a una cubierta de maíz, con una cobertura vegetal del

538

Los tres elementos que componen en diferentes estados y proporciones la superficie terrestre, la vegetación, el suelo desnudo y el agua presentan un comportamiento bien diferenciado en su interacción con la radiación solar. Esto permite asignar a cada constituyente puro lo que se suele denominar como signatura o firma espectral (spectral signature). Las signaturas espectrales del suelo, la vegetación y el agua se muestran en la figura 14.5. En esta figura se muestran las bandas espectrales de algunos de los sensores más usuales. Es de señalar que la variabilidad para cada uno de los elementos constituyentes de la superficie hace que sea más preciso hablar de modelo de respuesta espectral (spectral response pattern), aunque la popularización del término signatura espectral permite utilizarlo de forma indistinta. Reflectividad de la vegetación en el espectro solar La reflectividad de una cubierta vegetal densa (que cubre el suelo completamente) y fotosintéticamente activa, varía fuertemente con la longitud de onda. La curva que expresa la relación de la reflectividad con la longitud de onda tiene una forma característica de la vegetación en esas condiciones, que se muestra en las figuras 14.5 y 14.6. El comportamiento típico de la vegetación muestra una baja reflectividad del orden del 4-6% en la región del visible (0,4-0,7 µm), con un máximo relativo en la porción verde del espectro (sobre 0,55 µm), al que se debe el característico color verde de la vegetación. Por el contrario presenta una elevada reflectividad, del orden del 40-60%, en el infrarrojo cercano, reduciéndose paulatinamente hacia el infrarrojo medio. Este alto contraste en la reflectividad en el visible y en el infrarrojo cercano es un elemento distintivo de la vegetación. La forma característica de esta curva se debe principalmente a la interacción de la radiación solar con la estructura de las hojas, que conforman prácticamente la cubierta vegetal situándose habitualmente en varios estratos o capas. Una hoja está formada por estratos de materia orgánica fibrosa, células llenas de agua, espacios de aire y pigmentos. Cada una de estas tres características: pigmentación, estructura fisiológica y contenido en agua tiene efectos en la interacción de la radiación. Estos elementos junto con la propia arquitectura de la vegetación y las características del suelo conforman la reflectividad de la cubierta. Las plantas superiores contienen cuatro pigmentos primarios, clorofila a, clorofila b, β caroteno y xantofila, que absorben luz visible para la fotosíntesis. Los pigmentos más importantes son la clorofila a y b, los cuales absorben en las bandas correspondientes al azul y al rojo. El pigmento clorofila a absorbe en las longitudes de onda de 0,43 µm y 0,66 µm y la clorofila b, absorbe en longitudes de onda de 0,45 µm y 0,65 µm. Los carotenos absorben en el azul y en el rojo, en varias longitudes de onda. Los valles que se muestran en la figura 14.6 en el azul y el rojo, en la región del visible, obedecen a la presencia de los diferentes pigmentos (Jensen, 2000). La elevada reflectividad en el infrarrojo cercano (0,75-1,35 µm) se debe a la presencia en una hoja de diversos elementos (agua, aire, materia orgánica, ...) con índices de refracción distintos, como consecuencia de la estructura interna de las hojas (Myers, 1983). Las discontinuidades en los índices de refracción se dan entre las membranas y el citoplasma dentro de la mitad superior de la hoja y, de forma más 539

importante, entre las células individuales y los espacios de aire del mesófilo dentro de la mitad inferior. Es de resaltar que hacia los 0,97 µm existe una banda de absorción debida al contenido de agua de la hoja. En la región de 1,35-2,5 µm el efecto más importante es la presencia de agua con bandas de fuerte absorción que se sitúan hacia los 1,4 µm y en la región de 2,0 µm. También tiene influencia en esta región la estructura interna de la hoja. Como resumen podemos decir que la característica fundamental de la vegetación activa densa es el contraste entre la reflectividad en el rojo y en el infrarrojo cercano. De ahí que se pueda enunciar como principio genérico que cuanto mayor sea el contraste en estas bandas mayor será el vigor de la vegetación, entendido como una mayor cobertura de suelo y una mayor actividad fotosintética. Este comportamiento espectral diferente ha sido la base para desarrollar una serie de indicadores, denominados índices de vegetación, a los que más adelante nos referiremos que se basan especialmente en el contraste entre los valores de la reflectividad en el rojo y en el infrarrojo cercano. Dichos índices de vegetación tienen el objetivo de realzar la contribución de la vegetación activa y atenuar la de otros factores, como la del suelo en el que se asienta la vegetación, las condiciones de iluminación solar, la vegetación seca y la atmósfera. Cambios en la cubierta vegetal debidos al propio desarrollo de la vegetación, como los ocasionados por el proceso de maduración que conducen al amarilleamiento de la vegetación, o por sequía, se traducen en cambios en la curva de reflectividad, cambios especialmente sensibles en las bandas del rojo y del infrarrojo. Este hecho proporciona el fundamento para establecer el seguimiento de la cubierta vegetal a partir de la evolución temporal de la reflectividad. La figura 14.7 muestra cómo evoluciona la curva de reflectividad espectral para un ciclo de maíz durante un ciclo de crecimiento.

18 junio 18 julio 3 septiembre 2 octubre

60

Reflectividad (%)

50

60

50

40

40

30

30

20

20

10

10

0

0 0 ,5

1

1 ,5

2

2 ,5

Longitud de onda (µm)

Fig. 14.7.

540

Evolución de las curvas de reflectividad espectral para un cultivo de maíz en momentos seleccionados durante su ciclo de crecimiento.

Reflectividad del suelo en el espectro solar La reflectividad espectral del suelo desnudo presenta un comportamiento característico mucho más uniforme que en el caso de la vegetación, mostrando una curva bastante más plana y ascendente hacia longitudes de onda superiores, tal y como se observa en la figura 14.5. La reflectividad del suelo desnudo presenta una gran variabilidad de unos suelos a otros. La composición química, la materia orgánica y el contenido en agua (humedad) son los principales factores que intervienen. La composición química es la causa del color dominante con el que percibimos el suelo, y es uno de los factores básicos en su clasificación. Los de origen calcáreo tienden hacia el color blanco, indicando una alta reflectividad en todas las bandas visibles. Suelos con un contenido alto en óxido de hierro presentan una reflectividad elevada en el rojo. El contenido de materia orgánica tiene una fuerte influencia en el color, dando colores más oscuros a mayor contenido, lo que se traduce en reflectividades menores en todas las bandas del visible. El contenido en humedad es uno de los factores más destacados en la reflectividad del suelo, como consecuencia de la alta absorción del agua en esta región del espectro. Así, a mayor contenido en agua la reflectividad es menor en todo el espectro solar. Sin embargo hemos de mencionar que la influencia en la reflectividad se restringe al contenido en humedad en la capa más superficial del suelo. La figura 14.8 muestra la diferente reflectividad del suelo desnudo en un proceso de secado, desde un suelo completamente mojado hasta un suelo completamente seco.

50 Suelo mojado Suelo seco Reflectividad (%)

40

30

20

10

0 0,5

1

1,5

2

2,5

Longitud de Onda (µm) Fig. 14.8. Curvas de reflectividad de un mismo suelo. Los valores correspondientes al suelo mojado (en superficie) están por debajo de aquellos que corresponden al suelo cuya superficie está completamente seca.

541

Reflectividad del agua en el espectro solar La curva característica de la reflectividad del agua es netamente diferente a las del suelo desnudo y la vegetación, como se muestra en la figura 14.5. En la región del visible, la reflectividad del agua se encuentra por debajo de la correspondiente a la de la vegetación activa y del suelo. Sin embargo, donde más diferencias se encuentran es en la región del infrarrojo, en la que la reflectividad del agua disminuye fuertemente. Señalar que esta disminución supone un incremento de la absorción. En el visible, la reflectividad se sitúa alrededor del 5%, una parte se absorbe, y la mayor parte se transmite (en agua limpia y clara). En el infrarrojo el agua absorbe fuertemente la radiación en estas longitudes de onda. Muy poca se transmite. Este fuerte contraste del comportamiento entre el visible y el infrarrojo se utiliza para delinear de forma precisa la separación agua-suelo. Los factores más importantes que determinan el comportamiento espectral del agua son: la profundidad, los materiales en suspensión, y la rugosidad (lisa, con olas, ondas,...) de la superficie. En estanques poco profundos y en arroyos, la reflectividad en el visible viene influenciada por la reflectividad del fondo en el que el agua se asienta. En relación con los materiales en suspensión, si éstos tienen clorofila se traducirá en una respuesta en el visible parecida a la de la vegetación. En relación con la rugosidad, si la superficie es lisa, se incrementan los efectos especulares, por lo que la reflectividad puede cambiar fuertemente en función de la posición relativa del sol y del sensor. Aspectos direccionales de la reflectividad En una situación ideal la cubierta reflejaría por igual en todas direcciones, independientemente de la posición de la fuente de iluminación, así como de la posición y ángulo de visión del sensor. En este caso la superficie se denomina lambertiana o perfectamente difusora. Aunque las superficies naturales pueden aproximarse a una superficie difusora en muchas circunstancias, con frecuencia, es necesario tener en cuenta la dependencia de la reflectividad de una superficie con el ángulo de iluminación solar y con el ángulo de visión del sensor, dependencia que puede llegar a ser muy acusada, dando lugar a un efecto de alta reflectividad bajo un ángulo de visión determinado, que se conoce con el nombre de «hot spot» (Asrar et al., 1989). Esta anisotropía, que se mide a través de la magnitud denominada Función de Reflectividad Bidireccional (BRDF) puede en ocasiones ser útil para obtener información acerca de las características de la propia superficie (Jensen, 2000), y depende además de las características de la misma, de la posición del sol, que establece diferentes ángulos de iluminación con la aparición de sombras más o menos pronunciadas, y de la posición del sensor, esto es, del ángulo de visión bajo el cual el sensor está «viendo» la superficie. En general, las aplicaciones operativas tratan de minimizar los aspectos direccionales, lo que se consigue manteniendo aproximadamente constante los ángulos de iluminación y observación. Impacto sobre la reflectividad de la presencia de la atmósfera Los sensores miden directamente la energía de la radiación electromagnética que llega a ellos en determinadas bandas o canales del espectro electromagnético, bien dentro del visible o fuera de él. En todo caso los fotones reflejados por la superficie 542

han de atravesar una porción de atmósfera hasta llegar al sensor, produciéndose una interacción entre estos fotones y la atmósfera, interacción que se traduce en general en una atenuación del haz, que es dependiente de la longitud de onda, así como del estado de la atmósfera. El caso más extremo de la interacción atmosférica es la presencia de nubes, que puede impedir completamente la llegada de fotones procedentes del suelo al sensor en la región del visible e infrarrojo; incluso en un día despejado la atmósfera interacciona con la radiación. Así, principalmente el vapor de agua y los aerosoles, este último componente relacionado directamente con el grado de turbidez de la atmósfera, y en menor medida el ozono y otros componentes, modifican el flujo de energía que salió de la cubierta vegetal y que alcanza al sensor. Es de señalar el interés de la observación de la superficie terrestre en la región de las microondas, región en la que la atmósfera, incluyendo nubes y aerosoles, es transparente El efecto de la atmósfera no se refiere solamente al haz ascendente. Por las mismas razones que para el haz ascendente, el flujo de energía incidente sobre la superficie dependerá de la atmósfera. La presencia de la atmósfera ha llevado a diseñar los sensores para registrar los flujos de energía en aquellos anchos de banda en los que la atmósfera fuera más transparente, regiones que se denominan ventanas atmosféricas. Obtención de la reflectividad desde la imagen Un sensor opera registrando la energía que le llega. La forma en que lo hace es traduciendo dicha energía en forma lineal a niveles digitales. De esta forma, a partir de los niveles digitales ND registrados podemos obtener la radiancia que llega al sensor, Lei que es la energía por unidad de tiempo, por unidad de superficie en la dirección observada, por unidad de ángulo sólido, y por unidad de longitud de onda [W m–2 sr–1 mm–1] en la banda correspondiente, en la forma: Lei = ao,i + a1,i NDi

[1]

donde ao,i y a1,i son los coeficientes de calibrado del sensor para la banda i. Es usual calcular en un primer paso la denominada reflectividad aparente, también denominada reflectividad en el techo de la atmósfera, que se calcula bajo dos hipótesis de partida muy restrictivas: la primera, considerar que no existe influencia de la atmósfera, y segunda, que la superficie es perfectamente difusora (lambertiana). En estas condiciones, la radiación incidente sobre la superficie es la radiación solar extraterrestre, en la banda que estemos considerando, que denominaremos Ees, i, que ha de ser corregida para cada día del año en función de la distancia Tierra-Sol por el factor de excentricidad de la órbita terrestre, así como por el ángulo con el que incide la radiación sobre la superficie. El flujo de energía reflejado será, al ser la superficie difusa, de acuerdo con la Ley de Lambert, π Lei (Monteith y Unsworth, 1990). Estas condiciones se muestran en la figura 14.9. Así, en condiciones de ausencia de atmósfera y superficie perfectamente difusora se define la reflectividad aparente, en el ancho espectral de la banda correspondiente, en la forma: π Lei ρi = [2] k Ees, i cos (θ) 543

ρi

= Reflectividad aparente (en el techo de la atmósfera) de la superficie en el ancho espectral de la banda i.

Lei = Radiancia espectral para cada banda i, medida por el sensor. Ees, i = Irradiancia solar extraterrestre para cada banda i. k

= Factor de corrección de la distancia Tierra-Sol, en función del día del año.

θ

= Ángulo cenital solar.

Correcciones atmosféricas Cada vez son más frecuentes aplicaciones que requieren analizar la evolución espacial y temporal de unos cultivos o superficies. Para ello será preciso el manejo y comparación de imágenes adquiridas en diferentes fechas, que nos permitan acercarnos a la complejidad y dinamismo de los usos de suelo. Este tipo de aplicaciones se ven impulsadas con la aparición, desarrollo y expectativas futuras, de sensores con mayor resolución temporal, espacial y espectral, así como la integración de los análisis en Sistemas de Información Geográfica. Todo ello permite el seguimiento dinámico de vegetación, cultivos, suelos, áreas urbanas, etc.

Flujo reflejado: π Lie Flujo incidente: K E es, i cos (θ) θ

Píxel observado desde el sensor Fig. 14.9.

Superficie terrestre

Parámetros utilizados en el cálculo de las reflectividades aparentes, o reflectividades en el techo de la atmósfera, en las que no se considera el efecto de la atmósfera.

Para ello es preciso que la reflectividad de la superficie, el parámetro físico que nos proporciona la mayor información sobre la naturaleza de ésta, sea efectivamente el de esta superficie. Sin embargo el parámetro calculado mediante la ecuación [2] es la reflectividad aparente que, aunque corrige el diferente ángulo de iluminación para cada fecha, asume que la atmósfera no interacciona con la radiación solar tanto en el sentido descendente como ascendente. Esta suposición, que pudiera ser adecuada para algunas aplicaciones en que se utilice una sola escena, en la que se desee una clasifica544

ción no temporal o representar en un mapa características del suelo que estén relacionadas solamente con diferencias internamente consistentes dentro de la imagen, es difícil de asumir para otras aplicaciones. En este caso es necesario desarrollar métodos de corrección atmosférica, que tengan en cuenta la presencia de la atmósfera, tanto en lo que se refiere al flujo de energía que llega a la superficie del suelo como al flujo de energía que llega al sensor. En general la corrección atmosférica persigue eliminar o reducir el efecto de la atmósfera, con el objetivo de que los cambios de la reflectividad obtenidos desde el sensor sean efectivamente debidos a los cambios en la reflectividad de la superficie y no a cambios atmosféricos. El «efecto atmosférico» puede cuantificarse mediante la diferencia entre la reflectividad aparente, estimada a partir de la ecuación [1] y la reflectividad intrínseca, en la forma ρ – ρ*, donde ρ* es la reflectividad intrínseca de la superficie y ρ es la reflectividad aparente. El efecto atmosférico neto puede ser positivo o negativo, y depende de la reflectividad de la superficie, y de las características de la atmósfera, siendo dependiente de la longitud de onda. Así este efecto atmosférico neto es positivo para longitudes de onda menor que 0,7 µm, donde predomina el efecto de dispersión, mientras que es negativo para longitudes de onda más largas (> 0,7 µm) donde predomina el efecto de absorción por la atmósfera (Kaufman, 1989). En general, la atmósfera causa un aumento de la radiancia que llega al sensor en el rojo, y una disminución en el infrarrojo cercano, con lo cual el índice NDVI, al que haremos referencia más adelante, calculado a partir de los datos del satélite es ligeramente inferior al que se calcularía si no hubiera atmósfera. Se estima, desde simulaciones, que el efecto atmosférico introduce una reducción en el NDVI equivalente a multiplicar por 0,85 el NDVI calculado a nivel de cubierta vegetal (Myneni y Asrar, 1994). Este factor de reducción depende fuertemente del espesor óptico debido a los aerosoles, yendo desde valores cercano a la unidad para atmósfera muy clara, hasta 0,75 para atmósfera con un alto valor de turbidez. 3.2.

TEMPERATURA

Un parámetro físico de la superficie es su temperatura. Es de gran importancia en la descripción de los procesos de intercambio de energía y masa que tienen lugar entre la atmósfera y la superficie terrestre. Así la temperatura de la superficie terrestre es el resultado de toda una serie de procesos de intercambio de energía que involucran factores como la radiación solar incidente, el viento, la precipitación, las propiedades radiativas de la propia superficie y de la atmósfera, que a su vez dependen de la naturaleza y estado de la superficie, de la nubosidad y composición de la atmósfera. Es importante considerar brevemente el concepto de temperatura. El concepto de temperatura se refiere a la denominada temperatura cinética (absoluta) que es una medida de la energía cinética promedio de los átomos o moléculas que constituyen el material. Esta temperatura cinética es la que mide el termómetro por contacto térmico. En el caso de suelo desnudo, la temperatura de la superficie es la correspondiente a la de dicho suelo. En relación con la superficie terrestre, a este concepto de temperatura es al que se refiere la denominada temperatura aerodinámica, To, que es la temperatura en el interior de la cubierta a la altura en que se considera se encuentran las fuentes y sumideros equivalentes para el intercambio de calor latente y sensible en dicha 545

cubierta (ver cap. 3). En el mismo caso se encuentra la temperatura del aire en la atmósfera libre por encima de la cubierta. El procedimiento mediante el cual se estima en teledetección la temperatura es midiendo la energía de la radiación electromagnética emitida por la superficie del cuerpo en función de su temperatura. Esta es la denominada radiación de onda larga, correspondiente a fotones con una longitud de onda entre 3 y 100 µm, dado que la temperatura de los cuerpos en la superficie terrestre se encuentra alrededor de 300 K. A la temperatura que se obtiene mediante la inversión de la Ley de Planck desde la energía emitida por la superficie terrestre se la denomina temperatura (aparente) radiante Tr. La diferencia entre la temperatura radiante y la temperatura cinética de la superficie se debe al mecanismo de intercambio radiativo. Dos son los efectos responsables de esta diferencia; por un lado el hecho de que la superficie no es un cuerpo negro ideal, y por otro, la presencia de la atmósfera. La energía que emite la superficie terrestre en función de su temperatura es una fracción de la que emitiría un cuerpo ideal. Esta fracción es lo que se denomina emisividad. Por otro lado, la presencia de la atmósfera interviene fuertemente en dos vías: la primera en el sentido de que parte de la radiación de onda larga que sale de la superficie corresponde a aquella que, emitida por la atmósfera hacia la superficie terrestre, es reflejada por dicha superficie. Una segunda vía de la acción de la atmósfera se da cuando el sensor se halla colocado en un satélite y la radiación que sale de la superficie ha de atravesar la atmósfera. La atmósfera absorbe parte de esta radiación, pero también introduce un efecto aditivo, ya que la atmósfera es un cuerpo material caliente. El conocimiento de la temperatura cinética de la superficie a partir de la temperatura radiante requiere de correcciones atmosféricas y de emisividad, que tengan en cuenta los efectos descritos. Para la estimación de temperaturas se utilizan las bandas en la región del espectro denominado infrarrojo térmico, entre 3 y 100 µm, y concretamente cerca de los 10 µm, que es donde se emite el mayor número de fotones en razón de los niveles de temperatura de los cuerpos en la superficie terrestre (alrededor de 15° C en promedio), y donde la atmósfera es más transparente. Por ejemplo Landsat7 ETM+ tiene un único canal en el térmico entre 10,4 y 12,5 µm. NOAA presenta dos canales en el térmico: 10,3-11,30 µm y 11,5-12,5 µm. Obtención de la temperatura El procedimiento para estimar la temperatura de superficie empieza, como sucedía para las reflectividades en el espectro óptico, por determinar la denominada temperatura de brillo, o temperatura radiante aparente, que es la temperatura estimada en función de la radiancia que llega al sensor sin considerar la emisividad de la superficie ni la influencia de la atmósfera. El primer paso para determinar la temperatura de brillo es estimar la radiancia que llega al sensor en las bandas o canales térmicos a partir de los ND registrados en dichas banda. Para ello se utiliza una ecuación similar a la ecuación [1] en la que los coeficientes de calibrado son los correspondientes a la banda espectral considerada. Una vez obtenida la radiancia, se estima la temperatura de brillo, mediante la inversión de la ley de Planck, que conduce a una ecuación, que para Landsat ETM+ es: 546

Tr = K2/ln (1 + K1/Li)

[3]

Tr = Temperatura radiante aparente [K]. Li = Radiancia en la banda i [W m–2 sr–1 mm–1]. K2 = Constante, depende de la banda y del sensor. Para la banda 6 del ETM+ el valor es 1.282,71 [K]. K1 = Constante, depende de la banda y del sensor. Para la banda 6 del ETM+ el valor es 666,09 [W m–2 sr–1 mm–1]. Una vez obtenida la temperatura de brillo se procede a obtener la temperatura de superficie para lo que se utilizan modelos conocidos como algoritmos de corrección atmosférica y emisividad (Price, 1983) (Coll et al., 1994) (Valor y Caselles, 1996). Estos procedimientos pueden ser agrupados (Rubio, 1998) como: • Algoritmos monocanales, que permiten determinar la temperatura de la superficie a partir de la radiancia medida en un solo canal. Este es el caso del Landsat7 ETM+. El principal inconveniente de estos métodos es que requieren información externa acerca de los perfiles de temperatura y humedad de la atmósfera • Algoritmos bicanal, denominados «ventana partida» (split window) cuando trabajan con canales en la región 10,5-12,5 µm (Sobrino y Jiménez-Muñoz, 2004) En este caso, las temperaturas radiantes en dos canales permiten obtener la temperatura de superficie, ya que dichas diferencias son debidas a la diferente absorción atmosférica y a la distinta emisividad en cada canal. • Algoritmos biangulares. En lugar de utilizar datos de temperatura medidos con dos canales térmicos distintos, se utilizan datos de temperaturas obtenidos a partir de medidas bajo dos ángulos diferentes. En este caso, el diferente camino atmosférico recorrido por la radiación hasta alcanzar el sensor revierte en diferencias en las temperaturas. 3.2.

ÍNDICES DE VEGETACIÓN

Reflejar de forma adecuada la variabilidad espacial y la evolución temporal de las cubiertas vegetales, es tarea compleja si se utilizan reflectividades en diferentes bandas espectrales, ya que sería necesario seguir los cambios de muchas variables. Precisamente la necesidad de sintetizar la información de la reflectividad espectral correspondiente a la vegetación, reduciendo otros factores para proceder al seguimiento y evaluación sistemáticos de la cubierta vegetal, tanto en lo que se refiere a cultivos agrícolas, como a la vegetación natural, ha llevado al desarrollo de los llamados índices de vegetación. Los índices de vegetación se pueden definir como combinaciones de bandas espectrales, cuyo objetivo es el de realzar la contribución de la vegetación fotosintéticamente activa en la respuesta espectral de una superficie y atenuar la de otros factores como el suelo en el que se asienta, las condiciones de iluminación solar, restos de vegetación seca y la atmósfera. Dada la forma de la respuesta espectral típica de la vegetación sana, los índices se obtienen en la mayor parte de los casos combinando la reflectividad medida en la zona del rojo, que corresponde a la banda espectral entre los 0,6 y 0,7 µm, con la reflectivi547

dad medida en el infrarrojo cercano, banda que va de 0,75 a 1,35 µm, aunque frecuentemente se utiliza la banda entre 0,75 y 0,90 µm dado que, centrada en 0,97 µm, existe una banda de absorción del agua. La combinación de las reflectividades de las bandas se presenta de muchas formas. En algunos casos, cuando se dispone de un espectro prácticamente continuo, se utilizan las características de la curva espectral entre el rojo y el infrarrojo, características reflejadas por la primera y segunda derivada. Los índices basados en estas operaciones de derivación suelen denominarse índices de alta resolución espectral, contraponiéndolos a los denominados índices de baja resolución espectral, que hacen uso de valores de reflectividad integrados sobre bandas. En el Anexo I se da una relación de índices de vegetación, familia que continuamente sigue creciendo. El Índice de Vegetación por Diferencias Normalizado. NDVI El índice de vegetación por diferencias normalizado, NDVI, definido por la ecuación [4] es, con mucho, el índice de vegetación más usado en las aplicaciones de la Teledetección NIR – R NDVI = [4] NIR + R donde NIR es la reflectividad en el infrarrojo cercano y R es la reflectividad en el rojo, en el ancho de banda correspondiente. Las razones de su amplio uso pueden estar en el hecho de que otros índices tienen una formulación más compleja y hasta ahora no ha sido demostrado fehacientemente, fuera de los estudios de laboratorio y simulaciones, que supongan una mejora notable sobre el NDVI, cuando se trata de apreciar los parámetros que describen la vegetación. Por ello, a pesar de que otros índices entre los que destaca el denominado SAVI muestran un mejor comportamiento a la hora de minimizar la influencia del suelo y de la atmósfera, como se indica en el Anexo I, no se usan tan ampliamente como el NDVI. Es de resaltar que el NDVI es sobre el que más experiencia se ha acumulado en la descripción de parámetros biofísicos de la cubierta vegetal, lo que constituye un argumento adicional en su favor como índice a elegir. Por otro lado, sus valores oscilan entre –1 y +1, lo que ayuda en su interpretación. En último término, se podría decir que el NDVI representa la mejor relación calidad/coste. El NDVI presenta las ventajas de una gran sencillez de cálculo, facilita la interpretación directa de los parámetros biofísicos del cultivo, dada la gran cantidad de experiencia acumulada en su uso, y permite, por tanto, la comparación entre datos obtenidos por diferentes investigadores. Presenta los inconvenientes de una reducida capacidad de minimizar la influencia del suelo y de la atmósfera, por lo que diferentes autores eligen el SAVI como referencia (Bastiaansen, 1998). Así pues, una vez obtenida la reflectividad en las bandas del rojo e infrarrojo cercano, podemos calcular un mapa de NDVI combinando algebraicamente las bandas según la ecuación [4]. Operando de esta sencilla forma, para cada fecha de la que dispongamos de imagen podemos disponer de mapa de NDVI, con lo que finalmente 548

podríamos disponer de una secuencia temporal de mapas de NDVI. Esta secuencia sería el primer producto operacional que estaría a disposición del usuario.

4.

ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS BIOFÍSICOS DE LA CUBIERTA VEGETAL

Parámetros biofísicos de gran importancia para el seguimiento y gestión del cultivo como Albedo, Evolución fenológica, Índice de Área Foliar (LAI), Fracción de cobertura vegetal, Fracción de la radiación fotosintéticamente activa absorbida por la cubierta, FAPAR, Biomasa seca, etc. pueden ser estimados desde la reflectividad de la cubierta, a través principalmente de relaciones con los índices de vegetación. Otros parámetros relacionados con la gestión del agua como el coeficiente de cultivo y la evapotranspiración se consideran en la sección 5. A su vez, los parámetros biofísicos están interconectados entre sí, dado que describen desde diferentes enfoques el proceso general de crecimiento y desarrollo de la vegetación, como se muestra en el diagrama de flujo de la figura 14.10.

ÍNDICE DE ÁREA FOLIAR (LAI) FRACCIÓN DE COBERTURA VEGETAL

Distribución, estructura y ángulo de las hojas en las plantas

RADIACIÓN INCIDENTE (fotosintéticamente activa) RADIACIÓN ABSORBIDA Albedo

INTERCEPCIÓN Y ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN INCIDENTE APAR = PAR x fAPAR

FOTOSÍNTESIS EN LA CUBIERTA VEGETAL

RESPIRACIÓN EN LA CUBIERTA VEGETAL

PRODUCCIÓN DE BIOMASA

Fig. 14.10. Diagrama de flujo que muestra los diferentes factores que intervienen en la formación de biomasa en las plantas (adaptado de Garner et al., 1990).

Albedo El albedo se define como la reflectividad hemisférica de la superficie en el espectro solar. Este parámetro es de interés agronómico pues es una medida de la radiación solar incidente que es reflejada (y por tanto de la absorbida) por la cubierta o suelo desnudo. Dicha radiación juega un importante papel en el balance de radiación, y en el flujo de evapotranspiración. 549

Valores típicos del albedo de las superficies de cultivos, vegetación natural y suelo oscilan entre el 15% y 30% (Monteith y Unsworth, 1990). A la superficie de referencia se le asigna un valor de albedo de 0,23; sin embargo los valores cambian con el tipo de cultivo, la fase de desarrollo en la que se encuentra, y las características ambientales, nutrientes y agua puestos a su disposición. Como los satélites miden reflectividades en diferentes bandas, se han desarrollado procedimientos para obtener desde los valores de cada banda la reflectividad total o albedo, tanto de la superficie terrestre como el denominado albedo planetario, en el que también se considera la atmósfera (d’Urso, 1996) (Menenti, 2000). El procedimiento consiste en una media ponderada de las reflectividades, en la que los pesos asignados a cada una de las bandas depende de cada sensor, en función de los anchos de banda. Seguimiento temporal del crecimiento y desarrollo del cultivo Una de las características que otorgan a la teledetección un gran valor es la periodicidad y continuidad en su observación de la superficie terrestre. Estas observaciones permiten el seguimiento del crecimiento y desarrollo de la vegetación, a través de la medida de los diferentes parámetros biofísicos de la cubierta vegetal, y de los diferentes estados fenológicos que atraviesa (Justice et al., 1985b). La evolución temporal típica del NDVI para un cultivo anual es la mostrada en la figura 14.11. En ella se aprecia que el modelo de evolución temporal del NDVI presenta tres fases bien diferenciadas, cuyo ritmo, extensión y duración pueden ser diferentes en función de la especie, variedad, condiciones medioambientales y el suministro de agua y nutrientes. 1

NDVI

0,8

0,6

0,4

0,2

0 40

80

120

160

200

DOY

Fig. 14.11. Evolución temporal del NDVI de una cebada de regadío. El inicio de la meseta coincide con el instante en que se alcanza cobertura efectiva completa, y el inicio de la declinación coincide con el inicio del proceso de maduración (Calera, 2000).

550

El modelo típico en condiciones óptimas muestra una primera fase de rápido crecimiento del NDVI, que cesa bruscamente cuando se alcanza la cobertura efectiva completa. A partir de entonces presenta una fase de meseta, en la cual el valor del NDVI se mantiene prácticamente constante, apareciendo en el caso de algún cereal como la cebada o trigo, un máximo relativo muy poco acusado coincidente con la fase de espigado. El inicio de la tercera fase, o fase de declive del NDVI es simultáneo con el inicio de la fase de maduración, en el que se produce el envejecimiento y amarilleamiento de las hojas (Fischer, 1994). Conforme las partes verdes de la vegetación van desapareciendo, el NDVI disminuye hasta alcanzar valores cercanos a los correspondientes al suelo desnudo cuando toda la vegetación está seca. La evolución temporal del NDVI comparada con la evolución temporal de los parámetros biofísicos del cultivo es de gran relevancia, ya que facilita la comprensión del sentido agronómico del NDVI. La figura 14.12 permite dicha comparación en el caso para un cultivo de maíz. En el caso de la fracción de cobertura vegetal verde, fc, el crecimiento del NDVI es similar al crecimiento de fc; el inicio de la fase de meseta del NDVI coincide con que el cultivo alcanza la cobertura efectiva completa. Al igual que el NDVI, en la fase de meseta de éste, la fracción de cobertura vegetal verde también se mantiene constante, y en la fase de maduración, en la que se produce el declive del NDVI, se produce también la disminución de fc, tal y como se puede apreciar en la figura 14.12. Este estrecho seguimiento temporal del NDVI respecto a la fc se mantiene aunque las condiciones de nutrientes y suministro de agua alejen la evolución del NDVI (y de la fc) del modelo en condiciones óptimas (Calera et al., 2004). Dado que las fases en que se divide la evolución del coeficiente de cultivo, Kc, ver capítulo 3, están definidas por la evolución de la cobertura vegetal (Allen et al., 1998) es claro que la evolución del NDVI es similar a la evolución del Kc, tal y como se muestra. Este es un hecho relevante que fundamenta la relación entre el NDVI y el coeficiente de cultivo, y es la base de la aplicación de la estimación de la evapotranspiración del cultivo en óptimas condiciones mediante el NDVI, a la que más adelante hacemos referencia. En el caso de ritmo al que se acumula la biomasa seca, esto es, el índice de crecimiento del cultivo, CGR, la fase de meseta del NDVI coincide con la fase lineal de crecimiento, tal y como se muestra en la figura 14.12. Esta coincidencia temporal permite asociar al valor del NDVI en la fase de meseta el valor máximo del Índice de Crecimiento de Cultivo, CGR, tal y como se explica más adelante. La evolución de la altura del cultivo y la del LAI, comparada con la del NDVI se muestran también en la figura 14.12. Como se puede observar, mientras que el índice de vegetación se encuentra en la fase de meseta, la altura sigue incrementándose sustancialmente, por lo que la altura no se puede deducir del NDVI. Es relevante considerar que la cobertura efectiva completa, al igual que la fase de meseta del NDVI, se alcanza para valores de LAI cercanos a 3. Así pues, para valores de LAI superiores a 3, el valor del NDVI permanece prácticamente constante. Índice de Área foliar (LAI) El índice de área foliar (LAI) se define como el cociente entre el total del área de las hojas verdes (considerando la cara superior solamente) y el área del suelo donde 551

1,2

0,9 0,8

1 0,8

0,6 Kcb

NDVI

0,7

0,5 0,4

0,6 0,4

0,3 0,2

0,2 0,1 140 160 180 200 220

0 140 160 180 200 220 240 260 280 300 DOY

240 260 280 300

6 5

0.8

4 0.6

LAI

Fracción de cobertura vegetal verde

1

2 0.2 0 140 160 180 2.5

1 0 140 160 180 200 220 240 260 280 300 3 DOY

200 220 240 260 280 300

2,5 Biomasa (Kg/m2)

2 Altura (m)

3

0.4

1.5 1 0.5

2 1,5 1 0,5

0 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Día juliano

0 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Día juliano

Fig. 14.12. Evolución temporal de parámetros biofísicos fracción de cobertura vegetal, LAI, Altura, Biomasa, Coeficiente de Cultivo, para un cultivo de maíz, comparados con la evolución del NDVI.

estas plantas crecen. Las unidades en que se expresa son m2 de área de hojas por m2 de suelo. Los valores de LAI difieren de unos cultivos a otros, pero valores de 3 a 5 son comunes en cultivos que cubren el suelo en su fase de máximo desarrollo. Para un cultivo dado el LAI cambia a lo largo de su desarrollo, y normalmente alcanza un máximo en la fase de floración. Como la radiación solar incidente en un mismo instante y por unidad de área es la misma de un punto a otro en el tamaño de una parcela, el LAI tiene el sentido físico de una medida aproximada de la superficie foliar verde por unidad de radiación solar disponible (Garner et al., 1990). 552

La relación entre el NDVI y el LAI, que ha sido reiteradamente analizada (Baret y Guyou, 1991) (Gilabert et al., 1996), muestra un comportamiento asintótico, que se expresa matemáticamente por una ecuación exponencial similar a la Ley de Beer, la cual representa la extinción de la radiación en un medio absorbente, en la forma NDVI = A – B exp (–C LAI)

[5]

Los valores A y B de la ecuación [5] son diferentes, para cada cultivo, y dentro de cada cultivo difieren si se considera la etapa de crecimiento del cultivo, o la de senescencia, mostrando un mejor ajuste en la etapa de crecimiento (Gilabert et al., 1996). El coeficiente A corresponde al valor en la asíntota del NDVI, NDVImax, para un LAI que tiende al infinito. En la práctica el límite se alcanza siempre para valores de LAI superiores a 8.0. El valor de B se estima mediante la diferencia del NDVI correspondiente a un LAI máximo, NDVImax, y del valor del NDVI que corresponde al suelo desnudo, NDVIs, que es el que se obtiene para un LAI = 0 . El valor de C está relacionado con la extinción de la radiación dentro de la cubierta vegetal. Este valor se suele denominar coeficiente de extinción, por analogía con la Ley de Beer, en la que el coeficiente de extinción (o absorción) describe la variación relativa de la intensidad de la radiación cuando ésta atraviesa un espesor elemental. El producto C · LAI, es análogo al espesor óptico, si se sigue la analogía reseñada. Ajustes realizados sobre datos experimentales en un cultivo de maíz en La Mancha (Gilabert et al., 1996), proporcionan valores para los coeficientes de la ecuación [5]. Así, para el maíz en la fase pre-LAImáx, el coeficiente A toma un valor de 0,960, mientras que B es – 0,673, siendo el de C, 1.13, en la fase de crecimiento del cultivo. El valor de C oscila, para diferentes cubiertas vegetales, entre los valores de 0,8 y 1,3 (Choudhury et al., 1994). La ecuación [5] se suele reescribir en la forma: NDVI = NDVImáx – (NDVImáx – NDVIs) exp (–C LAI)

[6]

donde NDVImax, y NDVIs, corresponden, como se ha mencionado, al valor del NDVI para una cubierta completa y para suelo desnudo, respectivamente. Un aspecto importante de esta relación exponencial es que, para valores de LAI inferiores a 2,0-3,0, la relación NDVI-LAI es cercana a la lineal. Para valores de LAI igual a 3,0 o superiores se produce rápidamente la saturación del NDVI, ya que éste entra en la zona asintótica en la cual el valor de NDVI se incrementa muy lentamente aunque se incremente LAI. El comportamiento asintótico del NDVI para valores de LAI superiores a 3,0 se suele señalar como una de las limitaciones de este índice de vegetación, ya que expresa la insensibilidad a las variaciones de LAI para valores altos de cobertura vegetal. El pequeño cambio del NDVI al crecimiento del LAI, para valores superiores a 2,03,0 de este último, ocurre porque la contribución a la radiación reflejada desde la cubierta por el suelo, y por la parte de la vegetación que se encuentra en las capas más bajas, se atenúa en gran medida, porque tanto la capa del suelo como las capas más bajas de la vegetación, se hallan oscurecidas debido a la sombra proyectada por las capas superiores. 553

Es de señalar la utilización en la definición de la resistencia de superficie de una cubierta del denominado LAI activo, como aquella fracción del LAI que contribuye más activamente a la transferencia de calor y a la transpiración. Este LAI activo se refiere al de la parte superior de la cubierta que es iluminada por el sol, en el caso de una cubierta densa (Allen et al., 1998). La resistencia de superficie o resistencia total al flujo de vapor desde el interior de la vegetación y el suelo hasta la atmósfera en el interior de la cubierta es proporcional a la resistencia estomática e inversamente proporcional al LAI activo. La introducción del LAI activo recoge el hecho de la baja contribución a la transpiración y por tanto a la fotosíntesis, de las hojas que se encuentran en la parte inferior de una cubierta densa. La saturación del NDVI para valores de LAI en el entorno de 3,0, parecen indicar un comportamiento similar al del LAI activo. Fracción de cobertura vegetal verde La cobertura o fracción ocupada por la cubierta vegetal verde, fc, se define como la proporción de la superficie de suelo que es intersectada por la proyección vertical de la vegetación. Es un parámetro de gran importancia en el seguimiento de la vegetación, relacionado fuertemente con el crecimiento de la vegetación, que tiene relación directa con la evapotranspiración, y se utiliza ampliamente en la metodología denominada «Kc-ETo» para la determinación de la evapotranspiración (Allen et al., 1998), ya que la evolución de la cobertura vegetal indica las fases de la evolución del coeficiente de cultivo. A pesar de su gran importancia, la determinación de la cobertura vegetal de acuerdo con el procedimiento clásico es costosa. La relación entre NDVI y fracción de cubierta vegetal se describe mediante una relación lineal, tal y como se muestra en la figura 14.13, obtenida a partir de datos experimentales mediante radiometría de campo sobre un cultivo de cebada (Calera et al., 2001). Otros autores indican similares relaciones (Carlson y Ripley, 1997). Radiación solar fotosintéticamente activa absorbida Otro parámetro de gran importancia en el desarrollo de los cultivos es la radiación fotosintéticamente activa, PAR, y su intercepción y absorción por la cubierta vegetal. PAR es la parte de la radiación solar disponible para la fotosíntesis y representa aproximadamente el 48% de la radiación solar (Monteith y Unsworth, 1990). Se suele considerar radiación fotosintéticamente activa, PAR, aquella radiación que se encuentra en la banda de 400-720 nm (Sellers et al., 1997) que prácticamente coincide con la zona del visible; el cociente entre la radiación absorbida por la cubierta vegetal, APAR y la radiación incidente, PAR, es la parte de radiación que es absorbida por la cubierta, denominada fracción de la radiación fotosintéticamente activa absorbida, fAPAR (Asrar et al., 1989), en la forma: fAPAR = APAR/PAR

[7]

Esta importante magnitud se encuentra directamente relacionada con el crecimiento y desarrollo de las plantas, dado que indica la energía absorbida necesaria para el proceso de fotosíntesis (Gardner et al., 1990). 554

NDVI = 0,113 + 1,008 fc

R2 = 0,96

0,9 0,8

NDVI300

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 - 0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Fracción de cobertura fc Fig. 14.13. Relación entre la fracción de cobertura vegetal y el NDVI para un cultivo de cebada. Los valores de NDVI se han obtenido desde radiometría de campo (adaptado de Calera et al., 2001).

Se considera que la relación entre el NDVI y la fracción de la radiación fotosintéticamente activa interceptada por las plantas, fAPAR, es una relación lineal (Asrar et al., 1989), que se puede expresar en la forma fAPAR = a NDVI + b

[8]

donde los coeficientes a y b, son los coeficientes de ajuste en la regresión, que dependen de cada cultivo (Wiegand et al., 1991). Esta relación lineal es consistente con la relación lineal entre NDVI y fracción de cobertura vegetal. La ecuación [8] sugiere que el NDVI puede ser utilizado para estimar la fracción fAPAR, a pesar de la influencia que tiene el suelo sobre el NDVI, especialmente en los primeros estadios de desarrollo de la vegetación, y de los cambios en el ángulo de iluminación solar y de las condiciones de la atmósfera (Asrar,1989). Aunque algunos trabajos muestran un comportamiento entre NDVI y fAPAR que se aparta de la linealidad, siendo distinta para diferentes cultivos, y, para un mismo cultivo, entre parcelas regadas y no regadas (Ridao et al., 1999), se considera bien fundamentada sobre bases teóricas la relación lineal entre NDVI y fAPAR (Sellers et al., 1997). Asrar et al. (1989) señalan al efecto que «hay evidencia experimental que fAPAR es una función cuasilineal y monótona de NDVI». 555

Es de interés considerar si los coeficientes a y b de la ecuación lineal [8] dependen de las fases fenológicas. En este sentido, Wiegand et al. (1991) sugieren la utilización de los mismos valores de estos coeficientes tanto en las fases de crecimiento vegetativo y reproductivo de la vegetación, como en las fases de maduración y senescencia del cultivo, en las que disminuye la actividad fotosintética. Es necesario tener en cuenta que en la fase de crecimiento del cultivo los términos «intercepción» y «absorción» referidos a la interacción de la radiación con la cubierta vegetal son prácticamente equivalentes, dada la escasa dispersión y la fuerte absorción de la radiación luminosa por los elementos verdes de las plantas (Asrar et al., 1989). Sin embargo en la fase de maduración y senescencia se produce intercepción de la luz por la cubierta vegetal, ya que la vegetación cubre el suelo, pero solamente una parte es absorbida, dado que en esta fase van desapareciendo progresivamente elementos verdes. La relación entre fAPAR y NDVI lleva a Wiegand et al. (1991) a sugerir una interpretación física del índice de vegetación en el sentido de que su valor supone una medida del «tamaño fotosintético» de la cubierta vegetal, en el mismo sentido en que lo hacen Monteith Unsworth (1990). Biomasa La biomasa, que se suele expresar en términos de masa seca por unidad de superficie, es generada por la vegetación como producto de un complejo proceso de fotosíntesis y respiración por el que las plantas, mediante la radiación solar absorbida, acumulan el CO2 que asimilan. Es usual en la medida de la biomasa considerar solamente la parte aérea de la planta, excluyendo por tanto a la parte radicular. La magnitud que indica el incremento de biomasa seca por unidad de tiempo es el denominado Indice de Crecimiento del Cultivo (Crop Growth Rate, CGR), siendo un indicador fundamental en la descripción del proceso de crecimiento de éste. En el desarrollo de un cultivo se suelen distinguir tres fases: la primera de ellas corresponde a un incremento exponencial de la biomasa lo que redunda en un rápido crecimiento del CGR. La segunda, fase lineal, es en la que la biomasa se acumula a un ritmo constante, en la que se da el máximo valor del CGR. Finalmente el proceso de maduración significa una disminución del ritmo de crecimiento. En la figura 14.14 se representa la evolución temporal típica de parámetros tales como la biomasa, LAI, radiación solar interceptada, índice de crecimiento del cultivo, biomasa seca para un cultivo ideal. Es de notar que las curvas que se muestran son representaciones idealizadas. La evolución en condiciones reales de humedad, temperatura, radiación, etc., presenta una respuesta no tan definida como la que se muestra. El Índice de Crecimiento del Cultivo (CGR), se suele medir en kg m–2 día–1, aunque al ser estas unidades excesivamente grandes, con frecuencia se utiliza g m–2 día–1. Los cereales de invierno, presentan unos valores máximos de CGR de entre 20-30 g m–2 día–1, mientras que en el maíz se encuentran valores de entre 30-50 g m–2 día–1 (López Bellido, 1991). Si el único factor limitante fuera la radiación solar se estima que el techo de producción teórico podría situarse sobre 77 g m–2 día–1 (Gardner et al., 1990). El análisis de la relación entre biomasa y NDVI se ha realizado habitualmente por dos vías. La primera estableciendo una relación empírica entre la biomasa y NDVI (Anderson et al., 1993) (Gilabert et al., 1996). La segunda vía es utilizando los mode556

Intercepción de la radiación

5

80

60

4 3

40

2 LAI 1 0

BIOMASA SECA ACUMULADA (Mg ha–1)

20

B

0

Biomasa seca acumulada

15

40

30 10 CGR

20

5 10

0

0

20

40

60

80

100

120

0

INTERCEPCIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR (%)

6

FLORACIÓN

ÍNDICE DE ÁREA FOLIAR VERDE

100

ÍNDICE DE CRECIMIENTO (CGR) (g m–2 día–1)

A

7

TIEMPO DESPUÉS DE EMERGENCIA (días) Fig. 14.14. Representación idealizada del desarrollo de un cereal grano, en la que se muestra la evolución temporal del LAI, de la radiación solar interceptada, de la biomasa seca, y del Índice de Crecimiento del Cultivo (CGR). (Adaptado de Gardner et al.,1990).

los propuestos por Monteith (Kumar y Monteith, 1977) y Asrar et al. (1989), que se basan en el hecho de que el ritmo de crecimiento de muchos cultivos es casi proporcional al ritmo al cual la energía radiante es absorbida por la cubierta. Los modelos basados en la relación entre producción primaria y la radiación fotosintéticamente activa absorbida son conocidos como modelos de eficiencia en el uso de la luz (Light Use Efficiency, LUE) (Gower et al., 1999). En dichos modelos LUE se expresa la producción primaria de la vegetación definida como biomasa seca por unidad de superficie, P (kg/m2), durante un intervalo de tiempo, como una función de la radiación fotosintéticamente activa absorbida 557

(APAR = fAPAR × PAR) durante la etapa de crecimiento y multiplicada por un coeficiente ε (kg/J), que expresa la eficiencia de conversión de la energía radiante a materia seca. La expresión adoptada es: t

P = ∫ 0 fPAR PAR ε Wdt

[9]

donde W es un índice de estrés, en el que se trata de reflejar los efectos en la planta de las deficiencias en los nutrientes, temperatura y en el suministro de agua. Tanto el efecto de la temperatura, como las deficiencias en el suministro de agua a la planta y como consecuencia de ello de nutrientes, pueden ser aceptablemente reflejados a través del cociente entre la evapotranspiración que tenga la planta en ese instante, ET, y la que tendría si estuviera en condiciones óptimas, ETm. De esta forma, el índice de stress, W, quedaría definido en la forma: W = ET/ETm

[10]

La introducción del NDVI se hace considerando que éste es un buen estimador de fAPAR. Así pues, dada la relación lineal entre NDVI y fAPAR anteriormente mencionada, podremos reescribir la ecuación [9] en la forma: t

P = ∫ 0 (a NDVI + b) PAR ε Wi dt

[11]

La ecuación [11] proporciona el fundamento para la utilización del concepto de valor integrado en el tiempo para el NDVI, ITNDVI. El concepto de ITNDVI se define como el área bajo la curva que expresa la evolución del NDVI, estimada en un intervalo de tiempo (Yang et al., 1998) (Rasmussen, 1998a). Así, si en una primera aproximación consideramos que los factores PAR, ε, y Wi, se mantienen prácticamente constantes en el tiempo, la única variable que queda bajo el signo integral es el NDVI. En este caso la producción primaria puede ser expresada como: P = m ITNDVI + b

[12]

De esta forma la integral en el tiempo del NDVI estará directamente relacionada con los factores de producción, medidos mediante la magnitud biomasa seca, especialmente para una zona y un cultivo, aunque el factor de conversión ε varíe en condiciones de estrés en la planta y la radiación fotosintéticamente activa presente un modelo de variación estacional. La ecuación [12] ha sido utilizada para estimar la producción primaria de un ecosistema a escala regional y global (Rasmussen, 1998b). La dependencia de la producción primaria con el valor integrado en el tiempo del NDVI está en la base de las aplicaciones que tratan de predecir el rendimiento de un cultivo (Bastiaansen, 1998) y la conexión con modelos de producción, que estiman fAPAR desde los índices de vegetación. Por otro lado conviene resaltar la escasa relación lineal directa del NDVI con la biomasa a lo largo de un ciclo de cultivo, como se observa en la figura 14.12, lo que es consistente con la ecuación [12], que expresa la relación de la biomasa seca con el valor integrado en el tiempo del NDVI. Baste como ejemplo señalar algunos datos para un cultivo de maíz; así, mientras que el NDVI se mantenía en la fase de meseta en un 558

valor prácticamente constante de aproximadamente 0,85, la biomasa crecía de 0,3 a 2,0 kg/m2. Este sustancial incremento de la biomasa venía acompañado por un crecimiento de la altura de 1,2 m a 2,4 m (Calera et al., 2004). Si derivamos la expresión de la biomasa respecto del tiempo, el índice de crecimiento del cultivo, CGR, puede ser expresado en la forma: CGR = dP/dt = (a NDVI + b) PAR ε Wi

[13]

De acuerdo con el modelo LUE, la ecuación [13] muestra que el NDVI está relacionado con el ritmo al cual acumula biomasa la cubierta vegetal. Calera et al., (2004) muestran que a pesar de las dificultades experimentales en el tratamiento de los valores de biomasa, la evolución temporal del NDVI y del CGR es semejante, para cultivos tales como maíz y cebada. La fase característica de meseta del NDVI coincide temporalmente con la fase lineal de crecimiento, en la que el valor del CGR es máximo. Sin embargo, aunque se alcanzan valores semejantes para NDVI tanto para el maíz como para la cebada, los valores de CGR son muy diferentes, lo que indica el importante peso de otros factores que configuran el CGR, dependientes del cultivo a través del factor de eficiencia de conversión de la radiación, e, que hace referencia a las características del material vegetal y de las condiciones ambientales como radiación y temperatura, entre otras. La relación entre NDVI y CGR es consistente con la idea que considera al NDVI como una estimación del tamaño fotosintético de la cubierta. El NDVI en la fase de meseta representa un indicador del ritmo de crecimiento potencial, dependiente del cultivo y de las condiciones ambientales. Este ritmo de crecimiento coincidirá con el real cuando el cultivo se encuentre en óptimas condiciones.

5.

ESTIMACIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN

La obtención de reflectividades espectrales y, a partir de ellas de los Índices de Vegetación, junto con la relación con los parámetros biofísicos del cultivo, permiten abordar ahora la estimación del parámetro de más importancia para la gestión del riego, que es la evapotranspiración del cultivo. Se pueden resaltar dos enfoques que aprovechan datos remotos en la estimación de la evapotranspiración de los cultivos: a) Determinación directa del coeficiente de cultivo, Kc, desde las imágenes. Para ello se utiliza la relación entre la respuesta espectral de la vegetación y el coeficiente de cultivo, Kc. Este procedimiento requiere además el cálculo de la evapotranspiración de referencia, ETo, para calcular la evapotranspiración del cultivo en condiciones óptimas, mediante el procedimiento «Kc-ETo» detallado en el capítulo 3. El cálculo de ETo puede realizarse, bien desde datos proporcionados por estaciones meterológicas en tierra, bien, en caso de no disponer de ellas, mediante datos de satélite. b) Aplicación de la ecuación del balance de energía en la superficie. El balance de energía se describe detalladamente en el capítulo 3. A partir de las variables derivadas de las imágenes principalmente temperatura superficial, albedo, fracción de cobertura vegetal, entre otras, y mediante relaciones empíricas se esti559

man los diferentes términos del balance de energía, obteniéndose finalmente el de la evapotranspiración. El procedimiento basado en la determinación del coeficiente de cultivo presenta la ventaja de enlazar directamente con la metodología en dos pasos «Kc-ETo», universalmente aceptada y utilizada ampliamente por los Servicios de Asesoramiento de Riegos (SAR). Esta circunstancia le confiere características operativas, ya que el SAR podría incorporar directamente la información del satélite en su flujo de datos (Calera et al., 2003). La resolución espacial del sensor y, principalmente, la resolución temporal son los elementos que pueden restringir su aplicabilidad. 5.1.

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE CULTIVO DESDE LA RESPUESTA ESPECTRAL

La semejanza entre la evolución temporal del NDVI y el coeficiente de cultivo durante el ciclo de crecimiento de un cultivo, tal y como se muestra en la figura 14.15, ha sido reiteradamente observada. Jackson et al. (1980) encuentran grandes semejanzas para un cultivo de trigo entre el coeficiente de cultivo promedio y el cociente entre el índice de vegetación denominado Índice de Vegetación Perpendicular (PVI) en un momento de desarrollo, y el PVI en el momento de cobertura completa. Heilman et al. (1982) muestran una relación entre la fracción de cobertura vegetal y dicho PVI para alfalfa. Bausch y Neale (1987), Neale et al. (1989) señalan una relación lineal entre el coeficiente de cultivo basal y el NDVI para el maíz. La determinación del coeficiente de cultivo basal se hace de acuerdo con lo señalado por Wright (1982), mediante la medida de la cobertura y el LAI para determinar el período de cobertura efectiva completa. Otros índices como el SAVI han sido utilizados para establecer la relación con el coeficiente de cultivo, minimizando así el impacto de los diferentes tipos de suelo en el NDVI (Bausch, 1993, 1995). Análisis del intercambio radiativo en la cubierta vegetal proporcionan fundamentación teórica a la relación lineal entre el coeficiente de cultivo basal y el NDVI (Choudhury, 1994). Otro enfoque para obtener el Kc desde el índice de vegetación es el utilizado por d’Urso (2001), en el que desde la reflectividad espectral se obtiene el albedo, y desde el Índice de Vegetación se obtiene el LAI, para a partir de ellos derivar el coeficiente de cultivo, utilizando la definición del Kc basada en la aplicación de la ecuación de Penman-Monteith. Operando de esta forma, la relación obtenida (Bausch y Neale, 1987) para una superficie de referencia alfalfa, es: Kcb,alfalfa = 1,181 NDVI – 0,026

[14]

Esta relación es consistente con la encontrada en otros lugares, entre ellos La Mancha (Gonzalez-Piqueras et al., 2003). Para una superficie de referencia de gramíneas, la relación Kcb-NDVI obtenida para un cultivo de maíz es: Kcb = 1,37 NDVI – 0,017

[15]

El coeficiente de cobertura basal refleja solamente la componente debida a la transpiración, circunstancia que se produce cuando la superficie del suelo se encuentra seca, 560

1

1,4

ND NDV

1,2

Kc

1

0,8

0,6

Kc

0,8 0,6

0,4

0,4 0,2 0,2 0

0 150

200

250

300

DO Fig. 14.15. Evolución temporal del coeficiente de cultivo basal de un cultivo de maíz y la correspondiente al NDVI de ese mismo cultivo a lo largo de un ciclo de crecimiento. (Tomado de Calera et al., 2003).

y por tanto el flujo de vapor se produce principalmente a través de las plantas. En estas condiciones se consigue evitar la relativa insensibilidad del NDVI a la humedad de la superficie del suelo. Las ecuaciones [1] y [15] son equivalentes, ya que ambas se han derivado desde valores de NDVI obtenidos mediante trabajos de campo utilizando espectrorradiómetros; se puede transformar una en la otra haciendo uso del procedimiento mencionado en el capítulo 3 para cambiar de superficie de referencia alfalfa a superficie de referencia gramínea, lo que refleja la consistencia de la relación lineal Kcb-NDVI. Además, las relaciones de la evolución temporal del NDVI con la de los parámetros biofísicos de la cubierta anteriormente descritas, tales como desarrollo fenológico, la cobertura vegetal y LAI, y el índice de crecimiento de cultivo, proporcionan indicios de que la relación NDVI-Kcb está sólidamente fundamentada. Los coeficientes de cultivo obtenidos de la respuesta espectral de la cubierta vegetal representan por tanto, un auténtico coeficiente de cultivo obtenido en tiempo real (Bausch y Neale, 1987). No requieren de la fecha de plantación para su cálculo y permiten detectar el inicio y final de las diferentes fases que expresan la evolución del Kc. Una relación operativa para obtener el Kc desde el NDVI obtenido de las imágenes de satélite pasa por suponer un valor promedio de la componente evaporativa del suelo. Experiencias en esta dirección se están llevando a cabo en España, Italia y Portugal en el proyecto DEMETER (Calera et al., 2003), en Estados Unidos (Neale et al., 2003). Una ecuación validada en los regadíos de La Mancha desde imágenes Landsat5 y Landsat7 para cultivos que cubren completamente el suelo (Cuesta et al., 2004) es: Kc = 1,25 NDVI + 0,2

[16] 561

5.2.

DETERMINACIÓN DE LA ET APLICANDO LA ECUACIÓN DE BALANCE DE ENERGÍA

La determinación de la evapotranspiración mediante teledetección, tanto en superficies regadas o en óptimas condiciones y en superficies no regadas, es uno de los aspectos que mayor interés y esfuerzo han despertado (Caselles et al., 1993). Dadas las dificultades de cuantificar directamente las resistencias de superficie y la resistencia aerodinámica (Bastiaansen, 1998) que aparecen en la ecuación de Penmann-Monteith (ver capítulo 3), es usual estimar la evapotranspiración como un término residual del balance de energía, en la forma: λET = Rn – G – H

[17]

λET = Flujo de energía asociado al flujo de vapor de agua. Rn = Radiación neta absorbida por la cubierta. Es el balance de radiación solar y de onda larga. G

= Flujo de calor en el suelo.

H

= Calor sensible.

La determinación de la radiación neta requiere estimar el balance de radiación neta solar y la radiación neta de onda larga. En la estimación de la radiación neta solar el albedo juega un importante papel. Es posible obtener el albedo desde la reflectividad en diferentes bandas, como se menciona en la sección 4. El cálculo de la radiación incidente en la superficie desde los datos de radiancia del sensor necesita del uso de complejos algoritmos de transferencia radiativa, o procedimientos empíricos (Pinker et al., 1995). En el balance de radiación de onda larga, la radiación ascendente se estima a partir de los datos de la temperatura de superficie, calculada desde el satélite como se describe en la sección 3, y de la emisividad, relacionada con la fracción de cobertura vegetal, que puede ser calculada desde el NDVI (Valor y Caselles, 1996). La radiación de onda larga descendente requiere del conocimiento de la temperatura de la atmósfera y de su contenido en humedad, lo que hace compleja su determinación (Ellingson, R. G., 1995). El flujo de calor en el suelo se suele estimar desde la radiación neta y de las características de la cubierta tales como fracción de cobertura y sombreo, ya que la temperatura superficial del suelo y el gradiente de temperaturas estarán relacionados con la radiación absorbida. Asimismo la humedad del suelo juega un importante papel. Es evidente que el flujo de calor en el suelo será más relevante en el caso de cubiertas parciales. En todo caso es usual considerar despreciable el flujo de calor en el suelo en intervalos diarios. En el caso del calor sensible, H, cuando un cultivo se encuentra en óptimas condiciones de suministro de agua y crecimiento, la mayor parte de la energía disponible (Rn – G) se utiliza en la evapotranspiración, por lo que el cociente H/∆ET se hace pequeño. Cuando la cubierta se encuentra fuera de las condiciones óptimas de suministro de agua, los estomas se cierran y por tanto el efecto de enfriamiento se reduce, por lo que la temperatura de la superficie se incrementa en relación con la de los cultivos regados. El flujo de calor sensible es proporcional a la diferencia entre la temperatura 562

aerodinámica de la superficie, To, y la temperatura del aire, Ta. La temperatura de superficie derivada de las imágenes, junto con los Índices de Vegetación, se puede usar para extraer información de la diferencia entre dicha temperatura y la del aire. Para la determinación del flujo de evapotranspiración como término residual del balance de energía, se han desarrollado procedimientos operativos, entre los que destacamos el denominado SEBAL (Bastiaansen et al., 1996) que se está aplicando en diferentes circunstancias y climas (Tasumi et al., 2003) y el denominado SEBI (Menenti, et al., 2003). Otros procedimientos para la determinación de la evapotranspiración son los denominados métodos simplificados directos. Estos procedimientos están basados en la hipótesis que es posible relacionar directamente evapotranspiración diaria ETd a la medida instantánea de la diferencia de temperaturas (Ts – To)i, planteada inicialmente por Jackson et al. (1977), en la forma: ETd = Rn + A – B (Ts –Ta)i

[18]

donde A y B son constantes que han de ser ajustados localmente, y Ts es determinada desde las imágenes de satélite. Una extensa descripción de estos métodos se realiza por Caselles et al. (1993). Las principales hipótesis en estos procedimientos son que el cociente H/Rn es constante a lo largo del día, y que el flujo térmico en el suelo Gd = 0. El seguimiento de dicha diferencia de temperaturas permite definir el denominado Indice de Estrés Hídrico del Cultivo (CWSI) (Jackson et al., 1981), para cultivos con cobertura efectiva completa en la forma: CWSI = 1 – (ET/ETc) = (To – To,min)/(To,max – To,min)

[19]

CWSI = Índice de estrés hídrico del cultivo. ET

= Evapotranspiración (actual).

ETc

= Evapotranspiración del cultivo en condiciones óptimas.

To

= Temperatura de la cubierta (actual).

To,min = Temperatura de la cubierta si estuviera en condiciones óptimas de suministro de agua y crecimiento. To,max = Temperatura de la cubierta en el caso de que los estomas estuvieran totalmente cerrados. Dado que CWSI se define para cultivos con cubierta completa, refinamientos para estimar el estrés hídrico para cubiertas en diferente grado de cobertura han sido desarrolladas, utilizando a la vez Índices de Vegetación y temperaturas de superficie. Si se dispone en la imagen de cultivos en todas las circunstancias, la representación en un diagrama de las temperaturas de superficie y el Índice de Vegetación da lugar a un trapezoide (Moran et al., 1994). Otro conjunto de procedimientos son los denominados métodos indirectos, también llamados métodos «determinísticos» (Courault et al., 2003) porque describen los intercambios entre el suelo, la planta y la atmósfera según los procesos físicos que ocurren en dicho intercambio en un intervalo temporal pequeño, típicamente un segundo o 563

una hora (modelos Soil Vegetation Atmosphere, SVAT). La complejidad de los modelos es muy variable, desde la representación simplificada de la cubierta como una gran hoja hasta complejas representaciones multicapa. Los principales parámetros obtenidos desde las imágenes son la fracción de cobertura vegetal, albedo, LAI, emisividad, clase de cultivo, muchos de los cuales se obtienen desde las reflectividades en la región del espectro solar, tal y como se ha descrito anteriormente.

6.

IDENTIFICACIÓN DE CULTIVOS DE REGADÍO Y SU DISTRIBUCIÓN ESPACIAL; MAPAS TEMÁTICOS

La obtención de cartografía temática es uno de los grandes objetivos que están presentes en la mayoría de los trabajos en teledetección desde sus orígenes, dada la gran cantidad de aplicaciones que estos mapas tienen. Estos mapas temáticos, producto del proceso de clasificación, pueden plantearse bien como resultado final del trabajo o bien como paso intermedio, que permite obtener información sobre uno o varios de los diferentes usos de suelo y cubiertas vegetales. El proceso de clasificación es el conjunto de técnicas y procedimientos que tienen por finalidad la consecución de unos mapas, en los que se detalla la distribución espacial de los diferentes usos de suelo o diferentes tipos de cubierta vegetal, existentes en una determinada zona. Dicho procedimiento utiliza como base imágenes de satélite que son la herramienta idónea para la obtención de dichos mapas temáticos en una región extensa. En todo caso, la cartografía temática presenta un alto valor en sí misma, sin agotar su interés en la identificación de los cultivos de regadío. De hecho, la discriminación de estos cultivos requerirá de la identificación del resto de cubiertas presentes. Además, al estar en formato digital, se tiene una gran facilidad en su manejo y análisis cuantitativo. La facilidad de manejo se refuerza en gran medida integrando los mapas en un Sistema de Información Geográfica (Calera et al., 1999), que proporciona herramientas que permiten operaciones automatizadas, tales como la superposición y cruce con otros mapas o con capas de información en las que la posición espacial es un dato relevante. La detección espacial y temporal de cambios, de nuevos regadíos por ejemplo, se convierte en una sencilla operación, una vez se dispone de los mapas. 6.1.

EL PROCESO DE CLASIFICACIÓN. LA CLASIFICACIÓN DIGITAL

Tradicionalmente se han distinguido dos formas de enfocar el proceso de clasificación: la clasificación digital y la fotointerpretación. Fotointerpretación La fotointerpretación, también denominada interpretación visual de imágenes, es la técnica o conjunto de técnicas que requiere de un especialista (analista o intérprete) que extrae información de la imagen mediante inspección visual. Dichas técnicas recogen el conocimiento adquirido durante décadas, especialmente en relación con la interpretación de la fotografía aérea. Su aplicación exige intervención humana directa para realizar el análisis y la interpretación. El éxito en la asignación depende de la capaci564

dad y habilidad del analista para identificar eficazmente los elementos espaciales, espectrales y temporales, tales como la forma, el tamaño, la textura, el tono, las sombras, la posición, etc., que permiten identificar los objetos presentes en la imagen. Para producir una correcta fotointerpretación se necesario un gran conocimiento de la zona de estudio. La clasificación digital, o simplemente clasificación, es el método que, mediante el uso del ordenador, examina cada píxel, o porción mínima de la imagen que es separable espacialmente, asignándole a una clase determinada en función, básicamente, de sus características espectrales. Ambas formas, fotointerpretación y clasificación, que permiten identificar y asignar los elementos de la imagen a una serie de categorías o clases, aunque tienen sus propios procedimientos, son complementarias más que excluyentes. Una comparación entre fotointerpretación y clasificación se presenta en la Tabla 14.3. Tabla 14.3. Comparación entre los procesos de fotointerpretación y clasificación digital Fotointerpretación (se hace por un analista/intérprete)

Clasificación digital (interviene un ordenador)

El proceso se hace en una escala La asignación se hace píxel a píxel. superior al tamaño del píxel. La estimación de áreas es costosa y poco precisa. Es posible una estimación de superficies rápida y precisa. Solamente se puede considerar un limitado Pueden tenerse en cuenta todos los niveles de brillo número de brillo, (16). disponibles, (64,256,1024,...). La determinación de formas espaciales es fácil La determinación de formas espaciales requiere y clara. de sofisticadas y complejas técnicas. La información espacial es sencilla y fácil de Existen limitaciones técnicas para hacer uso de la utilizar. información espacial en el análisis.

Así la fotointerpretación sirve para asignar a las diferentes clases las cubiertas vegetales que dan lugar a aquellas. Por otro lado la fotointerpretación utiliza, cuando se realiza sobre imágenes digitales, aspectos tales como el realce de bordes mediante la aplicación de filtros, que consiguen resaltar las características espaciales, así como las combinaciones multibanda. Estas combinaciones consistentes en asignar a la imagen en una banda espectral un color son ampliamente utilizadas para ayudar al fotointérprete. Un aspecto en que la fotointerpretación ofrece ventajas es en el análisis espacial, en el que la interpretación visual entrenada supera notablemente al procedimiento digital por ordenador. El análisis espacial se centra en la forma, tamaño, orientación, textura y contexto en una imagen: ríos, trasvases, carreteras, lineamientos geológicos, áreas urbanas, etc., son identificados por su disposición espacial. Un ejemplo de reconocimiento por la forma se refiere a las parcelas que utilizan la tecnología de regadío «pivot» que les confiere una forma circular, lo que permite su identificación con facilidad. Un ejemplo ya clásico que ilustra la diferencia y la complementariedad entre ambos procedimientos se refiere al proceso de estimación de superficies una vez que ya se ha clasificado una imagen. Así, si deseamos estimar la superficie ocupada por unos cultivos de regadío identificados mediante fotointerpretación, sería necesario, en 565

el procedimiento clásico, planimetrar las regiones identificadas, lo que es una tarea costosa frente a la realización de una sencilla operación (un histograma) si el proceso se hubiera llevado mediante clasificación digital. Sin embargo, hoy en día, en vez de planimetrar, el fotointérprete señalará las zonas digitalmente, y, con las técnicas de tratamiento digital, calculará la superficie de las zonas indicadas. Como resultado de esta complementariedad es muy frecuente, y de gran utilidad en un proceso de clasificación, combinar fotointerpretación y clasificación digital, tanto en las fases previas como en la verificación de resultados, lo que se traduce en una mayor precisión del mapa temático, que es el objetivo final. Clasificación digital La clasificación digital es el conjunto de técnicas que permiten asignar cada píxel de la imagen a una de las clases definidas, en un proceso altamente automatizado, en el que el espectacular desarrollo de la capacidad de procesar información mediante ordenador juega un papel muy importante. La tarea de clasificación digital consiste, en síntesis, en tratar la información espectral asociada a cada píxel, como un vector cuyas coordenadas, además de las correspondientes a su posición, son los valores, en niveles digitales o reflectividades, que tiene ese píxel en cada banda. El número de coordenadas que se utilicen establecerá el número de dimensiones que tendrá el espacio vectorial definido. Estas dimensiones pueden ser no sólo los valores medidos en cada banda de la imagen multiespectral, sino que también pueden utilizarse como dimensiones las combinaciones de bandas, imágenes de otras fechas o incluso otra información procedente de lo que se denomina el conjunto de información auxiliar, que habitualmente se refiere a la evolución fenológica de los cultivos, clima, orografía, suelos, etc. La tarea de establecer las clases a las que asignar un píxel, consiste en realizar la comparación cuantitativa de la signatura espectral del píxel, dada por las coordenadas del vector correspondiente, con las de las clases de referencia, que serán aquellas que identifican a cada una de las clases presentes en la imagen, tal y como se refleja en la figura 14.16. En la práctica la situación es bastante más compleja, de forma que es frecuente que alguna cubierta tenga una clase espectral similar a la de la otra cubierta; en este caso no existiría separabilidad espectral en ese espacio vectorial entre ellas. Esto es así, porque también en los usos de suelo existen muchas gradaciones, desde suelo desnudo hasta cultivo vigoroso, desde forestal denso hasta zonas desprovistas de vegetación. Incluso dentro de un cultivo que se puede considerar más o menos homogéneo, existe una gran variabilidad espacial, que aparece en muchas escalas espaciales de observación. El ejemplo más evidente son las zonas de borde de las parcelas donde se produce una brusca transición de un cultivo a otro o a suelo desnudo. En estos casos, la respuesta del píxel de borde integra la procedente de cada una de las cubiertas que lo componen, en proporción generalmente desconocida. En la clasificación digital se distinguen dos grandes procedimientos tipo: clasificación supervisada, y clasificación no supervisada (Richards, 1995). Estos procedimientos se diferencian en cuanto a la forma de obtener las nubes de puntos que permitan establecer las clases espectrales de referencia para proceder a su asignación en un píxel. 566

Banda 7

Nivel digital o reflectividad de un píxel en cada banda

Banda 6 Banda 5

Agua

Banda 4

Cereal ~

W W

~

W W

W W W

Imagen de satélite

Mapa temático Clasificación

Fig. 14.16. Clasificación según el principio de reconocimiento de patrón espectral. Cada clase responde a un determinado patrón espectral en una o varias imágenes multiespectrales. (Adaptado de Richards, 1995).

La clasificación no supervisada es aquel conjunto de técnicas por los cuales los píxel en una imagen son asignados a las clases espectrales sin que el usuario tenga un conocimiento anterior de la existencia de estas clases. Este procedimiento no requiere, en principio, de la intervención de un «intérprete». Esencialmente se utiliza para determinar las clases espectrales en las que se agrupan los píxel que se hallan en una imagen. Por tanto se identifican las clases a posteriori, asociando cada una de las clases espectrales a una clase temática, correspondiente a su vez a una cubierta vegetal, en función de los datos de referencia de que se disponga. La clasificación supervisada parte del conocimiento a priori de los usos de suelo en unas localizaciones geográficas concretas, denominadas parcelas de entrenamiento, de tal forma que a partir de éstas se generan las clases espectrales de referencia. Algoritmos de clasificación En el ámbito de la identificación de la cubierta vegetal, multitud de procedimientos, métodos y refinamientos se han desarrollado y se desarrollan para conseguir, de la manera más precisa posible, asignar cada píxel a una clase, dada la importancia de los mapas temáticos (Congalton et al., 1998) (Lanjeri, 1998). Se pueden distinguir tres familias de procedimientos en la clasificación (Lillesand y Kiefer, 2000): • Clasificación según patrón espectral (Spectral Pattern Recognition), que designa a la familia de procedimientos que utilizan como base para la clasificación información multiespectral píxel a píxel. Algoritmos de máxima probabilidad, clasificadores en árbol y redes neuronales son los procedimientos más usuales. El método de clasificación más frecuentemente utilizado es el algoritmo de máxima probabilidad, procedimiento clásico basado en análisis estadístico sobre las componentes del vector que identifican cada píxel, de tal forma 567

que este método se suele utilizar como referencia para comparar con otras técnicas y procedimientos. • El clasificador de máxima probabilidad consiste en construir matemáticamente el criterio estadístico que permita, la asignación de un determinado píxel a una determinada clase, en función de su mayor semejanza. Prescindiendo del formalismo matemático, que se describe ampliamente en Richards (1995), el criterio de decisión se formula estableciendo unas funciones discriminantes, de tal forma que un píxel se asigna a una clase cuando dicha función toma un valor máximo. En esas funciones juegan un papel esencial las parcelas de comprobación. Estas parcelas, en las que conocemos la cubierta que en ellas se da, permiten definir numéricamente la clase espectral de referencia con la que se establecerá la comparación. • Clasificación según el patrón espacial (Spatial Pattern Recognition): en este caso la asignación a una clase de los píxel de una imagen se realiza en función de las relaciones espaciales de cada píxel con sus vecinos: textura, proximidad, tamaño, forma, direccionalidad, repetitividad y contexto son algunas de estas relaciones espaciales. El más simple de los clasificadores de contexto es el conjunto de las operaciones de filtrado que tienen en cuenta a los píxel vecinos. • Clasificación según el patrón temporal (Temporal pattern recognition). En este caso se utiliza la evolución temporal de una cubierta como el principal criterio para asignar a cada una de las clases. Así, en vez de utilizar un patrón o signatura espectral, se utiliza un patrón o signatura temporal para cada clase o categoría. De esta forma la asignación de un píxel a una categoría se realizará a aquella que su evolución temporal tenga más semejanza. Para realizar esta asignación se aplican los mismo algoritmos que para el caso de la signatura espectral anteriormente mencionados. La necesidad de utilizar la clasificación multitemporal surge como consecuencia de que es usual la presencia de una gran diversidad de cultivos y vegetación natural con diferentes patrones temporales de siembra y desarrollo. La gran variabilidad espacial de los cultivos y vegetación natural y su dinamismo temporal, puede dar lugar a que en el momento de adquisición de una imagen, algunos cultivos todavía no hayan emergido, bien porque no se han sembrado todavía, o porque se encuentren en una fase demasiado temprana, y otros pueden haberse cosechado por lo que no serán identificados al dar una respuesta correspondiente al suelo desnudo y el mapa temático correspondiente a una campaña agrícola estará incompleto. El criterio principal de discriminación de los cultivos se va a basar, por tanto, en las diferencias que presenta la evolución fenológica en el tiempo de los diferentes cultivos y vegetación natural, lo que exige un conocimiento lo más detallado posible de esa evolución. Así pues aquellos cultivos que tengan una similar evolución temporal se asignarán a una misma clase o categoría. La magnitud física derivada de las imágenes que mejor describe la evolución fenológica y los parámetros biofísicos de los cultivos son los Índices de Vegetación (Moran et al., 1997), tal y como se ha explicado anteriormente. Por ello la signatura o patrón temporal de un cultivo será el descrito por el NDVI. La elección del NDVI se basa, además de su capacidad en la descripción de la evolución temporal de los parámetros bio568

físicos, en que va a permitir para su obtención el uso de diferentes sensores con diferente resolución espacial y anchos de banda, dado la posibilidad de intercalibración entre las observaciones de ellos (Steven et al., 2003) (Martínez et al., 2003). Asimismo la evolución típica del NDVI para un cultivo es conocida previamente a través de información auxiliar, lo que facilita la selección de las parcelas de comprobación. Utilizar como criterio de clasificación la semejanza en la evolución temporal del NDVI es relevante desde el punto de vista de las necesidades hídricas de los cultivos, ya que la demanda evaporativa acumulada de la atmósfera representada por la evapotranspiración de referencia es semejante para todos los cultivos que integran una misma clase. Al tener estos cultivos una evolución temporal semejante, los coeficientes de cultivo también lo serán, por lo que se puede asignar unas necesidades hídricas promedio por clase (Martín de Santa Olalla et al., 2003). La trayectoria en el tiempo descrita por el NDVI constituye un elemento identificador con mayor poder de discriminación que la propia respuesta espectral (Badhwar et al., 1982). Si la trayectoria en el tiempo permite describir las distintas fases del desarrollo fenológico, se puede discriminar entre cultivos o grupos de cultivos que presenten, en su evolución fenológica, trayectorias temporales diferentes. Precisión en la clasificación La estimación de la exactitud alcanzada por el mapa de clasificación puede realizarse por varios criterios: • Comparando el mapa de clasificación con los obtenidos por otros criterios o por otras fuentes convencionales. • Seleccionando unas áreas de verificación (verdad del terreno) para las que se cuenta con el conocimiento de las cubiertas realmente presentes en el suelo. Habitualmente este conocimiento se adquiere directamente por trabajo de campo. En la mayoría de los casos, especialmente al tratarse de superficies extensas, el conocimiento directo alcanza a una muestra de parcelas. La forma cuantitativa usual de expresar la precisión es construir la denominada matriz de confusión. La matriz de confusión es una tabla de doble entrada en la que las filas representan los datos procedentes de la verdad del terreno y las columnas los datos procedentes del mapa de clasificación. Los datos de la diagonal expresan el acuerdo entre unos y otros. El resto de casillas expresa los errores de asignación. La fiabilidad total del mapa es la relación entre el número de píxel correctamente asignados y el total de muestreados. Los residuales en filas indican el número de píxel de cubierta real que no se incluyeron en el mapa, mientras los residuales en columnas implican cubiertas en el mapa que no se ajustan a la realidad. En definitiva expresan la precisión del productor (errores de omisión), y la precisión del usuario (errores de comisión). Un ejemplo de matriz de confusión se da en la tabla 14.4 realizada para medir la precisión en la identificación de cultivos de regadío en La Mancha Oriental (Martínez y Calera, 2001), en una zona en la que se ha dispuesto de un exhaustivo trabajo de campo. La matriz expresa el grado de precisión obtenido en el mapa temático corres569

pondiente a dicho año. Los valores de las celdas de la matriz se expresan en píxel. La última columna expresa en tanto por ciento el concepto de «precisión del productor» PP, y la última fila el concepto de «precisión del usuario» (PU). La precisión global es el número de aciertos dividido por el total de píxel muestreados. En el ejemplo de la tabla 14.4, la precisión es del 94%. Tabla 14.4. Ejemplo de una matriz de confusión Verdad Terreno

Mapa de clasificación CS

BB

RP

RV

CV

F

Total

Cultivo secano CS 12.909 Barbecho BB 76 Regadío Primavera RP 196 Regadío Verano RV 28 Cultivo Verano CV 49 Forestal F 34

113 1.118 2 1 28 1

244 1 2.843 33 3 21

57 2 30 1.120 1 30

44 48 24 63 1.160 41

128 1 24 1 48 3.750

13.495 1.246 3.119 1.259 1.302 3.877

Total

13.292

1.263

315

1.253

1.380

3.965

24.298

PU %

0,97

0,89

0,90

0,89

0,84

0,95

PP %

0,96 0,90 0,91 0,89 0,89 0,97

Además de la matriz de confusión, para estimar la precisión del mapa temático obtenido se manejan otros índices como el estadístico Kappa (κ), que mide la diferencia entre el acuerdo mapa-realidad observado y el que cabría esperar por azar. Este estadístico se define en la forma: N κ=

Σ Xij – i=1,n Σ Xi+ X+i

i=1,n

N2 –

Σ X X i=1,n i+ +i

[20]

donde N es el número total de píxel, Xi+X+i representan el marginal de la columna i, y el marginal de la columna j, respectivamente, y Xij representa los valores de la diagonal. 6.2.

APLICACIONES DE LOS MAPAS TEMÁTICOS EN LA GESTIÓN DEL REGADÍO

La obtención de un mapa de cultivos de regadío y su actualización permanente, que se consigue aplicando la metodología de clasificación anteriormente descrita, es una herramienta poderosa para la gestión en el regadío. Numerosos trabajos se han desarrollado utilizando estas técnicas en prácticamente todos los lugares del mundo. Destacamos entre otros en España, en la identificación de cultivos regados los trabajos de (Prados, 1995) (Casterad, 1997) (Martínez y Calera, 2001). Una revisión general se puede encontrar en Bastiaansen (1998) y Menenti (2000). La combinación de los mapas temáticos que muestran la distribución espacial de los cultivos en regadío con las tecnologías de Sistemas de Información Geográfica permite reforzar el uso y potencialidad de estos mapas, ya que es posible introducir capas de información como el catastro digital de la propiedad rústica y, de este modo, asociar la información desde el mapa temático a la parcela catastral, lo que permite incorporar información acerca de las características agronómicas y administrativas (Calera et al, 1999). Asimismo la gran capacidad de análisis integrando las diferentes 570

capas de información permite la extracción de información en la escala espacial y temporal adecuadas. El valor de la información asociada al mapa temático depende, por un lado de los elementos inherentes al mapa como es la precisión y la resolución espacial o escala a la que el mapa se haya confeccionado. La escala ha de permitir identificar la unidad menor de cultivo homogéneo objeto de interés, que será la unidad de gestión elemental, usualmente la parcela catastral, aunque el tamaño de la unidad de gestión pueda ser definido con un valor estadístico. Por otro lado, el valor del mapa estará en relación con la oportunidad del momento en que se suministre la información al usuario. El valor asociado al momento en que la información esté disponible depende del uso que se vaya a hacer de ella. Por ejemplo, a efectos de realización de un estudio estadístico, o de reconocimiento de derechos de regadío, un mapa temático será útil varios meses, o incluso años, después de la campaña agrícola correspondiente. Experiencias de uso de los mapas temáticos para el reconocimiento de los derechos de regadío empiezan a ser comunes en muchas regiones, como es el caso de La Mancha (Calera y de la Cruz, 2003). Sin embargo, si lo que se trata es de seguir la superficie de cultivos en regadío para controlar el cumplimiento de un plan de explotación, en el que se han establecido limitaciones en el consumo de agua, el instante que confiere un alto valor al mapa es cuando los cultivos estén todavía en pie, y pueden por tanto ser verificados mediante trabajo de campo sobre una parcela concreta. Es evidente que la obtención de un mapa de cultivos de regadío para cada campaña agrícola permite el análisis de la evolución de las superficies regadas, y permite construir la «historia» de los cultivos bien de una parcela individual, bien en otro ámbito espacial. La figura 14.17 muestra la evolución temporal de la superficie identificada como regadío mediante teledetección para el acuífero Mancha Oriental también denominado acuífero 08-29. Dicho acuífero está situado a caballo entre las provincias de Albacete y Cuenca, y abarca una superficie de cerca de 10.000 km2. En la misma figura se muestra la evolución de los cultivos agrupados en tres clases: cultivos de regadío de primavera (cebada, trigo, guisantes, ajos ,...) cultivos de regadío de verano (maíz, remolacha, cebollas, ...) y cultivos de regadío de primavera-verano (alfalfa, dobles cosechas,...). El mismo análisis puede realizarse para cualquier otro ámbito espacial como términos municipales, unidades hidrogeológicas, etc. Seguimiento de las extracciones de agua en diferentes ámbitos espaciales La identificación de los diferentes tipos de cultivos en regadío permite estimar las necesidades hídricas de riego por unidad de superficie (NHR) en un determinado ámbito espacial en la forma: NHR = (∑ Si NHRi)/∑ Si)

[21]

NHR = Necesidades hídricas de riego promedio por unidad de superficie [m3 ha–1]. NHRi = Necesidades hídricas de riego por unidad de superficie para cada una de las clases presentes en el mapa temático [m3 ha–1]. = Superficie de la clase i presente en el ámbito espacial en estudio [ha]. Si 571

Evolución de la superficie de riego en el acuífero 08-29 90.000 80.000 70.000

ha

60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000

Regadío Verano

Regadío Primavera

Regadío Primavera-Verano

Total

02 20

20

00

98 19

96 19

86 19

84 19

19

82

0

Fig. 14.17. Evolución de las superficies identificadas como regadío mediante teledetección en el ámbito del acuífero Mancha Oriental, por clases y en su totalidad. (Adaptado de Calera y de la Cruz, 2003).

Las necesidades hídricas de riego para cada clase han de ser determinadas bien externamente, lo que se hace de forma usual desde el Servicio de Asesoramiento de Riegos, o de otra fuente, o bien desde la propia secuencia temporal de imágenes por los procedimientos comentados anteriormente que permiten estimar la evapotranspiración (Martín de Santa Olalla et al., 2003). El ámbito espacial sobre el que se puede realizar este cálculo oscila desde la parcela, como unidad elemental de gestión, hasta el mapa completo. En el caso de utilizar imágenes Landsat, cuyo tamaño es de aproximadamente 180 × 180 km, el ámbito espacial contenido en una sola imagen puede ser el correspondiente a acuíferos de gran tamaño, incluso cuencas hidrográficas. Este análisis, lógicamente puede extenderse a ámbitos espaciales mayores. Otros procedimientos basados en métodos estadísticos para determinar las necesidades de agua para riego se muestra en Casterad et al. (1997). Seguimiento de los planes de explotación El plan de explotación de un acuífero o de una zona regable es el instrumento de gestión esencial en un área, pues asigna el volumen máximo de agua que puede ser utilizado para riego. Es usual que esta asignación se realice individualizadamente para 572

Evolución del volumen total de riego en el acuífero 08-29 450 400

Hm3

350 300 250 200 150

Fig. 14.18.

02 20

00 20

98 19

96 19

86 19

84 19

19

82

100 Año

Evolución de los consumos de agua para riego en el ámbito espacial del acuífero Mancha Oriental (Calera y de la Cruz, 2003).

cada explotación agraria en términos de volumen máximo promedio por unidad de superficie, el cual multiplicado por la superficie de riego de la explotación daría el volumen total asignado a ella. En muchas zonas regables, la unidad mínima de gestión del agua no es la explotación agraria, sino aquella denominada Unidad de Gestión Hídrica, UGH, que sería aquel grupo de parcelas que usan el agua de forma conjunta (Martín de Santa Olalla et al., 2003). En este caso el Plan de Explotación se referirá a la UGH, que podrá o no coincidir con una explotación agrícola. El cálculo de las necesidades hídricas promedio de cada explotación o UGH desde el mapa de cultivos de regadío es una sencilla operación de análisis espacial y permite conocer de forma rápida aquellas UGH que cumplen o no el plan de explotación, lo que pone en mano de los gestores hídricos una importante herramienta de ayuda a la toma de decisiones. Experiencias acerca del seguimiento por el procedimiento descrito se están llevando a cabo en el acuífero Mancha Oriental. Detección de cambios en los usos de suelo La disponibilidad de los mapas temáticos en formato digital, permite obtener fácilmente datos cuantitativos en cuanto a las superficies ocupadas por las diferentes clases temáticas representados en la imagen. Tan importante como el conocimiento del inventario correspondiente a un año es la cuantificación de los cambios que sufren las superficies destinadas a las diferentes cubiertas vegetales en el tiempo. El uso conjunto de tecnologías de Sistemas de Información Geográfica permite seguir la evolución temporal de las diferentes cubiertas contempladas en los mapas de clasificación (Lyon et al., 1998). Es de notar que aunque comentamos la detección de cambios desde los cambios en los mapas temáticos, otras técnicas y procedimientos se han desarrollado para realizar este proceso (Chuvieco, 2002). 573

Detección de áreas con problemas de salinidad La salinidad de los suelos en parcelas regadas afecta al desarrollo de la planta en muy diferentes maneras y grados de severidad, dependiendo del tipo de planta y de la salinidad del agua. Los efectos producidos por la salinidad del agua en el suelo, ordenados en función de la severidad producida se suelen agrupar en: reducir el crecimiento del cultivo, germinación pobre y en mosaico, cultivos en estrés, muerte del cultivo, aparición de especies adaptadas a la salinidad, suelos desnudos con inflorescencias salinas, y desarrollo de costras salinas. De forma general, el crecimiento de la planta en condiciones salinas se reduce por varios mecanismos, que incluyen por un lado la disminución del ritmo de evapotranspiración, debido a la afinidad del agua por la sal lo que reduce el potencial del agua en el suelo, lo que produce estrés hídrico y efectos tóxicos debidos a la presencia frecuentemente causados por el cloro y el sodio presentes, que reducen el metabolismo (Allen et al.,1998). En todo caso la presencia de salinidad produce la disminución de la cobertura vegetal, del LAI, fAPAR, y el resto de parámetros que describen el crecimiento de la vegetación, y que por tanto pueden ser determinados desde imágenes de satélite, especialmente por comparación con parcelas en las que el crecimiento sea óptimo. Las aplicaciones en teledetección se han dirigido esencialmente a la identificación y realización de mapas de suelos cultivados afectados por salinidad, y a la identificación y a la realización de mapas, desde el punto de vista de la mineralogía de los saladares (Bastiaansen, 1998).

7.

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ANEXO.

ÍNDICES DE VEGETACIÓN

Siguiendo a Rondeaux et al. (1996) los diferentes índices, de los que se han recogido los más usuales en la Tabla A.1, pueden clasificarse en tres categorías: A)

Índices intrínsecos

Estos solamente consideran en su formulación los valores de la reflectividad medidos en las bandas espectrales correspondientes al rojo y al infrarrojo cercano, tales como los denominados RATIO, NDVI. Este último es el índice más usado por su simplicidad en la formulación, así como por su buena correlación con las propiedades biofísicas de la cubierta vegetal. B)

Índices que en su formulación incorporan la línea de suelo

Estos índices incluyen parámetros que representan la línea de suelo, denominada así porque la relación entre las reflectividades en las bandas del rojo e infrarrojo, tiene la forma de una línea recta para los suelos desnudos. Toda esta familia de índices, que sigue engrosándose (Gonzalez, 1999) tiene el objetivo de intentar reducir la influencia del suelo sobre el que se asienta la cubierta vegetal, influencia que es mayor, lógicamente, cuando la vegetación es escasa. Dentro de estos índices distinguiríamos dos subfamilias: B.1) Aquellos que se definen en función de la distancia entre la reflectividad de la cubierta vegetal, en la banda del rojo y del infrarrojo próximo, a la línea de suelo, tales como el Perpendicular Vegetation Index, PVI, su sucesor Weighted Difference Vegetation Index, WDVI, o el antecesor Green Vegetation Index, GVI, en el que la distancia se expresa en un espacio de cuatro dimensiones que se genera en la transformación denominada Tasseled Cap. 579

B.2) Aquellos que unen al concepto de diferencia normalizada, reflejada en el NDVI, a la noción de línea de suelo, como el Soil-Adjusted Vegetation Index, SAVI, y modificaciones posteriores: Transformed SAVI, TSAVI, Modified SAVI, MSAVI, Optimized SAVI, OSAVI, Generalized SAVI, GESAVI, etc. C)

Índices que incorporan corrección atmosférica

Para reducir la dependencia del NDVI de las propiedades de la atmósfera, se han propuesto modificaciones en la formulación de índices, como ARVI, Atmospherically Resistant Vegetation Index. Este índice puede acoplarse con el SAVI, o con sus modificaciones, para dar los denominados SARVI, TSARVI, etc. Tabla A.1. Tabla resumen de algunos Índices de Vegetación. Los símbolos NIR y R significan la reflectividad en las bandas infrarrojo cercano y rojo. Se han agrupado en las clases señaladas por Rondeaux et al. (1996) A. Índices intrínsecos Ratio Vegetaux Index (Pearson y Miller, 1972) Normalized Difference Vegetation Index (Rouse et al., 1974)

RVI =

NIR R

NDVI =

(NIR – R) (NIR + R)

B. Índices que usan la línea de suelo Los coeficientes a y b son, respectivamente, la pendiente y la ordenada en el origen de la línea de suelo (NIRs = aRs + b). s significa suelo. Perpendicular Vegetation Index PVI = √(NIRc – NIRs)2 + (Rc – Rs)2 (Richardson y Wiegand, 1977). Los subíndices c y s hacen referencia a cubierta vegetal y suelo, respectivamente. Weighted Difference Vegetation Index (Clevers y Verhoef, 1993)

WDVI = (NIR – aR)

Soil Adjusted Vegetation Index (Huete, 1988)

(NIR – R) SAVI = (1 + L) (NIR + R + L) L = 0,5

Transformed SAVI

TSAVI =

(Bared y Guyou, 1991)

a (NIR – aR – b) [R + a (NIR – b) + 0,08 (1 + a2)] donde 0,08 es un parámetro de ajuste.

Modified SAVI

MSAVI =

(Qi et al., 1994)

donde L = 1 – 2a · NDVI · WDVI

Two-axis Vegetation Index (Xia, 1994)

580

(1 + L) · (NIR – R) (NIR + R + L)

(NIR – R – ∆) TWVI = (1 + L) (NIR + R + L) – donde ∆ = √2 · [exp (–K · LAI] · D K es un coeficiente de extinción, relacionado con la distribución de los ángulos de las hojas, (NIRs – aRs – b) D= , LAI es el índice de √ 1 + a2 área foliar, y L es un parámetro que se ajusta entre 0 y 1.

(Rondeaux et al., 1996)

NIR – R NIR + R + 0,16 donde 0,16 es un parámetro de ajuste.

Generalized SAVI

GESAVI =

Optimized SAVI

(Gilabert et al., 2002)

C.

OSAVI =

NIR – aR – b R+Z donde Z hace referencia al punto de corte de las isolíneas de vegetación con la línea de suelo. Un valor adecuado de Z es 0,35.

Índices que corrigen los efectos de la atmósfera

(NIR – RB) (NIR + RB) (Kaufman y Tanré, 1992), donde RB = R – γ (B – R), que es una combinación de las reflectividades en el azul, B, y en el rojo, R, y γ es un parámetro que depende del contenido en aerosoles, siendo un valor usual γ = 1. Atmospherically Resistant Vegetation Index

ARVI =

Soil-Adjusted and Atmospherically Resistant Vegetation Index SARVI (Kaufman y Tanré, 1992) (se obtendría modificando SAVI, de tal manera que sustituiríamos R por RB).

581

CAPÍTULO XV

Los regadíos en España: el ahorro de agua recurso de futuro

Prudencio López Fuster Amelia Montoro Rodríguez

1.

El planteamiento del problema.

2.

Los regadíos en España.

3.

2.1.

La distribución de las demandas de agua.

2.2.

La demanda de agua para uso agrícola.

El ahorro sistemático del agua para riego. 3.1. La mejora de las infraestructuras básicas de los regadíos. Eficiencia de cuenca y eficiencia de zona. 3.2. La modernización de los sistemas de aplicación del agua en el suelo. La eficiencia en parcela. 3.3. El conocimiento de la productividad del agua y de su eficiencia agronómica y económica. 3.4. Una gestión eficaz de los recursos. La eficiencia en la gestión.

4.

Las posibilidades de ahorro de agua utilizada en la agricultura.

5.

La eficiencia política del uso agrícola del agua.

6.

Referencias bibliográficas.

1.

EL PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Si tuviésemos que resumir las ideas fundamentales que expondremos a continuación sobre el necesario ahorro sistemático del agua para el regadío, probablemente nos encontraríamos con una fundamental: los usos prioritarios del recurso agua irán detrayendo cantidades a la utilización agrícola de la misma, y este hecho supondrá la necesidad de utilizar el ahorro como la principal fuente de agua para el futuro. Trataremos de exponer en este trabajo que ello es posible en España y en general en todos aquellos países en los que es necesario el riego para mejorar la productividad de sus tierras de cultivo. El ahorro provendrá necesariamente de la mejora de las diferentes eficiencias de uso del agua en la agricultura. De la mejora de las infraestructuras básicas de los antiguos regadíos y de la correspondiente eficiencia de zona en los mismos; de la modernización de los equipos de aplicación del agua al suelo y la correspondiente mejora de la eficiencia en parcela; de la mejora de la productividad del agua y de su eficiencia agronómica y económica, y por fin de la elaboración de modelos que conduzcan a la explotación sostenible de los diferentes sistemas que aportan los recursos hídricos. Estos últimos pondrán en manos de las comunidades de usuarios las herramientas necesarias para la mejora de la eficiencia en la gestión de los mismos. A todo este camino por recorrer, podemos añadir una última posibilidad como lo es la mejora de la eficiencia política del agua, es decir, la posibilidad de conseguir ahorros importantes por la simple modificación de las políticas de ayudas directas a los cultivos en los países desarrollados. La suma de todas estas actuaciones hacia la modernización de los regadíos españoles conseguiría un ahorro sistemático y estructural del agua para riego, y ella misma supondría la disponibilidad de importantes recursos que trataremos de estimar más adelante. En un escenario mundial en el que parece estabilizada la superficie global cultivada, sin perspectivas de ser aumentada en un futuro previsible por imparables razones de sostenibilidad en las cuales no es momento de detenerse, parece que el regadío será esencial para lograr el objetivo de producir suficientes alimentos para la humanidad en el futuro (Fereres, 2001). Sin embargo a esta evidencia se opone otra no menos potente, como lo es el hecho de que las demandas para usos más prioritarios irá disminuyendo las posibilidades de utilización de mayores cantidades de agua para el regadío en detrimento de las de abastecimiento urbano, ecológicas, etc. Dicho de manera más 585

directa, el 72% del agua dulce utilizable en el planeta, que ahora se usa en regar nuestros cultivos, no se podrá mantener en el próximo futuro, e irá disminuyendo esa proporción en favor de los otros usos prioritarios comentados. El reto está servido: producir más con menos agua, o mejor dicho, producir más con una mayor eficiencia en la utilización del agua para el regadío. La consecución de esa mayor eficiencia en el uso del agua, necesita grandes inversiones en la mejora de las redes y en la distribución del agua hasta la parcela de regadío, así como también la mejora tecnológica que nos permita regar con una alta eficiencia agronómica del agua aplicada para conseguir la mayor uniformidad. Los países desarrollados que disponen de grandes superficies en regadío dan pasos firmes hacia su mejora, pudiendo atender a las necesidades de capital para llevarlas a cabo. Sin embargo, esa circunstancia no es posible en los países pobres o en vías de desarrollo, en los que la falta del capital necesario para acometer las mejoras, paralizará ese proceso hasta conseguir la correspondiente financiación y ayuda técnica, que tendrá que llegar necesariamente del mundo desarrollado a través de vías ciertas y seguras de distribución de los fondos para acometer proyectos rentables.

2. 2.1.

LOS REGADÍOS EN ESPAÑA LA DISTRIBUCIÓN DE LAS DEMANDAS DE AGUA

También para España, «el agua será el más escaso y preciado recurso de este milenio» (Lamo de Espinosa, 2000). El consumo de agua para el riego coloca a nuestro país entre los cuatro primeros consumidores de agua por habitante, unos 1.000 m3 habitante–1 año–1, sólo superado por EE.UU., Canadá e Italia, y por encima de Alemania, Francia o el Reino Unido, por lo que se verá afectada de manera muy determinante por las restricciones que se avecinan comentadas en el epígrafe anterior. Según Lamo de Espinosa, España tiene la desgracia de ser el tercer país del mundo en superficie de regadío, y el primero de Europa. Su desgracia lo es en función de la necesidad de vencer la adversidad de un clima demasiado seco, en donde los cultivos no regados entran en la marginalidad para una producción agrícola capaz de competir con su entorno. Nuestros regadíos ocupan el 15% de la superficie agraria útil, SAU, y producen el 60% de la producción final agraria, y para ello necesitamos el 80% del agua utilizada en usos consuntivos (tabla 15.1). Tabla 15.1. Demanda de usos consuntivos de agua en España. Año 2001 (MIMAM, 2001) Usos consuntivos

Agrarios Abastecimientos urbanos Usos industriales TOTAL

Demanda (hm3/año) Porcentaje (%)

24.100 4.700 1.600

80 15 5

30.400

100

El resto de los usos consuntivos se reparten el 20% del agua no usada en los regadíos, 15% en abastecimientos urbanos y 5% en usos industriales, para hacer un total de más de 30.000 hm3 año–1, a los que deberíamos añadir otros 5.000 más de los usos no consuntivos. 586

La procedencia del agua para atender esas demandas, se distribuye como aparece en la tabla 15.2, lo que supone que casi un tercio del agua utilizada en España procede de aguas subterráneas de los diferentes acuíferos explotados al efecto, procediendo las dos terceras partes restantes de aguas superficiales, reguladas o no, procedente de las diferentes cuencas hidrográficas en las que está dividido el territorio español. En la misma tabla se ha resumido, para cada uno de los casos (aguas subterráneas o superficiales), en qué proporción de las mismas se atienden las diferentes demandas: en ambos casos, en más o en menos proporción, cerca del 80% de los recursos se utilizan para atender demandas de agua para regadío, como era de esperar. Tabla 15.2. Procedencia y proporciones del agua para abastecer las demandas españolas en 2001 (MIMAM, 2001; elaboración propia) Procedencia del agua para

Usos agrícolas Abastecimientos urbanos Usos industriales Totales Porcentaje de procedencia (%)

2.2.

Aguas subterráneas (hm3/año)

Aguas superficiales (hm3/año)

Total (hm3/año)

7.300 1.200 300

16.800 3.500 1.300

24.100 4.700 1.600

8.800

21.600

30.400

29

71

100

LA DEMANDA DE AGUA PARA USO AGRÍCOLA

La superficie de regadíos españoles, es una cifra no muy cierta, que oscila entre los 3.177.800 ha, que figuran en las estadísticas agrarias del MAPA (2000), y los 3.343.000 ha, que maneja la documentación del Plan Nacional de Regadíos (MAPA, 2002) como resultante de las superficies regadas en cada una de las Comunidades Autónomas. 2.2.1.

Distribución territorial de los regadíos españoles

Estas superficies se distribuyen al sur de una línea oblicua imaginaria que iría desde Badajoz a Navarra, (figura 15.1 y tabla 15.3), siendo las Comunidades de Andalucía, las dos Castillas y Aragón, las que disponen de las mayores superficies en regadío, en la lógica de ser también las de mayor extensión superficial. Dentro de las diferentes Comunidades hemos estudiado también la intensificación de los regadíos en cada una de las provincias que la forman. Para ello se ha calculado tanto el porcentaje de la superficie provincial en regadío respecto de su extensión total, proporciones que oscilan entre el 20% de Alicante, y menos del 1% en las provincias cantábricas, existiendo un 6% de media nacional, como respecto de la SAU (Superficie Agraria Útil) de cada Comunidad. En este último caso son muy significativos los valores de este parámetro en las regiones de la Comunidad Valenciana y Murcia, con 36% y 28% de tierras en regadío respecto del total de sus tierras de cultivo, en contraste con los porcentajes para las dos Castillas, Extremadura y Madrid, cuyos valores son un tercio de los anteriores, o los de Andalucía, que son la mitad. El mismo Plan Nacional de Regadíos (PNR) reconoce el gran desfase existente entre la importancia socio-económica de los riegos para el mundo rural y su estado de conservación, adecuación y nivel tecnológico. «Considerando la antigüedad de los 587

Valencia Alicante Murcia

Porcentaje del Riego sobre la superficie total autonómica > 9% 6-9% 3-6%

Sevilla

< 3% Provincias con porcentaje > 15%

Fig. 15.1.

Representación gráfica de la intensificación de los regadíos españoles por Comunidades Autónomas.

regadíos españoles, cabe decir que más del 29% de los mismos superan los 200 años, el 36% tienen más de 90 años, y sólo el 27% tienen menos de 20 años. Señalemos, para calibrar en sus justos términos estos datos, que la antigüedad de un regadío, si bien representa por un lado un paisaje, una cultura y otros valores positivos a conservar, supone a menudo infraestructuras obsoletas, sistemas de riego poco eficientes, minifundismo y otros aspectos muy negativos que permiten dudar de su viabilidad futura». Tal vez no hace falta mucho más comentario. Tabla 15.3. Distribución autonómica de las superficies en regadío en España y proporción de ésta sobre la superficie total de cada Comunidad Autónoma, y sobre el total de tierras de cultivo de las mismas (MAPA, 2000; elaboración propia). Comunidades autónomas

R. de Murcia C. Valenciana La Rioja Aragón Andalucía Cataluña Navarra Castilla-La Mancha Extremadura Castilla y León Baleares Canarias Madrid ESPAÑA

588

Total riego

Porcentaje de riego sobre la superficie total Autonómica (%)

Porcentaje de riego sobre total tierras de cultivo (%)

170.262 342.151 44.286 398.493 714.804 254.549 81.491 417.067 207.940 410.842 19.408 29.298 25.577

15 15 9 8 8 8 8 5 5 4 4 4 3

28 36 25 21 17 25 22 10 14 10 7 23 9

3.177.811

6,3

15,8

2.2.2.

Distribución territorial de los recursos hídricos

Los recursos hídricos necesarios para atender esas demandas de agua para regadío y el resto de usos, no se distribuyen uniforme y regularmente, sino que están disponibles, en la mayoría de los casos de manera suficiente para atender a las mismas (tabla 15.4), suponiendo en otros la existencia de un déficit, que puede llegar, véase la cuenca del Segura, a varios cientos de hm3 al año. Sin embargo de manera general, y en contra de lo que puede parecer, existe un gran superávit hídrico en la península, de casi 20.000 hm3 año–1 (datos utilizados en la confección del PNR, obtenidos de la memoria del Plan Hidrológico Nacional, PHN), cantidad que tiene la particularidad de centrarse en la mitad norte de la península (España húmeda), en la que si exceptuamos la cuenca del Ebro y algunas zonas de Castilla-León, las condiciones climáticas no hacen necesario el regadío. Tabla 15.4. Desequilibrios Hídricos entre demandas y recursos en los diferentes Planes Hidrológicos de Cuenca (MAPA, 1995) Plan hidrológico

Galicia Costa Norte (I, II, III) Duero Tajo Guadiana (I, II) Guadalquivir Sur Segura Júcar Ebro Cataluña Baleares Canarias Totales

Demandas totales

Recursos totales

Balance

793 2.059 4.102 3.447 2.554 4.016 1.163 1.861 3.547 11.451 1.302 308 417

1.580 7.902 8.623 7.174 3.329 3.884 1.119 1.515 3.582 14.364 1.572 372 449

+787 +5.843 +4.521 +3.727 +775 –132 –44 –346 +35 +2.913 +270 –8 +32

37.020

55.465

+18.373

Los déficits actuales que se desprenden de la tabla anterior (todos ellos en la España seca), a los que habría que añadir los futuros previsibles a corto y medio plazo proveniente de la estimación de las demandas en la mayoría de las zonas de regadío, y muy especialmente en el sureste español (Regiones de Murcia y Valencia), son los que pretendía cubrir el trasvase a esas cuencas de hasta 1.000 hm3 año–1, procedentes de la del Ebro, en el Plan Hidrológico Nacional (MIMAM, 2001). 2.2.3. Sistemas de riego empleados en los regadíos españoles y estimación de sus dotaciones medias La actual distribución de los diferentes sistemas de riego utilizados en nuestro país, nos da una idea de la situación que se comentaba más arriba según el propio PNR (tabla 15.5). Del mismo se desprende que siguen predominando en España los riegos por gravedad sin tecnificar; casi dos millones de hectáreas, el 60% de nuestras superficies regadas, lo hacen todavía por este sistema. Cerca de un millón de ha, 24% del total, se riegan por aspersión, sistema en el que también existen grados de tecnificación que van desde el riego automático de la aspersión fija, al riego móvil con cambio de 589

aspersores. El 16% restante se riega a través de riego localizado, o por goteo, en el que tampoco es oro todo lo que reluce, ya que una parte de estas instalaciones se realiza, sin apoyo técnico, por el propio agricultor lo que de ordinario se traduce en una instalación poco eficiente. Tabla 15.5. Clasificación de los regadíos españoles por los sistemas de riego y dotación media estimada para cada uno de ellos (MAPA, 2002; elaboración propia)

(ha)

(%)

Dotación estimada (m3/ha/año)

Gravedad Aspersión Localizado

1.980.000 800.00 563.000

60 24 16

9.300 5.200 2.700

18.400 4.200 1.500

76 18 6

Totales

3.343.000

100

7.010*

24.100

100

Sistema de riego

Superficie

Consumo estimado (hm3/ año)

(%)

* Dotación media de los regadíos españoles en los diferentes ámbitos de los P.H. es de 7.010 m3/ha/año.

Las eficiencias estimadas medias para los diferentes sistemas se recogen en el cuadro que sigue (tabla 15.6), que nos da idea de la trascendencia de utilizar un sistema u otro, y también de las posibilidades de ahorro de agua utilizando los sistemas más modernos y eficientes. Tabla 15.6. Eficiencia de riego teórica de los diferentes sistemas (López Fuster, 2002) Sistema de riego

Superficial a pie Aspersión Pivot Central Localizado por goteo

Eficiencia teórica (%)

Posibilidad de ahorro (% sobre riego a pie)

40 70 85 90

— 30 53 56

Estos datos nos sirven de herramienta para estimar la dotación media de agua empleada por las superficies regadas con cada sistema, así como para calcular el consumo nacional de cada uno de ellos (tabla 15.5), partiendo del dato medio estimado para el conjunto del país por el PNR, que es de 7.010 m3 ha–1 año–1. Las superficies en riego por gravedad (60%) consumirían así el 76% del agua total utilizada por los regadíos (más de 18.000 hm3 año–1), mientras que para el riego por aspersión (24% de la superficie) sería preciso un 18% del agua, y sólo un 6% para el riego localizado, que ocupa un 16% de la superficie. 2.2.4. La distribución de los cultivos regados y la estimación de sus consumos de agua El 80% de las superficies de regadío en España se utiliza en regar diez cultivos herbáceos básicos, y los diez cultivos leñosos más importantes. En la tabla 15.7, los hemos relacionado individual o conjuntamente (cuando su proximidad en cuanto a los consumos de agua nos lo ha permitido), con el fin de dar una visión global en el menor espacio posible. 590

Tabla 15.7. Cultivos regados más importantes en España en 2000, y estimación del consumo de agua de cada uno de ellos (MAPA, 2000; elaboración propia) Cultivo o grupo de cultivos

Cultivos herbáceos. Año 2000 Maíz Cereales invierno (trigo + cebada) Alfalfa Hortícolas extensivos (patata + tomate) Industriales (remolacha, algodón) Arroz Girasol Total herbáceos Cultivos leñosos. Año 2000 Cítricos (naranjo + mandarino + limonero) Viñedo Olivar Frutales extensivos (melocotonero + manzano + + peral + albaricoquero) Almendro

Superficie

Consumo de agua

(ha)

(%)

(hm3/año)1

400.800 491.000 191.800 66.400 176.800 116.000 81.000

13 14 6 2 6 4 3

4.400 2.050 2.700 590 2.000 2.030 500

16 8 10 2 7 8 2

1.463.300

46

14.186

53

281.300 204.300 408.000

8 6 13

3.200 370 650

12 1 2

145.100 44.100

5 1

1.000 145

3 1

(%)

Total leñosos

1.100.000

34

5.400

20

Otros varios

614.500

20

4.515

27

3.177.800

100

24.100

100

TOTAL GENERAL 1

La estimación del consumo medio se ha realizado teniendo en cuenta la predominancia de la zona donde se siembra cada cultivo y el sistema de riego más empleado en cada uno de ellos.

Los diez cultivos herbáceos más importantes en cuanto al riego, ocupan un 46% de la superficie total nacional y consumen un 53% del agua, frente a los diez leñosos más regados, que suponen el 34% de la superficie, y consumen tan sólo el 20% del agua. Se debe sobre todo esa situación a que en los leñosos están contempladas las grandes superficies de olivo y viñedo, cuyo riego se realiza con pequeñas dotaciones unitarias, o atendiendo a las técnicas del Riego Deficitario Controlado. En los cultivos herbáceos nos encontramos con dos cultivos de verano con riego intensivo que consumen entre ambos el 26% del agua total empleada en los regadíos españoles, nos referimos al maíz y la alfalfa, que juntos pueden consumir más de 7.000 hm3 año-1, es decir más de siete trasvases como el contemplado en el PHN. Los cereales de invierno, trigo y cebada, con riego de primavera que suponen 500.000 ha, sólo consumen el 8% del agua, y el conjunto de las hortícolas e industriales, poco más de 200.000 ha, con producciones y rentabilidades mucho mayores que todas las citadas anteriormente, necesitan un 9% de los recursos totales. Las 116.000 ha de arroz necesitan cantidades semejantes a las anteriores (8%), quedando para el final el girasol, en otro tiempo el cultivo más regado, que ahora sólo ocupa un 3% de la superficie, y necesita el 2% del agua. En el caso de los leñosos, nos encontramos con la sorpresa de que el olivo se convierte, con más de 400.000 ha regadas, en el cultivo con mayor superficie regada del país, y también que el viñedo, hasta hace bien poco con prohibición de riego, ocupa ya más de 200.000 ha, la mayoría transformadas en el último quinquenio. La importancia de esta transformación reside en que esa modernización, la mayoría de las superficies 591

regadas de ambos cultivos se realiza en riego localizado, permite atender las más de 600.000 ha que ocupan en conjunto, con tan sólo el 3% del agua disponible, mereciendo la pena comentar que esta reconversión supone, para tan importantes sectores productivos, una garantía de producciones regulares y una uniformidad en la calidad hasta ahora impensables. Junto a todo esto, un importantísimo sector de cítricos, la mayoría de ellos todavía regados por gravedad, con una superficie conjunta para naranja, mandarina y limón de casi 300.000 ha, consumen el 12% del agua disponible para la agricultura en España, otro 3% el conjunto de los frutales intensivos más importantes, y un 1% consumido por las menos de 50.000 ha, que ya se riegan de almendro, en la mayoría de los casos de manera extensiva. Merece la pena comentar, para que se hagan patentes los rápidos cambios que nuestro dinámico sector agrario actual es capaz de realizar, que no siempre fueron las cosas así. En 1996, la distribución de cultivos en nuestro país era tan distinta de la del año 2000 arriba comentada, como que todavía se regaban casi 300.000 ha de girasol (la subvención a las oleaginosas era mucho mayor que en la actualidad), como que las superficies de olivo y vid eran la mitad de las actuales, como el hecho de haberse duplicado la superficie cultivada de arroz apoyada en unos precios y ayudas más competitivas, etc. El resultado es que en tan corto periodo de tiempo, un lustro, casi un millón de hectáreas han cambiado de cultivo, lo que supone una herramienta muy importante a la hora de definir estrategias nacionales para conseguir objetivos concretos. Para terminar este apartado, hemos contrastado una tendencia que intuíamos existía en España en los últimos años, como es la del avance del conjunto de los cultivos leñosos respecto de los herbáceos. En la década 1990-2000 (tabla 15.8) el conjunto de los herbáceos ha perdido 260.000 ha cultivadas, mientras que el de los leñosos ha ganado 440.000 ha, si bien hay que tener en cuenta que la superficie cultivada de los veinte cultivos estudiados también ha sufrido un incremento de 177.000 ha. Tabla 15.8. Evolución del conjunto de los principales cultivos leñosos en relación con los cultivos herbáceos en España en la última década (MAPA, 1990 y 2000; elaboración propia) Grupo cultivo

Herbáceos Leñosos Totales

3.

Año 1990 Superficie (ha)

Año 2000 Superficie (ha)

Incremento Superficie (ha)

1.726.000 660.000 2.386.000

1.463.000 1.100.000 2.563.000

–260.000 +440.000 +177.000

EL AHORRO SISTEMÁTICO DEL AGUA PARA RIEGO

En los epígrafes anteriores hemos comentado la realidad de los regadíos españoles en su conjunto, en la actualidad y también en los horizontes contemplados en dos documentos básicos, que marcan la pauta, y la marcarán en el futuro de los usuarios del agua en nuestro país, y por tanto y fundamentalmente también de los regantes. Nos referimos al PHN (Plan Hidrológico Nacional) y al PNR (Plan Nacional de Regadíos), el primero de los cuales distribuye los recursos en función de la demanda actual y futura, corrigiendo los déficit estructurales de algunas cuencas con un trasvase desde el Ebro, y el segundo promueve un plan nacional de mejora y modernización de los anti592

guos regadíos, y sienta las bases de la ampliación de los mismos de acuerdo con las Comunidades Autónomas afectadas. Pues bien, los mismos documentos a los que nos referíamos más arriba, llevan implícita la necesidad del ahorro como principal fuente de recursos de agua para el futuro. Trataremos en las líneas que siguen de apuntar opciones sobre cómo y dónde se pueden plantear esos ahorros, que provendrán de varias fuentes, como: • La mejora de las infraestructuras básicas de los regadíos, que ayudará a corregir una mala eficiencia de zona en nuestros antiguos regadíos. • La modernización de los sistemas de aplicación del agua al suelo, y la correspondiente mejora de su eficiencia. • El conocimiento de la productividad del agua y de su eficiencia agronómica y económica. • El conocimiento del funcionamiento hidrogeológico de las unidades explotadas para la elaboración de modelos que conduzcan a la explotación sostenible de los mismos desde la comunidades de usuarios, en definitiva se trata de la mejora de la eficiencia de la gestión de los recursos. • La mejora de la eficiencia política del agua. 3.1. LA MEJORA DE LAS INFRAESTRUCTURAS BÁSICAS DE LOS REGADÍOS. EFICIENCIA DE CUENCA Y EFICIENCIA DE ZONA No existe un consenso técnico en la determinación de las superficies de regadío españolas con urgente necesidad de mejora y modernización. El Libro Blanco del Agua (MIMAM, 1998), da la cifra de 1.800.000 ha afectadas por esa necesidad de reconversión, mientras que el PNR, sólo recoge la cifra de 1.175.000 ha en su «relación provisional de las zonas regables que deberían ser objeto de algún tipo de mejora y modernización». En cualquier caso, lo que nos interesa ahora resaltar es que esos regadíos disponen de una pésima eficiencia de zona, expresada por el cociente entre «necesidades netas de los cultivos / dotación» (Girona y Gomis, 2000). Tal es el resultado de un estudio realizado en base a ese ratio (Krinner et al., 1994), en el que se encontró una cifra media de 0.58 para el mismo en las casi 500.000 ha estudiadas, lo que suponía que sólo sería útil para los cultivos un 58% de los recursos totales disponibles por las zonas afectadas por el estudio. Estamos hablando en este caso, por tanto, de las pérdidas de agua que tienen lugar en los grandes canales de transporte y distribución en las zonas de regadío hasta llegar a pie de parcela. En muchos casos estas redes son todavía de tierra o canalizaciones de hormigón totalmente deterioradas por el paso del tiempo. Sin embargo, las pérdidas de agua por este concepto deben ser subdivididas en pérdidas recuperables y no recuperables, (Fereres, 2001), en función de la posibilidad de recuperación o no de las mismas para ser reutilizadas aguas abajo al nivel de cuenca hidrográfica, ya que las escorrentías y percolaciones de una explotación aguas arriba «entran en la red general de drenaje de la cuenca y podrían recuperarse en una explotación aguas abajo». Aunque no están muy estudiados estos valores, nos puede servir de guía un estudio citado por el mismo autor en el Oeste de USA publicado hace más de dos décadas (Interagency Task Force Report, 1979) en el que se concluía que las pérdidas irrecuperables eran tan sólo el 10% de las totales. 593

3.2. LA MODERNIZACIÓN DE LOS SISTEMAS DE APLICACIÓN DEL AGUA AL SUELO. LA EFICIENCIA EN PARCELA En la tabla 15.6 de este mismo trabajo, recogíamos en un cuadro las eficiencias teóricas medias de los diferentes sistemas de riego empleados en nuestros regadíos, y las posibilidades de ahorro de agua al realizar la transformación desde cualquiera de ellos a otro más avanzado. Sin embargo, eso no es todo sobre la posibilidad de mejora de la eficiencia de los sistemas de aplicación del agua en parcela. Como ejemplo nos puede servir un estudio realizado durante diez años por el Instituto Técnico Agronómico Provincial (ITAP) a través de su Servicio de Asesoramiento de Riegos de Albacete (SAR), y concretamente en el trabajo de campo que supone el seguimiento de sus recomendaciones de riego. Para que esa recomendación tuviese suficiente precisión, se han realizado en las fincas seguidas un total de 488 evaluaciones de los equipos de riego que aplican el agua al suelo, para conocer el Coeficiente de Uniformidad, que nos expresará la eficiencia del sistema. La evaluación ha afectado a 305 pivotes centrales, 163 coberturas enterradas automatizadas en diferentes marcos y 20 instalaciones de riego por goteo. Las cifras del estudio se recogen en el grafico adjunto (figura 15.2), en el que se representan por una parte los Coeficientes de Uniformidad en% de los pivotes centrales evaluados, y por otra el mismo coeficiente para las coberturas enterradas, observando en ambos casos las diferencias existentes entre los equipos que funcionan con una óptima uniformidad, alrededor del 85% en pivotes y del 80% en coberturas, de los que lo hacen con una uniformidad más baja. El ahorro de agua para el riego de la parcela que ocupa, desde un equipo que riega en su óptimo, hasta el que lo hace en malas condiciones técnicas, no es baladí. La mejora y control de esta eficiencia de los equipos de riego, puede suponer un 10% del agua a aplicar, sólo por ese concepto. PIVOTS

COBERTURAS

2%

12% 12%

56%

31%

30%

Fig. 15.2.

34%

ha: 2.684

ha: 12.797

C.U. < 70%

22%

70-80% C. U.

80-85% C. U.

>85% C. U.

Coeficientes de Uniformidad en los sistemas de riego más comunes en La Mancha Oriental (Montoro y López Fuster, 2002).

Siguiendo con el ejemplo, y para terminar de expresar nuestro argumento, diremos que el conjunto de los modernos equipos de riego instalados en algo más de cien mil ha de la Mancha Oriental, riegan con un Coeficiente de Uniformidad ponderado medio del 83%, desglosado en un 84% para los pivotes centrales y un 79% para las coberturas enterradas (Montoro y López Fuster, 2002), lo que nos da una idea de las posibilidades de ahorro que se abren con la modernización de los equipos de riego. 594

3.3. EL CONOCIMIENTO DE LA PRODUCTIVIDAD DEL AGUA Y DE SU EFICIENCIA AGRONÓMICA Y ECONÓMICA Muy poco caso parece que se presta desde las administraciones responsables de la política y la planificación agrícola a todos los niveles (europeo, estatal y autonómico) a un detalle tan fundamental como la productividad del agua para riego, expresada, bien como productividad agronómica de la misma (kg de producto vendible de un cultivo por cada m3 de agua aportado a través del riego), o bien como productividad económica (cantidad de dinero obtenido de un cultivo por cada m3 de agua regado). La enorme diferencia que existe entre unos cultivos y otros respecto de su eficiencia en el uso del agua aportada en riego, nos debería obligar a primar el regadío de los más eficientes en detrimento de aquellos que consumiendo más agua lo hacen de manera poco eficiente, sobre todo existiendo políticas de ayudas directas a las superficies cultivadas, como las de la Política Agraria Comunitaria (PAC), que pueden «convencer» rápidamente a los agricultores del cultivo que deben sembrar para obtener el máximo beneficio. Para expresar con cifras el argumento, hemos confeccionado los diagramas de barras de la figura 15.3, en los que hemos representado en kg m–3 (producción) y € m–3 (dinero obtenido), y para cada cultivo, la productividad de los más importantes regados en el ámbito de actuación del SAR de Albacete. Los datos para confeccionar los gráficos han sido obtenidos del cociente entre las producciones medias del conjunto de las parcelas seguidas para cada uno de ellos, y una dotación media calculada de los resultados obtenidos en todas las campañas de la vida del SAR (datos figura 15.6). Los diagramas se explican solos por su contundencia, ya que para la producción agrícola vendible los valores oscilan entre cerca de 1 kg de cosecha por cada m3 empleado para cultivos como nogal y adormidera, y los cerca de 12 kg m–3 de algunas hortícolas e industriales como el cebolla y remolacha, siendo este parámetro entre 8 y 10 kg de cosecha por cada m3 de agua, para la mayoría de los leñosos más importantes, olivo y vid. Si nos fijamos ahora en el dinero obtenido por cada m3 de agua empleado, las diferencias se hacen todavía mucho mayores, ya que sólo se obtiene 25 centavos de euro por m 3 de agua regada en alfalfa o maíz, pudiéndose obtener hasta 4 € m–3 en olivo y 2,5 € m–3 en vid, situándose de nuevo los leñosos más importantes con una productividad trece veces mayor, como media, que la de los anuales más sembrados. A esta información se le escapa, sin embargo, un factor muy a tener en cuenta también como es la diferenciación entre los cultivos de riego en primavera o de riego en verano, ya que el momento en el que se necesitan los recursos puede ser determinante en muchos casos. También desde esta perspectiva tendrían ventaja los leñosos, que pueden utilizar mejor la pluviometría de todo el año, respecto a los herbáceos, y por supuesto los de riego en primavera respecto de los de riego en verano, que es cuando más escasean los recursos. Pero esto no es todo respecto de la eficiencia agronómica del agua, ya que dentro del mismo cultivo es necesario ajustar las necesidades de riego a la producción más eficiente. Como ejemplo para explicar a que nos referimos ahora, utilizaremos uno de los ensayos realizados por el ITAP para el cálculo de las curvas de producción (Y) y de la eficiencia agronómica del agua en los cultivos (WUE), en este caso para el maíz (López Fuster y López Córcoles, 1994), que se representa en la figura 15.4. 595

Productividad agronómica del agua 14

Kg/m3

12 10 8 6 4 2

Cebolla

Remolacha

Viñado

Melocotonero

Albaricoquero Nogal

Olivo

Ajo morado Almendro

Bróculi

Judía verde Cebolla

Guisante

Cebada

Alfalfa

Trigo

Maíz 700

Almendro

Adormidera

Nogal

0

Cultivos herbáceos

Fig. 15.3.

Olivo

Melocotonero

Viñado

Ajo morado

Bróculi

Albaricoquero

Judía verde

Adormidera

Guisante

Remolacha

Cebada

Trigo

Maíz 700

Alfalfa

€/m3

Productividad económica del agua 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

Cultivos leñosos

Productividad teórica agronómica y económica de los 11 cultivos herbáceos y los 6 leñosos más cultivados en Albacete.

Agua aportada (m3/ha) 3.250 3.900 4.550 5.200 5.900 6.550 7.200 7.500

Rendimiento (T/ha)

Eficiencia. WUEm (Kg/m3)

0,26 1,64 4,09 7,03 10,02 12,01 12,61 12,25

0,08 0,42 0,90 1,35 1,70 1,83 1,75 1,63

Maíz

–1

3

Y Rendimiento (T ha )

(kg m ) WUE

14

10

12

8

10 8

6

Y WUE

6

4

4 2

2 0 300

400

500

600

700

0 800

Evapotranspiración (mm)

Fig. 15.4.

596

Eficiencia agronómica (WUE), y rendimiento (Y) del agua de riego para maíz.

En este caso, la eficiencia del agua de riego para la cantidad recomendada por el SAR para esa campaña es de 1,83 kg por cada m3 de agua aportada, y va disminuyendo a medida que ascendemos en la tabla, hasta llegar a hacerse casi nula. Disminuye también para mayores aportaciones de agua, con lo que se evidencia la necesidad del ajuste en los aportes de agua hasta la máxima eficiencia. En la figura 4 se representan en un gráfico de doble entrada las curvas (Y) de rendimiento, y (WUE) de eficiencia del agua de riego para maíz, observándose en ambos casos, que por encima de los aportes de agua más eficientes, empezaríamos a perder producción y también eficiencia del agua empleada en el riego. 3.4. UNA GESTIÓN EFICAZ DE LOS RECURSOS. LA EFICIENCIA EN LA GESTIÓN Una gestión eficaz de los recursos hídricos en nuestro país y en cualquier otro, deberá partir de premisas fundamentales, por una parte de la disponibilidad de las tecnologías necesarias para mejorar las diferentes eficiencias (De Juan, 2001) en el uso del agua para el regadío que como hemos visto están disponibles, y por otra parte de la profundización en la organización de las instituciones que manejan la misma, fundamentalmente a través de las comunidades de usuarios. Sin la segunda será prácticamente imposible conseguir el objetivo del ahorro sistemático del agua para regadío. No se puede gestionar un recurso tan importante como el que nos ocupa sin conocer: • Los recursos renovables disponibles en cada unidad de gestión, que vendrán determinados en algunos casos como recursos superficiales exclusivos, pero en otros lo serán a través de aguas subterráneas o también de manera mixta superficial-subterránea, lo que llevará consigo el conocimiento lo más completo posible de la hidrogeología de la zona en cuestión, y del modelo de funcionamiento de las aportaciones y consumos en el mismo. • El inventario de superficies bajo riego, en formato útil para la gestión. • El cálculo, seguimiento y comprobación de los consumos de agua de los cultivos regados en la zona a través de los servicios de asesoramiento de riegos (SAR), y cuyo conocimiento conjunto nos permitirá calcular el consumo efectivo total de agua en la misma. • Los planes de explotación por campañas de riego, vinculantes para todos los usuarios, que equilibren la oferta y la demanda anual de agua en el sistema correspondiente. En ellos será necesario el seguimiento del cumplimiento de estos planes para exigirlos a través de los medios legales y administrativos disponibles por las organizaciones de usuarios. • El apoyo incondicional de los organismos jurisdiccionales de la administración hídrica, en nuestro caso las Confederaciones Hidrográficas. Existen ejemplos en nuestro país de zonas que han avanzado lo suficiente en la gestión como para poder cumplir los requisitos que exigimos aquí, como es el caso de la Mancha Oriental, organizada como Junta Central de Regantes (JCRMO), y su apoyo técnico en el ITAP (Martín de Santa Olalla, 2001), cuya disponibilidad de tecnología le permite conocer el detalle de sus unidades de gestión hídrica (figura 15.5) con la posibilidad de comprobar en campo por teledetección los cultivos sembrados en cada par597

cela catastral, y el consumo de agua de éstos con el grado de cumplimiento de las recomendaciones del SAR en la figura 15.6.

Fig. 15.5.

Comprobación en campo de la información obtenida por teledetección.

Remolacha Alfalfa Maíz (FAO 700) Cebolla Patata Maíz (FAO 400) Girasol Trigo Ajo morado Guisante Cebada Ajo chino Colza de invierno 0

100

200

300

Necesidades de riego

Fig. 15.6.

400 mm

500

600

700

800

Lluvia efectiva

Consumos de agua de los cultivos (riego + precipitación efectiva) (Montoro y López Fuster, 2002).

4. LAS POSIBILIDADES DE AHORRO DE AGUA UTILIZADA EN LA AGRICULTURA Si resumimos todo lo que hemos expuesto en el apartado anterior, nos encontraremos con algo realmente tan sorprendente como es la gran fuente de recursos que puede suponer la modernización y la mejora de las eficiencias de nuestros regadíos. 598

Tabla 15.9. Posibilidades de ahorro de agua con la modernización y mejora de las eficiencias en los regadíos españoles (MAPA 1998 y elaboración propia) Factor

Mejora de la eficiencia de zona Mejora de la eficiencia del sistema de riego Mejora de la eficiencia agronómica del agua Total

Superficie afectada (ha)

Ahorro estimado (m3/año)

1.980.000 1.980.000 800.000 1.360.000

2.480 1.980 800 1.350

(10%) (10%)

3.343.000

6.610

(27%)

(6%)

(Los porcentajes que figuran en la casilla del ahorro estimado están referidos a los recursos totales de agua utilizados en la agricultura).

En la tabla 15.9 hemos recogido esas posibilidades de ahorro y las hemos evaluado en función de los datos técnicos reconocidos en la información actual disponible, para los diferentes factores (tipo de eficiencia) que hemos ido analizando a lo largo de este trabajo, resultando que los recursos totales liberados por el ahorro sistemático de los factores tenidos en cuenta, podrían suponer algo más de 6.500 hm3 año–1, más de la cuarta parte del agua que se consume en la actualidad en España en la Agricultura, y una cantidad seis veces superior a la prevista trasvasar del Ebro al sureste español en el PHN. Los sumandos más importantes provendrían de la mejora de las eficiencias de zona y parcela, es decir de la modernización de todas las redes de distribución del agua hasta la parcela de riego, y la proveniente del ahorro a conseguir por la mejora y modernización de los sistemas de aplicación del agua al suelo; a éstas habría que sumarles una estimación del ahorro producido por la mejora de la eficiencia agronómica de los diferentes cultivos después de aplicar las tecnologías necesarias y disponibles. La evidencia no merece mucho más comentario. La pregunta que aparece inmediatamente después de estas estimaciones, es la de: ¿a qué coste nos enfrentamos para realizar estas mejoras? Si tomamos de nuevo el caso español, como ejemplo, y tenemos en cuenta los costes de las inversiones que se están realizando en nuestro país en la actualidad para los diferentes factores contemplados, y la procedencia de los fondos para acometer las obras de modernización, nos encontraremos con una situación como la que se recoge en la tabla 15.10. Tal vez sean necesarias algunas aclaraciones sobre la tabla 15.10: • Las obras de interés nacional se refieren a todas aquellas infraestructuras de transporte del agua hasta la regulación en cabecera de la zona, cuyo coste es imprescindible que sea a costa del Estado (la Directiva Europea del Agua parece que obliga a recuperar los costos). • Las obras de mejora de la zona, se refieren a la regulación, impulsión si fuese necesaria, y distribución de la red de riego hasta el pie de parcela. Son obras de interés general, en las que ya financia una parte el usuario. • El riego en parcela contempla la instalación del sistema de aplicación del agua al suelo a través de la aspersión, el riego localizado o el riego subterráneo. Se trata de una obra de interés particular en la que la aportación del usuario es mayor. 599

Tabla 15.10. Coste de la modernización de los regadíos españoles al año 2003, y sus fuentes de financiación

Factor a mejorar

Obras transport. a zona. Interés nacional Mejora de las infraestructuras de zona. Interés general Mejora riego en parcela. Interés particular

Aportaciones financieras institucionales (%)

Costo de la inversión (€/ha)

Del Estado

De la Autonomía

De los Usuarios

2.000

50

50

0

3.000 1.800

0 0

50 35

50 65

A los precios del año 2003, y teniendo en cuenta las superficies de la tabla 15.9, y los costos de las inversiones de la tabla 15.10, la mejora de los regadíos españoles, hasta conseguir una eficiencia aceptable, se podría estimar en unos 9.000 millones de Euros, o lo que es igual, la mitad del coste estimado para el trasvase del Ebro a las cuencas deficitarias del sureste español, teniendo en cuenta además que esta inmensa obra no evitará la perentoria necesidad de modernizar los antiguos regadíos a los que tanto nos hemos referido en este texto.

5. LA EFICIENCIA POLÍTICA DEL USO AGRÍCOLA DEL AGUA Nos referimos en este epígrafe a las consecuencias que pueden tener para las demandas de agua para uso agrícola, las políticas agrarias que los Estados, o en el caso europeo la Política Agraria Comunitaria, puedan aplicar como fomento a determinados cultivos de alta o baja eficiencia agronómica, y las repercusiones que este hecho tendrá en las superficies sembradas y como consecuencia en los consumos globales del agua destinada al riego en determinadas zonas del planeta, en lo que también podríamos llamar la eficiencia institucional del uso del agua (De Juan, 2001). Es evidente que este debate sólo es posible en aquellos países en los que su alto nivel de desarrollo ha dejado muy atrás a sus sectores primarios en cuanto a la renta de las familias dedicadas a la agricultura, y se hace necesaria una política de ayudas que tratan de equilibrar esas rentas con las del resto de sectores productivos. Estamos hablando, por tanto, de los países ricos, porque esto no sucede igual en los países pobres o en vías de desarrollo del norte y sur de África y Asia Central, en los que el problema es bien distinto: aumentar sus superficies en regadío como única forma de producir más y de manera más eficiente, para cubrir en primer lugar sus necesidades mínimas de supervivencia, haciendo efectivo su derecho a una vida digna, y cubriendo en primer lugar sus necesidades de alimentos. Si volvemos al mundo de los excedentes, al que nos referíamos al principio del párrafo anterior, y al cual pertenecemos, parece una paradoja poco explicable que se gaste dinero público en ayudas a cultivos altamente consumidores de agua, cultivos de verano poco eficientes, cuyas subvenciones los promocionan, pudiendo aplicar los mismos fondos en ayudar a cultivos más eficientes y menos consumidores, cultivos de invierno y primavera, que ahorrarán importantes volúmenes de agua en los regadíos. Véanse las grandes posibilidades de ahorro que se desprenden de las cifras de consu600

mos de la tabla 15.7 de este trabajo, si tenemos en cuenta que sólo dos cultivos de la lista altamente subvencionados, el maíz y la alfalfa, consumen casi la tercera parte del agua empleada en el riego en España. No podemos olvidar, que uno de los paradigmas más claros de la sostenibilidad de los recursos usados en la producción agrícola es, sin duda el del agua para riego. El uso del agua en cantidades mayores a los recursos renovables periódicos, nos llevará irremediablemente al agotamiento de las reservas, y en esa carrera competirán con él usos distintos a los agrícolas que en las sociedades modernas y ricas ya son considerados como prioritarios. En el próximo futuro el agua dulce seguirá siendo determinante del desarrollo de los pueblos y el uso eficiente de la misma el recurso más seguro y barato. No se pueden olvidar tampoco las nuevas tecnologías de tratamiento y reutilización de aguas residuales y la desalación del agua del mar, ambas con costes que aparecen ya como rentables, y utilizables sobre todo en zonas próximas a las costas casi siempre con importantes demandas de agua para su desarrollo.

6.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

De Juan Valero, J.A. 2001. Las tecnologías necesarias para un uso eficiente del agua. Actas del Symposium, Las nuevas tecnologías hacia la agricultura sostenible. Instituto Técnico Agronómico Provincial. Albacete. Fereres Castiel, E. 2001. El ahorro sistemático del agua. Actas del Symposium, Las nuevas tecnologías hacia la agricultura sostenible. Instituto Técnico Agronómico Provincial. Albacete. Girona y Gomis, J. 2000. Agua y Agricultura Sostenible. Actas del II Symposium Nacional sobre Regadíos Españoles. Ministerio de Fomento, Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). Madrid. Interagency Task Force Report. 1979. Irrigation Water use and management. USDI, USDA and EPA, Washington, DC. Krinner, W.; García, A. y Estrada, F. 1994. «Meted for estimating efficiency in Spanish irrigation systems». Engineering, 120 (5). Lamo de Espinosa, J. 2000. El Regadío Español en un Mundo Globalizado. Actas del II Symposium Nacional sobre Regadíos Españoles. Ministerio de Fomento, Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). Madrid. López Fuster, P. y López Córcoles, H. 1994. Los Regadíos de la Mancha Oriental, un Modelo de Gestión Integral. Actas del I Symposium Nacional de Regadíos. Ministerio de Obras Públicas, Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). Madrid. López Fuster, P. 2002. Los Regadíos de La Mancha Oriental. Edita Diputación de Albacete, Instituto Técnico Agronómico Provincial y Caja de Castilla-La Mancha. Albacete, España. Martín de Santa Olalla, F.J. 2001. La Junta de Regantes y el SAR de Albacete. Actas del Symposium, Las nuevas tecnologías hacia la agricultura sostenible. Instituto Técnico Agronómico Provincial. Albacete. MAPA (Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación) 1990. Anuario de Estadística Agraria. Madrid. MAPA (Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación). 1995. Avance del Plan Nacional de Regadíos. Memoria. Madrid. MAPA (Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación). 2000. Anuario de Estadística Agraria. Madrid. MAPA (Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación). 1998. Plan Nacional de Regadíos. Horizonte 2008. Madrid.

601

MIMAM (Ministerio de Medio Ambiente). 1998. Libro Blanco del Agua en España. Madrid. MIMAM (Ministerio de Medio Ambiente). 2001. Plan Hidrológico Nacional. Madrid. Montoro Rodríguez, A. y López Fuster, P. 2002. «Informe anual del seguimiento del SAR. Cultivos Herbáceos. Campaña 2002». Anuario Técnico, 2002. Instituto Técnico Agronómico Provincial. Albacete.

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Ediciones

Mundi-Prensa Coedición MINISTERIO DE AGRICULTURA, PESCA Y ALIMENTACIÓN/ EDICIONES MUNDI-PRENSA

PRONTUARIO DE AGRICULTURA Cultivos agrícolas Director-Coordinador J. M. MATEO BOX

992 págs. Enc. 2005. 38 €. ISBN: 84-8476-248-3 AUTORES: M. Carrera Morales; V. Galán Saúco; F. González Torres; L. Hidalgo Fernández-Cano; J. V. Maroto Borrego; J. M. Mateo Box; J. Navarro Fortuño; C. de la Puerta Castelló; C. Rojo Hernández; S. Zaragoza Adriaensens; con la colaboración de J. Novillo Carmona. ÍNDICE: PLANTAS HERBÁCEAS. Gramíneas y asimilados: Cereales. Pseudocereales. Gramíneas forrajeras y pratenses. Leguminosas: De grano. Forrajeras y pratenses. Tubérculos y raíces: De consumo humano. Forrajeras. Plantas industriales: Parte general. Parte especial. Azucareras. Textiles. Oleaginosas y proteaginosas (no leguminosas). Estimulantes. Hortalizas: Parte general. Parte especial. Hortalizas de tallo y hoja. Hortalizas de fruto. Hortalizas de flor. Hortalizas de raíz y bulbosas. PLANTAS LEÑOSAS. Frutales: Cítricos. Frutas de zona templada. Frutos menores, forestales y silvestres. Tropicales y subtropicales. Viticultura. Olivicultura. Glosario. Bibliografía.

Este Prontuario pretende conseguir un texto actualizado que facilite, mediante una consulta rápida, los conocimientos básicos sobre los principales cultivos agrícolas. Se incluyen en los diversos capítulos: gramíneas y seudocereales, leguminosas herbáceas, tubérculos y raíces, plantas industriales, hortalizas, frutales, viticultura y olivicultura; sin incluir algún grupo de especies cuya consideración como agrícolas no sería fácil, tales como las medicinales, aromáticas y condimentarias, aunque los editores no descartan un futuro para ellas en esta serie de publicaciones. La información de cada cultivo puede ampliarse mediante la correspondiente bibliografía complementaria, incluida en los diversos apartados, gran parte de ella publicada por nuestra editorial. La obra ha sido coordinada por el Profesor de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos de la Universidad Politécnica de Madrid y Decano del Colegio de Ingenieros Agrónomos de Centro y Canarias, José María Mateo Box, y en ella participan algunos de los principales especialistas en lengua española de las distintas especies, como se puede apreciar en el correspondiente índice de autores; pretendiendo llegar a ser «libro de cabecera» para cualquier interesado en las diversas producciones agrícolas.

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Ediciones

Mundi-Prensa EL RIEGO POR ASPERSIÓN Y SU TECNOLOGÍA 3.a edición revisada y ampliada J.M. TARJUELO MARTÍN-BENITO Dr. Ingeniero Agrónomo

581 págs. Enc. 2005. 44 €. ISBN: 84-8476-225-4 CONTENIDO: El agua en el suelo. Sistemas estacionarios de riego por aspersión. La aplicación de agua con aspersores de tamaño medio. Cañones de riego por aspersión. Sistemas autopropulsados de riego por aspersión. Evaluación y mejora de sistemas de riego. El manejo del riego. Bombas hidráulicas. Redes colectivas de riego a presión. Automatización de las instalaciones de riego. Hoy el regadío sólo puede concebirse como una actividad sostenible y respetuosa con el medio ambiente. El agua es un recurso limitado y fundamental para la vida, estando todos obligados a usarla con racionalidad. La incorporación de las nuevas tecnologías al regadío, principal usuario del agua, para mejorar el diseño, el manejo y el funcionamiento de los sistemas de riego y poder conseguir así un balance económico óptimo y una idónea utilización del agua resulta hoy una tarea fundamental. Este trabajo pretende incidir modestamente en esta línea de mejora del regadío. La obra va dirigida tanto a técnicos como a usuarios y estudiantes del riego, principalmente por aspersión, así como de redes colectivas a presión, habiendo pretendido cubrir los aspectos más interesantes del riego, aunque con las razonables limitaciones de espacio. La publicación pretende ser eminentemente práctica, de ahí que se haya intentado desarrollar un gran número de ejemplos que ayuden a entender el diseño y manejo de los principales sistemas de riego por aspersión.

EL RIEGO II. Fundamentos de su hidrología y de su práctica A. LOSADA VILLASANTE Catedrático de Ingeniería Hidráulica Universidad Politécnica de Madrid

261 págs. 2005. 36 €. ISBN: 84-8476-232-7 CONTENIDO: Prefacio. Retención y transporte del agua en el suelo. Demanda de agua de sistemas de riego. Métodos de riego. Gestión del agua de riego. Apéndices. Bibliografía. Glosario de términos de riego. Símbolos usados. El agua de riego recorre diversos caminos entre las fases del ciclo natural de agua. En particular, el sistema suelo-plantaatmósfera es un destino del agua proporcionada por lluvias y riegos. Este planteamiento justifica fundamentar la teoría y la práctica de los riegos en el estudio de relaciones de transporte de agua entre las fases hidrológicas así implicadas: precipitación, infiltración y redistribución, escorrentía y evapotranspiración. Se reconoce así la contribución de la mecánica de fluidos a la ciencia y a la ingeniería del riego y, asimismo, al hecho de que una y otra comparten apoyos hidráulicos e hidrológicos. Por todo ello, las prácticas de riego merecen un tratamiento hidrológico complementario al que, en un volumen anterior, ya recibieron sus aspectos hidráulicos.

I. Fundamentos hidráulicos

461 págs. 3.a ed. 2000. 36 €. ISBN: 84-7114-912-5

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Mundi-Prensa Coedición UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA/ INSITUTO DE DESARROLLO REGIONAL/ EDICIONES MUNDI-PRENSA

AGRICULTURA Y DESERTIFICACIÓN Obra dirigida y coordinada por: F. MARTÍN DE SANTA OLALLA MAÑAS

341 págs. Ilust. color. 2001. 30,50 €. ISBN: 84-7114-966-4

CONTENIDO: Presentación. El riesgo de desertificación. El cambio climático como contexto de la desertificación. El papel de la población en el proceso de la desertificación. La ocupación del territorio por el hombre. Agricultura y procesos de degradación del suelo. La utilización del agua por el hombre. El papel de la cubierta vegetal. Diversidad biológica y desertificación. La vegetación natural. Los sistemas agrarios. La lucha contra la desertificación. Investigación y desarrollo. El uso del agua en una agricultura sostenible. Conservación y mejora de bosques. Una mirada hacia el futuro.

La agricultura entra en el siglo XXI cargada de problemas nuevos, de incógnitas que no sabemos si vamos a ser capaces de resolver. Este libro está dedicado a uno de ellos: el proceso de desertificación de nuestras tierras. Los principales aspectos que relacionan la agricultura con la desertificación se abordan en él. Cuando nos ha sido posible esbozamos técnicas que pueden ayudar a mitigar el proceso. La combinación del cambio climático y de acciones antrópicas en condiciones semi-áridas o áridas está haciendo que la producción de biomasa sea cada vez menor, o se consiga utilizando insumos productivos en mayor proporción. Hemos logrado un desarrollo espectacular de la producción agraria en los últimos años del siglo XX, pero en muchas ocasiones ha sido a costa de un grave deterioro del medio natural. En este texto nos ocupamos de analizar este proceso. Los autores hemos tenido ocasión de estudiar este fenómeno fundamentalmente debido a nuestra participación en diferentes Proyectos de Investigación y Desarrollo que han sido financiados en la mayoría de los casos por la Unión Europea y han tenido como espacio físico para su realización la Cuenca Mediterránea, prestando especial atención a la Península Ibérica. El tema, aunque aborda aspectos en cierto sentido dramáticos para la humanidad, es absolutamente apasionante. Hoy nos enfrentamos con la necesidad de convertir los conocimientos adquiridos, en herramientas útiles para la sociedad. Nuestros conocimientos son escasos y dispersos, claramente desproporcionados a la envergadura del problema. Sin embargo, es preciso comenzar y ésa es la intención del texto que presentamos.

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Mundi-Prensa

ECOLOGÍA PARA LA AGRICULTURA R. FERNÁNDEZ ALÉS y M.a J. LEIVA MORALES

223 págs. 2003. 24 € ISBN: 84-8476-085-5 CONTENIDO: INTRODUCCIÓN. Ecología, agricultura y medio ambiente. El ecosistema. Ecosistemas agrarios. Agricultura e impacto ambiental. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE ECOSISTEMAS Y AGROECOSISTEMAS. Producción primaria y biomasa vegetal. Producción secundaria y biomasa animal. Control de plagas. La materia orgánica muerta y su descomposición. Circulación de materia en el ecosistema. La energía en los agroecosistemas. Contaminación. Diversidad y biodiversidad. Cambios en el ecosistema. Sucesión y regresión. Paisajes agrarios. AGRICULTURA Y CAMBIO GLOBAL. Ciclos biogeoquímicos. El ciclo del agua. Glosario. Referencias bibliográficas.

ECOLOGÍA DE CULTIVOS Productividad y manejo en sistemas agrarios R.S. LOOMIS y D.J. CONNOR

591 págs. 2002. 39,50 €. ISBN: 84-8476-080-4 CONTENIDO: Prólogo. Introducción. Los sistemas de explotación y sus componentes biológicos. Sistemas agrarios. Conceptos sobre comunidad. Estabilidad. Recursos genéticos. Desarrollo. El medio físico y químico. El ambiente aéreo. Recursos del suelo. Procesos de producción. Procesos del nitrógeno. Relaciones hídricas. Fotosíntesis. Respiración y reparto de asimilados. Manejo de recursos. Manejo del suelo. Estrategias y tácticas en la agricultura de secano. Manejo del agua en la agricultura de regadío. Energía y mano de obra. Análisis del sistema agrario trigo-ovino del sur de Australia. Explotación mixta en el Cinturón del Maíz norteamericano. Hacia un futuro incierto. Bibliografía.

TRATADO DE CULTIVO SIN SUELO M. URRESTARAZU GAVILÁN Director y Coordinador

914 págs. Ilust. color. Enc. 3.a edición rev. y amp. 2004. 60 €. ISBN: 84-8476-139-8 CONTENIDO: Generalidades. Aspectos fisiológicos, bases físicas, químicas y biológicas para el cultivo sin suelo.Manejo: sustratos, fertirrigación, clima y fitosanidad. Cultivos comerciales: Sistema NFT. Sistema NGS (New Growing System). Semilleros en sistema flotante. Cultivo en perlita. Cultivo en lana de roca. Cultivo en fibra de coco. Cultivos en sustratos alternativos. Ejemplos de cultivos: producción y calidad en el cultivo de tomate cherry. El cultivo del pimiento. Cultivo de plantas ornamentales. Aspectos ambientales y económicos. Glosario. Terminología usual empleada en cultivos sin suelo. Índice de autores. Índice de materias. Apéndices.

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