El agua en la producción de cultivos extensivos: el suelo como gran reservorio eficiente
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El agua en la producción de cultivos extensivos:
el suelo como gran reservorio eficiente
Micucci F.G.1 y 2, Taboada M.A.2, Gil R.3.
INPOFOS Cono Sur1, Cátedra de Fertilidad de Suelos, FAUBA2, INTA Castelar3
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Importancia del agua en el sistema agrícola
El agua fue considerada desde siempre como el factor que más incide en la producción de alimentos en el mundo. El desafío constante es conocer cómo el clima, el suelo, la genética vegetal y el manejo cultural pueden combinarse para aumentar la eficiencia en el uso del agua por los cultivos. La evaluación cuantitativa del agua del suelo constituye entonces la herramienta fundamental para comprender estas interacciones y establecer pautas de manejo que optimicen su uso en el sistema de producción.
Cálculo del contenido de agua del suelo
En términos generales, la composición en volumen de un suelo de textura media (franca) es del 50% de sólidos (minerales 45% y materia orgánica 5%) y 50% de poros. El espacio poroso puede ser ocupado por agua solamente (suelo saturado, y en el caso de los arrozales); o puede ser ocupado en su mayor parte solo por aire (suelo seco), o por ambos, agua y aire. Típicamente, los suelos agrícolas, permanecen en este último estado, es decir, un estado no saturado.
El contenido de agua del suelo en un momento dado es posible expresarlo de distintas formas (Hanks y Ascroft, 1980). Por ejemplo, se puede expresar en relación a la masa de suelo, llamado humedad en peso (g g-1), presente en la ecuación [1]:
Humedad en peso (g g-1) = masa de agua (g) / masa de suelo seco (g) [1]
donde la masa de agua surge de la diferencia entre la masa total de suelo húmedo y la masa de suelo seco en estufa durante 24 h a 105 °C.
También se puede expresar en relación a su volumen, llamado humedad volumétrica (θ, cm3 cm-3), presente en la ecuación [2]:
Humedad volumétrica (θ cm3/cm3) = volumen de agua (cm3) / volumen de suelo seco (cm3) [2]
donde el volumen de agua corresponde a la masa de agua (de la ecuación 1) y el volumen de suelo corresponde al cilindro de la muestra.
Es posible relacionar ambas ecuaciones (1 y 2) mediante el valor de densidad aparente del suelo (Da, g cm-3), de acuerdo con la ecuación [3]:
θ (cm3 cm-3) = (g g-1) × (Da g cm-3) [3]
Finalmente, el valor de contenido de agua del suelo es importante ya que nos permite (Hanks y Ascroft, 1980):
- Inferir acerca de la influencia del agua en el crecimiento de las plantas.
- Calcular la cantidad de agua a complementar con el riego o la necesidad de agua de lluvia, o la profundidad que alcanza en el perfil de suelo una determinada cantidad de agua.
- Estimar las pérdidas por evapotranspiración a lo largo de todo el ciclo de un cultivo, siendo ésta una de las mayores vías de pérdida dentro del ciclo hidrológico.
El concepto de lámina de agua y su utilidad
Una forma práctica de expresar y visualizar la cantidad de agua existente o almacenada en el suelo es en términos de altura o lámina de agua (L). La unidad de medida más frecuente para expresar la lámina es el milímetro (mm), que equivale al volumen de 1 litro de agua distribuido en la superficie de 1 m2. Así, la expresión volumétrica del contenido de agua de un suelo se convierte fácilmente a lámina de agua, mediante la siguiente expresión [4]:
Lámina de agua = humedad volumétrica × espesor de la capa de suelo [4]
L (mm) = θ (cm3 cm-3) × e (cm)
Esta forma de expresión es de gran utilidad ya que permite relacionar los flujos de la parte aérea (precipitación, irrigación, evapotranspiración) con el funcionamiento del sistema suelo-planta (M. Sumner, 2000; Gil R. y Garay A., 1999). Por otro lado, existe una relación entre la lámina de agua y la degradación y erosión de los suelos. Hoy en día, gran parte de los factores que determinan la producción de los principales cultivos agrícolas de la región pampeana están vinculados a este concepto. Numerosas investigaciones (Gil R., 1997; Casas y Irurtia, 1995; Maryi, 1989) indican que la pérdida de profundidad efectiva del horizonte superficial, en concordancia con pérdidas de materia orgánica, provoca la disminución de la lámina de agua disponible para la absorción por los cultivos y, en consecuencia, una menor autonomía del suelo para soportar sequías estacionales. Estos problemas se vuelven críticos en el caso del cultivo de maíz, o en suelos someros con problemas de tosca (sudeste y sudoeste de la región pampeana) o con horizontes subsuperficiales fuertemente arcillosos (sector este de la Pampa Ondulada). También es un dato muy necesario a la hora de tomar decisiones relacionadas con el manejo agronómico, como planificación de las rotaciones, factibilidad de respuestas a la fertilización, entre otras.
Cantidad de agua disponible para los cultivos
No solo es importante saber el contenido de humedad del suelo (g g-1 / θ), sino también la energía con que está retenida el agua en la matriz del suelo. Por ejemplo, dos suelos pueden tener la misma cantidad de agua pero retenerla con más energía uno que otro y, por lo tanto, ser menos disponible para la planta. Por convención, esta energía toma signo negativo cuando se la conoce con el nombre de potencial mátrico (ψm). De alguna forma, esta energía puede ser vista como la cantidad de trabajo necesaria para desplazar una cantidad de agua dada del suelo, donde está retenida, a un estado de agua libre. A medida que el contenido de humedad de un suelo disminuye desde la saturación, donde no existe la retención (ψm = 0), la energía de retención aumenta y empiezan a actuar las fuerzas capilares y de adsorción. En saturación todos los poros están llenos de agua, y luego, en la medida que el suelo se seca, el agua queda retenida en los poros más pequeños.
La figura 2 muestra la curva de retención de humedad que relaciona la energía de retención (ψm) con el contenido volumétrico de agua (θ). Se observa que la relación entre ambos parámetros es compleja (no lineal) debido a que interaccionan las distintas fases (sólida-líquida-gaseosa). Esta relación entre el contenido de agua del suelo y su energía de retención nos permite también caracterizar los siguientes parámetros o coeficientes hídricos:
- Capacidad de campo (CC): se define como la cantidad de agua que es retenida en el suelo luego de drenar el agua gravitacional. Se presenta una disminución sustancial de la tasa de movimiento descendente del agua en el suelo. A este valor se lo conoce también como capacidad normal de campo, capacidad capilar, capacidad de retención de agua, y límite máximo cuando se lo relaciona con el cultivo. Su valor es variable pero, para muchos suelos, un valor aceptable oscilaría entre 10 y 33 kPa o 0,1 a 0,33 bars. Existe un valor que se determina en laboratorio llamado humedad equivalente, que suele asimilarse con la capacidad de campo. Este valor ha sido determinado por el INTA para una gran cantidad de series de suelo de la región pampeana y se encuentra en las cartas de suelo.
Es interesante notar que en el mismo punto donde se define la capacidad de campo, se define también por diferencia la capacidad de aireación (CA) de un suelo. Es decir, el volumen de poros que quedan drenados cuando el suelo está en capacidad de campo. Como es de suponer, este volumen es muy importante porque de él dependen los procesos biológicos de la nitrificación y la aireación de las raíces de los cultivos. Se considera que un suelo presenta deficiencias de aireación cuando el volumen de estos poros es menor al 10 %.
- Punto de marchitez permanente (PMP): referido al contenido de agua en donde la energía de retención es tan alta que los vegetales no la pueden absorber, alcanzando su estado de marchitez parcial o total como resultado del estrés hídrico. Si bien su valor es variable, se ha tomado como valor de referencia −1500 kPa o −15 bars.
Capacidad de agua disponible (CAD): se refiere a la cantidad total de agua que un suelo puede almacenar para el crecimiento del cultivo a lo largo de su ciclo y es la diferencia entre CC − PMP. También suele denominarse agua disponible, o agua útil. Esta diferencia puede calcularse en términos de humedad en peso (g g-1), humedad en volumen (cm3 cm-3), o lámina (L, mm).
Figura 2. Relación entre energía de retención y contenido de agua del suelo para 3 tipos de textura. También se muestra la clasificación funcional del agua asociada al tamaño de los poros y a las partículas primarias. CC = capacidad de campo; PMP = punto de marchitez permanente; CAD = capacidad de agua disponible. Fuente: OADS 1984, tesis de F. Damiano (1999).
La CAD está afectada tanto por la estructura como por la textura del suelo, y por la profundidad efectiva que alcanzan las raíces de los cultivos. El efecto de la estructura es más pronunciado al determinar el contenido de agua en capacidad de campo, pues la presencia de grietas, fisuras y canales determina, en parte, la cantidad de agua retenida contra las fuerzas gravitacionales. Esto contribuye a que existan mayores variaciones en el contenido hídrico a capacidad de campo dentro de una misma clase textural que en el punto de marchitez permanente. Por otra parte, tanto la CC como la capacidad de aireación (CA) son fuertemente influenciadas por el manejo. Así, al deteriorarse los poros de mayor tamaño, los procesos de compactación afectan negativamente la CAD (Micucci et al. 2002; Gregory 1988; Gardner 1983).
En relación a la textura, Damiano y Taboada (2000) realizaron un estudio a escala 1:500 000 en diferentes subregiones pampeanas de Argentina. Hoy en día, es posible disponer de un patrón de distribución geográfico gradual de la capacidad de agua disponible (CAD) para los cultivos. Dicho patrón es de gran importancia para estudiar la respuesta de los cultivos, la vegetación y los sistemas hidrológicos a escala regional. En la tabla 2.1 se muestra la capacidad de agua disponible (CAD en mm) en el perfil y en la capa arable; y la profundidad del perfil en diferentes suelos que abarcan el área de estudio. Al mapear los suelos, es posible encontrar un gradiente hídrico de dirección sur-norte, que se corresponde con el material originario (grueso-fino) y las condiciones climáticas (semiárido a subhúmedo). Queda claro la importancia de la capa arable como reservorio de agua en algunos suelos, representando más del 50% del total del agua disponible en el perfil.
Tabla 2.1. Estimación de la capacidad de agua disponible (CAD en mm) en el perfil y en la capa arable, y la relación en % (CAD-CA / CAD-perfil) para los subgrupos de suelos dominantes que conforman las distintas unidades geomorfológicas de la región pampeana y áreas adyacentes (adaptado de Damiano y Taboada, 2000).
| Región | Subgrupos de suelo dominante | CAD-perfil (mm) | CAD-CA (mm) | CAD-CA (% perfil) | Prof. del perfil (cm) |
|---|---|---|---|---|---|
| PO | Argiudol típico | 169 | 32 | 19 | 95 |
| PO | Argiudol vértico | 58 | 37 | 63 | 33 |
| PIP | Panhapludol éntico | 69 | 32 | 46 | 66 |
| PIP | Hapludol táptico argíco | 82 | 33 | 40 | 85 |
| PIO | Haplustol éntico | 43 | 23 | 53 | 43 |
| PSB | Haplustol éntico | 36 | 14 | 39 | 68 |
| PM | Pludret argiudólico | 55 | 29 | 53 | 39 |
| PD | Hapludol táptico nátrico | 67 | 32 | 47 | 61 |
| PA | Argiudol típico somero | 111 | 27 | 24 | 88 |
Nota: PO = Pampa Ondulada; PIP = Pampa Interior Plana; PIO = Pampa Interior Occidental; PSB = Pampa Semiárida Bonaerense; PM = Pampa Mesopotámica; PD = Pampa Deprimida; PA = Pampa Austral.
Balance de agua en el suelo
Con el fin de tener una visión más completa del sistema es necesario comprender el balance de agua del suelo. Si consideramos al perfil del suelo como un reservorio de agua y conocemos los ingresos y las pérdidas de agua dentro de un sistema cerrado, podremos aplicar la ecuación de balance [1]:
P + I = ET + R + D ± ΔAlm [1]
donde P e I caracterizan las entradas por precipitación e irrigación artificial, mientras que las pérdidas incluyen a la ET, que representa la cantidad de agua perdida por evaporación desde la superficie del suelo y la transpirada por las plantas; y R, el escurrimiento superficial, y D, el drenaje…