Capítulo 13 Demanda de agua de los principales cultivos. Una metodología. Ignacio Sánchez Cohen Ernesto Catalán Valencia Jaime Garatuza Payán

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1 Capítulo 13 Demanda de agua de los principales cultivos. Una metodología Ignacio Sánchez Cohen Ernesto Catalán Valencia Jaime Garatuza Payán Introducción El objetivo real del riego es obtener el rendimiento máximo posible. Para que el proceso de regar sea rentable, el incremento en ganancias por su efecto debe ser mayor al costo total anual del riego; esto es especialmente importante en ecosistemas donde la fuente principal del agua es el acuífero y se requiere el bombeo. En estos casos, es más atractivo regar cultivos de alto valor comercial como frutales y hortalizas, que cultivos anuales; sin embargo, es necesario estudiar la cadena productiva del que genera un cultivo hasta su venta al menudeo para definir la expectativa real de la tecnificación del riego. Se reconoce que el mejor sistema de riego no garantiza ganancias si no va a la par de labores de campo adecuadas de manejo de suelo, calidad de semilla, fertilización, etcétera ( Buenas prácticas de manejo ), para que el cultivo se desarrolle sin problemas. El productor interesado en la tecnificación del riego deberá tomar en cuenta las siguientes preguntas: cuál es el efecto del riego en la producción?, cuánta agua se necesita?, se cuenta con la fuente adecuada que garantice esa cantidad?, es la calidad del agua satisfactoria? Cuando se riega, el agua se infiltra a través de la zona radical del cultivo en forma gradual. Para que el agua se mueva de una capa de suelo a otra inferior, la primera capa debe llenarse a capacidad de campo, es decir, una vez que esta capa retiene toda la humedad posible acorde con las características de ese suelo. Este movimiento de agua se conoce como el avance del frente húmedo. El [189]

2 metodología para el análisis de la huella hídrica y el agua virtual agua se mueve mucho más rápido en un suelo de textura ligera, como el arenoso, que en uno de textura pesada o arcillosa. Cuando se aplicó el agua de riego en cantidad suficiente para humedecer la zona radical, la planta la transporta por los tallos hasta las hojas y frutos. Las hojas tienen miles de aberturas microscópicas llamadas estomas, a través de las cuales la planta pierde vapor de agua. A esta pérdida continua se conoce como transpiración y puede causar la muerte de la planta si el riego no se aplica en forma oportuna y en las cantidades adecuadas. La cantidad de agua que requieren las plantas es la suma de la que pierden por transpiración, más la que se evapora directamente del suelo; a estos dos procesos se les conoce como evapotranspiración. Las tasas de evapotranspiración varían y dependen de la duración del día, temperatura, nubosidad, velocidad del viento, humedad relativa y del tipo, tamaño y número de plantas por hectárea. El agua es el elemento escencial para el desarrollo de los procesos fisiológicos de todas las plantas. Constituye el medio primario para las reacciónes químicas y el movimiento de sustancias a través de las diversas partes de la planta. También, es un elemento vital en la fotosíntesis y el metabolismo, incluyendo la división celular y el crecimiento de células y consituye el medio por el que las plantas se mantienen frescas a través del proceso de transpiración. El agua es el primer factor que determina el rendimiento de los cultivos. Si un cultivo sin humedad cerrará sus estomas, enrollará sus hojas reduciendo el crecimiento de sus partes y afectando notablemente el rendimiento. El objetivo del riego es entonces, proveer con oportunidad la cantidad adecuada de agua a los cultivos para evitar daños que repercutan en el rendimiento. Los productores deben entonces obtener respuestas a las interrogantes cómo, cuánto y cuándo regar. El presente capítulo hace énfasis en las dos últimas interrogantes. Las zonas agroecológicas y la disponibilidad de agua Todos los cultivos requieren de diferentes cantidades de agua; la que necesitan durante su periodo de crecimiento se denomina evapotranspiración estacional o uso consuntivo estacional. Esto varía con el clima de las diferentes zonas del país; en zonas áridas los cultivos requieren de mayores cantidades de agua que en zonas húmedas, principalmente porque las tasas de precipitación son bajas y 19

3 demanda de agua de los principales cultivos. una metodología las de evaporación altas. La Figura 13.1 muestra la relación entre precipitación y evaporación en los distritos de riego del país. Esta relación es un indicador de la diferente disponibilidad de agua y sirve, de manera indirecta, para inferir las necesidades de riego. Metodología para conocer las necesidades de agua de los cultivos En este apartado se utilizala metodología descrita en Catalán (22) y Catalán et al. (25). La programación del riego es un proceso orientado a determinar la cantidad de agua que se va a aplicar y las fechas de cada riego para minimizar las deficiencias o los excesos de humedad en el suelo que puedan afectar el crecimiento, rendimiento y calidad de los cultivos. Una programación adecuada del riego puede disminuir costos por ahorro de energía y mano de obra, minimizar el estrés hídrico y maximizar rendimientos, calidad y rentabilidad del cultivo. Los métodos más utilizados para programar el riego son de dos tipos: a) los que miden y monitorean en suelo o plantas algunas variables relacionadas con el estrés hídrico del cultivo y, b) los que estiman el balance de humedad en el suelo. Los primeros se apoyan en el uso de sensores para medir variables como el contenido de humedad, tensión de humedad y resistencia eléctrica del suelo, o bien, temperatura del follaje (Martín et al., 199). Los principales cálculos de la presente aplicación computacional se basan en el método b) que estima los componentes del balance de agua en el suelo El balance de humedad en el suelo Este método consiste en realizar un balance de la cantidad de agua presente en el perfil del suelo ocupado por las raíces del cultivo en un período de tiempo. De acuerdo con el principio de conservación de la masa, la cantidad de agua que entra, menos la que sale en un periodo, es igual al cambio de almacenamiento de agua que experimenta el perfil del suelo en dicho lapso: 191

4 metodología para el análisis de la huella hídrica y el agua virtual donde: Δθ es el cambio del contenido de agua en el suelo durante el lapso considerado, R es la cantidad de agua de riego, P la precipitación o lluvia y Etr la evapotranspiración o consumo de agua. D se refiere al drenaje profundo Cada término de la ecuación debe cuantificarse en las escalas de tiempo y espacio adecuadas. La escala espacial es el volumen de control limitado por la profundidad del suelo explorada por las raíces del cultivo, y la escala del tiempo es variable, siendo la escala diaria la utilizada con más frecuencia (Fox et al., 1994; Ojeda et al., 1999; Catalán, 22). Contenido de humedad del suelo El agua de riego que se aplica al cultivo se infiltra en el suelo saturando la capa superficial y de ahí se transmite y redistribuye hacia mayores profundidades hasta que una parte del agua drena del perfil del suelo ocupado por las raíces. La velocidad de este movimiento depende de las propiedades hidráulicas del suelo, las cuales se relacionan con otras propiedades como la textura, siendo mayor en suelos ligeros de textura arenosa que en suelos pesados de textura arcillosa. Como consecuencia de este movimiento y del consumo de agua por evapotranspiración, el contenido de humedad en el suelo disminuye con el tiempo. Capacidad de campo La aplicación de riego no busca saturar el perfil del suelo, sino elevar su contenido de humedad hasta un nivel óptimo para el cultivo conocido como capacidad de campo (θ CC ). Ésta se define como la cantidad máxima de agua que el suelo puede retener contra la fuerza de gravedad, después de que se saturó y en ausencia de evaporación directa, condición que se logra en un periodo de 3 a 1 días 192

5 demanda de agua de los principales cultivos. una metodología dependiendo del tipo de suelo y su capacidad para retener el agua. En términos prácticos, θ CC es el contenido de humedad que se logra en el suelo después de que el movimiento descendente o drenaje del agua ha disminuido hasta un nivel que podría considerarse como una pérdida de agua mínima o despreciable. Punto de marchitamiento permanente El riego debe aplicarse antes de que la humedad disponible en el suelo se agote por completo, tomando como referencia un contenido de humedad mínimo permisible para las plantas: el punto de marchitamiento permanente (θ PMP ). Por debajo de este contenido de humedad, ciertas plantas o cultivos indicadores ya no recuperan su turgencia, aun después de estar en una atmósfera saturada por 12 horas. Humedad aprovechable El rango de humedad entre θ CC y θ PMP se conoce como humedad aprovechable (HA) máxima para las plantas y se refiere a la máxima cantidad de agua que puede retener el perfil del suelo ocupado por las raíces de las plantas (Pr). Regularmente, se estima como una lámina o espesor de agua: θ CC y θ PMP se expresan en metros cúbicos (m 3 ) de agua por m 3 de suelo; HA y Pr en metros. El Cuadro 13.1 muestra valores promedio del contenido de humedad a saturación (θ S ), θ CC, θ PMP y HA para cada tipo de textura y a un metro de profundidad del suelo, los cuales fueron derivados de Saxton et al. (1986). 193

6 Cuadro 13.1 Constantes de humedad por tipo de suelo Textura θs θcc θpmp ha Arenosa Areno francosa Franco arenosa Franco arenosa Franca Franco arcillo arenosa Franco arcillosa Franco arcillo limosa Franco limosa Arcillo arenosa Arcillo limosa Arcillosa Limosa

7 demanda de agua de los principales cultivos. una metodología Abatimiento de humedad aprovechable como criterio de riego El riego se aplica cuando el contenido de humedad del suelo disminuye hasta un valor crítico (θ C ) que determina el grado de estrés hídrico máximo al que se somete el cultivo. Por lo regular, este valor se estima en la escala de la humedad aprovechable, donde θ PMP y θ CC representan el cero y 1 por ciento de HA respectivamente (Figura 13.1). Se utiliza una fracción o porcentaje de abatimiento máximo de la humedad aprovechable FAM: donde FAM se expresa en por ciento y el resto de los términos han sido previamente definidos. Figura 13.1 Representación gráfica de la humedad aprovechable del suelo 195

8 metodología para el análisis de la huella hídrica y el agua virtual El contenido de agua del suelo en un día particular θ i, se estima con base en el contenido de agua del día previo θ i-1, y el resto de los términos de la ecuación (1) estimados para el día actual: Consumo de agua por evapotranspiración El agua de riego se consume tanto por la evaporación que ocurre desde la superficie del suelo, como por la que ocurre por transpiración desde la superficie de las hojas y que ha sido previamente absorbida por las raíces de la planta. Ante la dificultad de medir por separado la evaporación y la transpiración, se utiliza el término evapotranspiración (ETr) para referirse de manera conjunta a ambos tipos de flujo de agua (FAO, 1989). La cantidad de agua consumida por un cultivo durante su ciclo se relaciona directamente con su rendimiento (Doorenbos y Kassam, 1996). El valor de ETr en un momento dado depende de factores climatológicos como la temperatura y humedad del aire, radiación solar y velocidad del viento. Depende también de la etapa o grado de desarrollo del cultivo y de algunos mecanismos fisiológicos que controlan la respuesta de las plantas al cambio de las condiciones ambientales (Catalán et al., 24). Estimación de la evapotranspiración Existen varios métodos para estimar ETr tanto de manera directa, como indirecta. La medición directa se basa en el uso de instrumentos como los lisímetros para monitorear los cambios en el contenido de humedad del suelo a través del tiempo. Los métodos indirectos utilizan fórmulas físico-empíricas que requieren datos de clima y del cultivo y que varían en precisión dependiendo del enfoque de aproximación y del tipo y número de variables involucradas (Sánchez et al., 26). En este caso, se utilizó un método indirecto para calcular ETr con base en la estimación previa de la evapotranspiración de referencia (ET): 196

9 demanda de agua de los principales cultivos. una metodología donde ET es la ET potencial de un cultivo de referencia, alfalfa o pasto, bien irrigado sin limitaciones de agua (Allen et al., 199; Jensen et al., 199). La ET se estima con el método original de Hargreaves (1974), modificado posteriormente por Hargreaves y Samani (1982), que requiere la latitud del lugar y datos diarios de temperatura del aire (mínima y máxima). Kc es un coeficiente adimensional empírico para un cultivo específico, un determinado estado de crecimiento y una condición particular de humedad del suelo; indica la capacidad relativa de la superficie del suelo y cultivo para igualar la demanda evaporativa de la superficie del suelo y cultivo de referencia bajo las mismas condiciones climáticas (Jensen et al., 199). Sus valores se obtienen de una curva específica de Kc para cada cultivo que describe la variación de este coeficiente a partir de la estación de crecimiento del cultivo (Doorenbos y Pruitt, 1977). Al producto Kc*ET también se le conoce como ET máxima del cultivo, restringida únicamente por las condiciones ambientales del lugar. Ks es un factor adimensional que restringe el consumo de agua máximo del cultivo debido a la disminución o abatimiento de la humedad del suelo y a la resistencia al flujo de agua que esta provoca. Kc refleja el manejo del riego, ya que a mayor espaciamiento entre riegos su efecto restrictivo sobre el consumo de agua es mayor. Estimación de la lluvia efectiva y las pérdidas de agua por percolación El término precipitación (P) de la Ec. (1) se estima como lluvia efectiva, ya que una parte de la lluvia se pierde por evaporación o escurrimiento y no se encuentra disponible para las plantas. Debido a la complejidad de estos procesos, la lluvia efectiva se estima mediante funciones empíricas derivadas de análisis estadísticos. Las pérdidas de agua por drenaje o percolación profunda ocurren cuando la capacidad de almacenamiento de agua en el perfil del suelo es rebasada, o sea, cuando P-ETr es mayor que HA. 197

10 metodología para el análisis de la huella hídrica y el agua virtual Programa de cómputo Para estimar las necesidades de agua de los cultivos se utilizó el programa de cómputo Driego (Sánchez y Catalán, 26) que sistematiza el algoritmo descrito. Las figuras que aparecen abajo muestran las necesidades de agua de los principales cultivos en los distritos de riego más importantes del país en tres grandes regiones: Subtrópico árido, Subtrópico semiárido y Subtrópico húmedo. Figura 13.2 Balance precipitación / evaporación y demandas de agua de cultivos en distritos de riego en el subtrópico árido 198

11 Evaporación Precipitación Dto. 1 Pabellón Maíz forrajero Dto. 14 Río Colorado Alfalfa Algodonero Cártamo Dto. 66 Sto. Domingo Alfalfa Chile Garbanzo Maíz Naranjo Tomate

12 Dto. 17 Laguna Alfalfa Algodonero Chile Maíz forrajero Nogal Vid Dto. 5 Delicias Alfalfa Algodonero Avena Chile Maíz forrajero Nogal Soya

13 Dto. 9 Cd. Juárez Alfalfa Algodonero Avena Dto. 89 El Carmen Alfalfa Chile Dto. 31 Las Lajas

14 Dto. 3 Valsequillo Chile Maíz forrajero Tomate verde Tomate rojo Sorgo Soya Dto. 76 El Carrizo Dto. 37 Altar Vid

15 Dto. 38 Río Mayo Algodonero Cártamo Chile Garbanzo Soya Col. Yaquis Dto. 18 Col. Yaquis 41 Río Yaqui Río Yaqui 8 6 Cártamo Chile Garbanzo Soya

16 Dto. 51 Hermosillo Garbanzo Vid Dto. 25 Río Bravo Algodonero Sorgo Dto. 34 Zacatecas Alfalfa Avena Chile Maíz forrajero Vid

17 Figura 13.3 Balance precipitación / evaporación y demandas de agua de cultivos en distritos de riego en el subtrópico semiárido Dto. 83 Papigochic

18 Dto. 11 Río Lerma La Begoña Dto. 11 Río Lerma 85 La Begoña Chile Maíz Dto. 4 Don Martín Avena Cártamo

19 Dto. 17 Laguna Alfalfa Algodonero Arroz Avena Cártamo Chile Garbanzo Maíz Soya Dto. 26 San Juan Algodonero Chile jalapeño Chile serrano Soya

20 Figura 13.4 Balance precipitación / evaporación y demandas de agua de cultivos en distritos de riego en el subtrópico subhúmedo Dto. 13 Jalisco Alfalfa Arroz Avena Calabaza Cártamo Cebolla Chile Garbanzo Jitomate Lima Maíz forrajero Pasto forrajero Sandía Tomate cáscara

21 demanda de agua de los principales cultivos. una metodología Alfalfa Avena Maíz Dto. 56 Atoyac Conclusiones El conocimiento de las necesidades de agua de los cultivos es un indicador de las cantidades de riego que se debe aplicar para no mermar la producción agrícola. En términos de huella hídrica, este valor es imprescindible para su cálculo, ya que cuantifica las cantidades necesarias de agua para poder producir los alimentos de los que depende nuestra vida. Las cantidades de agua consumida por los cultivos, dependen, como ya se ha visto, de la localidad y manejo del cultivo, y están conectadas a una cadena de impactos en los recursos hídricos en los lugares de producción entre los que destacan la merma en la disponibilidad y calidad del agua (Chapagain et al., 26). La merma en la disponibilidad a su vez se relaciona con la productividad del agua ligada a las eficiencias de riego; así, un riego eficiente puede reducir de manera importante las cantidades de agua por aplicar a un determinado cultivo. El algoritmo aquí descrito se puede utilizar como herramienta para la planeación y toma de decisiones sobre el uso de los recursos hídricos. Por ejemplo, para optimizar el patrón de cultivos en las unidades o distritos de riego, o sea, definir las superficies por establecer de cada cultivo que produzcan la mayor rentabilidad posible, considerando el volumen de agua disponible y otras restricciones económicas, ecológicas y sociales. 29

22 metodología para el análisis de la huella hídrica y el agua virtual Referencias Catalán V., E.A. (22), Programa para la calendarización del riego parcelario, Informe de Investigación, CENID RASPA INIFAP, Gómez Palacio, Dgo., México. Catalán V., E.A.; Sánchez C., I.; Villa C., M.M.; Inzunza I., M.A. y Mendoza M., S.F. (25), Aplicación computacional en red para la estimación de las demandas de agua y la calendarización de los riegos de los cultivos en los distritos de riego del país, AGROFAZ, núm. 5, pp Catalán V., E.A.; Gutschick V., P. y Villa C., M.M. (24), Análisis del control fisiológico sobre la transpiración y asimilación de especies forestales, Memorias del VII Congreso Internacional en Ciencias Agrícolas, Mexicali, Baja California. Chapagain, A.K., Hoekstra, A.Y., Savenije, H.H.G. and Gautam, R. (26), The water footprint of cotton consumption: An assessment of the impact of worldwide consumption of cotton products on the water resources in the cotton producing countries, Ecological Economics, 6(1), pp Doorenbos J. y Pruitt W., O. (1977), Crop water requirements. Irrigation and Drainage, Paper 24, Food and Agriculture Organization, United Nations, Roma. Doorenbos J. y Kassam A., H. (1996), Yield response to water, FAO Irrigation and Drainage Paper núm. 33. Roma. Food and Agriculture Organization (1989), Irrigation water management: Irrigation scheduling, Training Manual núm. 4. Roma. Fox F., A.; Schere T., F.; Slack D., C. and Clark L., J. (1994), Arizona Irrigation Scheduling (AZSCHED Version 1.1E), Users Manual, Cooperative Extension, University of Arizona, Tucson. Hargreaves G., H. y Samani Z., A. (1982), Estimating potential evapotranspiration, J. Irrig. Drain. Div., ASCE, 18: Jensen M., E.; Burman R., D. y Allen R., G. (199), Evapotranspiration and irrigation water requirements, American Society of Civil Engineers, Irrigation Water Requirements Committee of the Irrigation and Drainage Division. Manuals and Reports on Engineering Practice núm. 7, Nueva York. Martin D., L.; Stegman E., C. and Fereres E. (199), Irrigation scheduling principles, en Management of farm irrigation systems, Hoffman, G.J., y K.H. Solomon (eds.), ASAE monograph, St. Joseph, MI., pp Ojeda B., W.; Sifuentes I., E.; González C., J.M.; Guillen G., J.A. y Unland W., H. (1999), Pronóstico del riego en tiempo real, Centro Nacional de Transferencia de Tecnología de Riego y Drenaje, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, México. 21

23 demanda de agua de los principales cultivos. una metodología Sánchez C., I.; Catalán V,. E.A.; and Villa C., M.M. (26), Evapotranspiration modeling for irrigation purposes. Chapter book, en Modeling and Remote Sensing Applied to Agriculture, Estados Unidos/Mexico, USDA ARS/INIFAP, pp Saxton, K.E.; Rawls, W.J.; Rosemberg, J.S. y Papendick, R.I. (1986), Estimating generalized soil-water characteristics from texture, Soil Science Society of America Journal, núm. 5, pp