Área de estudio y muestreo

El estudio se llevó a cabo en el Laboratorio de Suelos del Campo Experimental Zacatecas, perteneciente al Instituto Nacional de Investigaciones Agrícolas (INIFAP). La primera parte de la información de suelos proviene de estudios realizados por la Comisión de Estudios del Territorio Nacional (CETENAL) en 1976 en el estado de Zacatecas y la segunda parte, proviene de muestras de suelo analizadas en 2016 por el INIFAP. En ambos casos, el número de muestras utilizadas fue de 300, las cuales fueron distribuidas en los municipios de Fresnillo, Sombrerete, Saín Alto, Río Grande, Nieves, Juan Aldama, Calera y Villa de Cos, todos localizados al norte del Estado (-103.5°, -102.25 ° O, 24.5°, 23.0° N.) y representan 2 118 000 ha. Cada sitio de muestreo fue georreferenciado.

Análisis de suelos

El análisis de laboratorio incluyó determinaciones físico-químicas como: textura, densidad aparente, capacidad de campo, punto de marchitez permanente, pH, conductividad eléctrica (CE), contenido de materia orgánica (MO), y los macronutrientes nitrógeno inorgánico (NO₃), fósforo (P₂O₅) y potasio (K). En cuanto a la determinación de cationes en el extracto de saturación, los análisis de 1976 sólo incluyeron calcio (Ca), magnesio (Mg), potasio (K) y sodio (Na). Los análisis del año 2016 incluyeron aniones como cloro (Cl), bicarbonatos (HCO₃ ^-) y sulfatos (SO₄ ^-) y micronutrientes como el fierro (Fe), zinc (Zn), cobre (Cu) y manganeso (Mn).

Análisis geoestadístico

Con la información se generaron imágenes raster de cada una de las determinaciones, utilizando modelos geoestadísticos (^{Isaaks y Srivastava, 1989}) e interpolaciones con kriging (^{Wang et al., 2020}) por medio del programa IDRISI (^{Eastman, 2012}). Con el mismo software se hicieron comparaciones entre imágenes de 1976 y 2016 por medio de tabulación cruzada, con lo que fue posible detectar los cambios, como acumulaciones o pérdidas de sedimentos. También fue posible estimar las superficies afectadas.

Erosión eólica

Para la estimación de la erosión eólica se utilizó la ecuación de la erosión eólica (WEQ por sus siglas en inglés) que fue desarrollada por ^{Woodruff y Siddoway (1965)}, y que ha sido utilizado en áreas agrícolas del mundo (^{Skidmore, Fisher y Woodruff, 1970}; ^{Eltaif y Gharaibeh, 2011}). El modelo se expresa de la siguiente manera:

Donde:

La relación entre los factores de la ecuación no se expresa como una función de las cinco variables independientes, por lo que, la ecuación es resuelta en cinco pasos independientes, donde los dos últimos involucran soluciones gráficas; en cada paso se evalúa el efecto de una variable adicional. Para mayor detalle de la solución se refiere al lector a la metodología definida por ^{Figueroa et al. (1991)}, y el desarrollo de la misma en imágenes raster en ^{Echavarría-Chairez et al. (2009)}.

Datos climatológicos

Los datos del viento utilizados provinieron de 38 estaciones de la Red de Monitoreo Agroclimático del estado de Zacatecas del INIFAP; se obtuvieron valores promedio mensuales y anuales los cuales se asociaron a las coordenadas geográficas de las 38 estaciones involucradas, lo que permitió su interpolación por medio de análisis geoestadístico. Finalmente, las áreas compactas de acumulaciones o pérdidas fueron superpuestas sobre el mapa de erosión eólica potencial (overlay) para conocer la intensidad de erosión eólica que las afecta específicamente. Para determinar el viento dominante y la dirección promedio mensual, se utilizaron los datos de diez estaciones climatológicas automatizadas, de las 38 estaciones climatológica disponibles y se seleccionaron las diez estaciones que están dentro y alrededor del área de mayor intensidad de erosión eólica potencial estimada para el estado de Zacatecas.

Análisis estadístico

Se compararon los valores de las diversas determinaciones de suelo mediante una prueba de “t” de Student. También se compararon las clases de erosión asociadas a pérdidas y acumulación de suelo por medio de un análisis de chi cuadrada, con el cual fue posible comprobar si la superficie donde coincide la erosión eólica y las pérdidas o acumulaciones de nutrimentos fueron significativamente diferentes. Asimismo, se compararon las frecuencias de predominancia de viento de las estaciones climatológicas utilizando la prueba de chi cuadrada. Los datos se analizaron por medio del programa SAS (^{SAS Institute, 2012}).

Determinaciones de suelo y distribución espacial

Las determinaciones de suelos realizadas en 1976 y 2016 en las que hubo coincidencia de métodos y unidades se presentan en el Cuadro 1, así como los parámetros de media y desviación estándar de cada determinación (n = 300). Existen diferencias significativas (P < 0.05) entre los años estudiados, presentando los valores más altos en el año 1976 en arena, arcilla, MO, pH, CE, Ca, Mg, Na y K, sólo el fósforo es más bajo en 1976 y el porcentaje de limo en la textura del suelo, presentó valores iguales (P > 0.05). Una interpretación preliminar del Cuadro 1, sería que, en 40 años, se ha presentado una disminución paulatina en los porcentajes de arena y arcilla, que la MO y pH, así como, los contenidos de los cationes analizados en ambos momentos (Ca, Mg, Na y K) y consecuentemente, también la CE han disminuido. Sólo el fósforo presenta valores más altos en 2016 y el porcentaje de limo se mantuvo igual. Sin embargo, el asociar los sitios de muestreo con las coordenadas geográficas y generar imágenes, se puede observar su distribución espacial, lo que proporciona una percepción diferente del fenómeno, lo cual no puede ser mostrado por los parámetros estadísticos como la media o desviación estándar (Cuadro 1). Al sobreponer las imágenes de 1976 y 2016, con ayuda del software utilizado (^{Eastman, 2012}), se identificaron áreas comunes en las que se presentaron algunas coincidencias o contrastes entre imágenes de diferentes determinaciones.

Al disponer de imágenes se genera una percepción de la distribución espacial que los parámetros estadísticos no pueden mostrar, en cambio, la información univariada genera una idea de homogeneidad y sin cambios en el espacio (^{Isaaks y Srivastava, 1989}), (Cuadro 1). Sin embargo, al utilizar las imágenes y sobreponerlas entre sí, las coincidencias en algunas determinaciones ayudaron a identificar los cambios que se han presentado en partes específicas de la región estudiada. Dichos cambios se refieren a incrementos o disminuciones en algunas características y propiedades del suelo. Una porción de la superficie de suelo estudiada mostró valores de pH más altos que los valores medios medidos en 1976. Asimismo, los valores del porcentaje de arena se incrementaron, precisamente donde se encontraron los valores altos de pH del suelo. Al unir las superficies que coincidieron con pH alcalino y alto contenido de arena, se encontró que la superficie que presenta tales incrementos fue de 401 907 ha, y su distribución espacial se muestra en la Figura 1. Esta área, que es la más afectada por los cambios en pH y acumulación de arena incluye los municipios de Juan Aldama, Fresnillo, Río Grande y Cañitas, en el estado de Zacatecas.

Figura 1: Área de coincidencia de acumulación de arena e incremento de valores de pH del suelo.  

Figure 1: Coincidence area of sand accumulation and increase in pH values. 

El Cuadro 2, muestra los valores medios obtenidos de las mismas determinaciones presentadas en el Cuadro 1, pero utilizando únicamente los valores de la superficie seleccionada. El Cuadro 2 permite observar que específicamente en el área indicada, los valores medios y su desviación estándar del año 2016, se modifican. En particular refiriéndose al contenido de arena, en esta porción del terreno, los valores se incrementan hasta más de 65% y se disminuye la arcilla y el limo. También se disminuye aún más, el contenido de MO, se incrementa el pH del suelo, se incrementa ligeramente el contenido de calcio, magnesio y sodio, disminuyendo el potasio y fósforo, lo que indica que en esta porción del terreno, los valores promedio son diferentes al resto del terreno, lo cual pudiera estar asociado a un fenómeno de transporte de suelo, provocando una acumulación y pérdida de éste, el cual ha sido reportado con anterioridad (^{Echavarría-Chairez et al., 2009}; ^{Arroyo-Salazar, Sandoval y Santos, 2010}). Esto se puede apreciar mejor al hacer una comparación de las imágenes raster de 1976 a 2016, las cuales muestran los cambios en términos de superficie que sufrió algún cambio, ya sea pérdida o acumulación de cationes, MO u otras determinaciones de laboratorio realizadas. En el Cuadro 3 se presentan las superficies que cambiaron específicamente en el área seleccionada, las que se mantuvieron sin cambios y las que sufrieron pérdidas, tanto en contenido de MO, como en Ca, Na, Mg y K entre 1976 y 2016. Sobresale por su magnitud el contenido de Ca, el cual se redujo en esa porción del terreno en un 98%, seguido por el contenido de K con un 59%, la MO del suelo que se redujo en el 58% de la superficie y el sodio en un 35%, lo que se obtuvo al comparar ambas imágenes raster y medir las superficies donde se presentó tal reducción (Figura 2).

Figura 2: Cambios en el contenido de materia orgánica en el suelo entre 1976 y 2016 en un área de acumulación de arena e incremento de valores de pH del suelo, al norte de Zacatecas.  

Figure 2: Changes in organic matter of soil in 1976 and 2016 in a sand accumulation area and increase of pH values in northern Zacatecas, Mexico. 

Las pérdidas se explican como consecuencia de la nula incorporación de material orgánico, la continua mineralización de la MO y prácticas de laboreo en meses de intenso viento en la época invernal (Figura 2). La disminución en el contenido de materia orgánica es un proceso generalizado y continuo que se presenta en todo el Estado y se le considera como una parte de la explicación de la degradación biológica que prevalece y que se ha generalizado (^{Echavarría-Chairez et al., 2009}).

La disminución de gran importancia son las pérdidas de calcio en el 98% de la superficie de referencia, lo que parece contrario al incremento en el pH del suelo. Respecto al contenido de sodio, se observó una acumulación en el 27%, una pérdida en el 35% y sin cambios en el 37% de la superficie de referencia. La columna central del Cuadro 3 permite observar que las pérdidas en esta área seleccionada son importantes y representan un 60% de la superficie. En cambio, la acumulación es menor y sólo representa un 7% de la misma superficie.

Por otro lado, dados los cambios de pH en el suelo, que en esta área son de 8.18 (Cuadro 2), ligeramente más elevados que el resto del terreno (7.40) Cuadro 1, se estimó la relación de absorción de sodio (RAS) y el porciento de sodio intercambiable (PSI). Los valores medios calculados de 1976 fueron más altos que los de 2016 (RAS = 0.41 y 0.35, PSI = 0.61 y 0.5, respectivamente) (Figura 3). La reducción de los valores de calcio y de sodio dentro del área seleccionada, indica que el riesgo de incremento de salinidad y sodicidad, ha disminuido con el tiempo y permite descartar que el incremento de pH del suelo sea provocado por salinidad o sodicidad. Por otro lado, al observar la distribución espacial de los cambios, los sitios donde el valor de PSI sufrió un decremento se localizan al sur de la imagen de referencia y los incrementos en valores de PSI se localizan al norte de la misma superficie (Figura 3), lo que sirve para ubicar los sitios donde se ha propiciado una pérdida o acumulación de cationes y es un indicio de que existe un patrón de cambios de sur a norte. Por otro lado, el potasio se perdió en el 59% del área y se mantuvo sin cambios en el 40%. En lo que respecta al magnesio, este se muestra sin cambios en el 51% y pérdidas en el 49% de la superficie de referencia.

Figura 3: Cambios en valores de Porciento de Sodio Intercambiable de 1976 a 2016 en el norte de Zacatecas, México.  

Figure 3: Changes in percentage of exchangeable sodium values from 1976 to 2016 in northern Zacatecas, Mexico. 

Aniones y microelementos no comparados

Otros aniones y microelementos disponibles en el año 2016, no pudieron ser comparados, debido a que no fueron evaluados en 1976. De los evaluados en 2016 sobresale el contenido de bicarbonatos con concentraciones de 4 a 6 Me L^-1 en el 16.9% del área, y concentraciones de 2 a 4 Me L^-1 en el 83.1% del área de referencia, lo que pudiera explicar en parte los valores altos de pH en el área, ya que, de acuerdo con ^{Castellanos et al. (2000)}, se considera un suelo alcalino aquellos cuyo pH es superior a 8.2-8.4 y deben su alcalinidad a la presencia de bicarbonatos. La concentración de bicarbonatos raramente excede de 10 Me L^-1 en ausencia de carbonatos, y si el pH del extracto es 7 o menos rara vez pasará de 3 a 4 Me L^-1 (^{Richards, 1964}). Tomando en cuenta sólo el valor medio del pH del extracto de suelo de 2016 (7.42), ya que no se cuenta con valores de esta variable en 1976, pero, considerando que los valores de calcio y magnesio de 2016 son bajos, así como, valores ligeramente mayores de bicarbonatos y, además, sabiendo que los valores de pH del extracto promedio están en el rango de 7 a 7.5 (7.42), esto es una indicación de que carbonatos de metales alcalino-térreos pudieran estar presentes, de acuerdo con ^{Richards (1964)}. Esto contribuye a explicar el porqué de valores de pH del suelo se han elevado en la porción de terreno seleccionada.

También sobresalen otros aniones evaluados sólo en 2016, como el cloro con 50% de la superficie con valores de 0-4 me L^-1 y de 0-2 me L^-1 de sulfatos en el 77%. En lo que respecta a microelementos, de 0-4 mg kg^-1 de zinc en el 99%, de 0-4 mg kg^-1 de fierro en el 90% y de 0-1 mg kg^-1 de cobre en el 99%, así como, de 0-4 mg kg^-1 en el 91% de manganeso. Dado que, los valores de estos microelementos son bajos, se sabe que la baja disponibilidad de estos últimos cuatro microelementos mencionados se asocia a suelos con pH alcalino (^{Castellanos et al., 2000}; Roca, Pazos y Beche, 2011).

Acumulaciones y pérdidas de 1976 a 2016

La suma de pérdidas y acumulaciones de los elementos que pudieron ser evaluados en ambos momentos, representa el 96% de la superficie de referencia (Figura 4). Esto pudo ser realizado gracias a la sobre posición de imágenes raster y la tabulación cruzada disponible en el sistema de información geográfica (^{Eastman, 2012}). Esto significa que dichos cambios en pH de suelo y acumulación de arena, se asocian a su vez a un patrón de pérdidas y acumulaciones de elementos, sin incluir en este patrón los aniones y microlementos no evaluados en 1976. Además, del patrón observado de acumulaciones y pérdidas, se asoció con una coincidencia de pérdidas en el sur y un área de acumulación en el norte, lo que, a su vez, se asocia este comportamiento con el patrón de vientos dominante en esa zona norte del estado de Zacatecas. Se identificó el viento dominante y la dirección promedio mensual con los datos de diez estaciones climatológicas automatizadas que se localizan al norte del Estado y que se ubican dentro y alrededor del área de mayor intensidad de erosión eólica potencial estimado para el estado de Zacatecas (Figura 5). Para esto, se sobrepuso el mapa de pérdidas y acumulaciones sobre el mapa de erosión eólica potencial (Figura 6 A, B y C). Al sobreponerlo, se comprobó la asociación entre intensidades de erosión y áreas de acumulación o pérdida (Cuadro 4). El Cuadro 4 muestra que los valores de 8 a 16 y de 16 a 32 Mg ha^-1 son los rangos que presentan los valores más altos de erosión eólica, con superficies de 100 209 ha y 233 587 ha en las áreas de acumulación y pérdidas, respectivamente. Para comprobarlo, se utilizaron los datos de viento predominante mensual de 192 meses que corresponden a datos históricos de cada estación seleccionada, desde 2003 a 2019 (Figura 5), con pequeñas diferencias en el año de inicio en funciones de cada estación. Al agruparlos por las cuatro direcciones básicas (N, S, E, O) y compararlos mediante una prueba de chi cuadrada, se encontraron diferencias (P > 0.05) entre las direcciones predominantes, siendo el sur la dirección dominante, la cual presenta valores de 1028 meses en esa dirección predominante (1028 meses de un total de 1962 meses de diez estaciones, en 13 años), seguido de la dirección Este, con 667 meses, del Norte con 245 y finalmente la dirección Oeste con 22 casos de vientos, la frecuencia del suroeste y sur-suroeste (SO y SSO) son diferentes al resto de las direcciones (P < 0.05) y juntas representan el 37.8% del total de los meses en que se ha llevado registro de velocidad y dirección de viento de las diez estaciones seleccionadas (Figura 4).

Figura 4: Sitios de pérdida (A) y acumulación (B) de cationes, dentro del área de mayor acumulación de arena y cambios de pH. 

Figure 4:  Sites of loss (A) and accumulation of (B) cations, within the area of greatest accumulation of sand and pH changes. 

Figura 5: Desviación relativa de 16 direcciones de viento observado en 10 estaciones del norte del estado de Zacatecas.  

Figure 5: Relative deviation of 16 wind directions observed in 10 stations in the northern Zacatecas, Mexico. 

Figura 6: Mapas de erosión eólica del estado de Zacatecas en 2016 (A) pérdida de cationes (B) y acumulación (C) asociados a clases de erosión eólica. 

Figure 6: Wind erosion maps of the state of Zacatecas, Mexico in 2006 (A), cation loss (B) and accumulation (C), both associated with wind erosion classes. 

Le siguen en importancia, los vientos predominantes que provienen del este-suroeste (ESE) y del Este en un 23.8% de los meses estudiados. Sumando las 4 direcciones mencionadas, se obtiene que un 61.6% de meses en los que el viento predominante en el estado de Zacatecas es del SO o del ESE. Además, al organizar por número de meses con la misma dirección predominante en las diez estaciones seleccionadas, nos muestra que en ocho meses (de octubre a mayo) el viento predominante fue con dirección SO y sólo de junio a agosto el viento predominante proviene del ESE y en el mes de septiembre, el viento que predomina proviene del E. Esto permite asegurar que existen vientos dominantes que se asocian con valores de erosión eólica que producen pérdidas de suelo en la parte sur del área de estudio y tales partículas de suelo al ser removidas, se han depositado al norte del área, las que aquí se han identificado como de acumulación de arena y que ha provocado cambio de pH.

La superficie afectada por cambios de acumulación de arena y de pH del suelo, es de 401 907.3 ha (Figura 1), sin embargo, de acuerdo con la cartografía de uso del suelo y vegetación, serie V, de ^{INEGI (2013)}, del total mencionado, al sobreponerse sobre la superficie de referencia, ésta se reduce a 199 753 ha dedicadas a uso agrícola (49.7%). De esta superficie dedicada exclusivamente a labores agrícolas, 38 670 ha son donde se presentan acumulaciones de los cationes estudiados y 151 356 ha es la superficie donde momentáneamente provienen las pérdidas de suelo. Si la superficie total de referencia son 401 907.3 ha, y sólo 199 753 son dedicadas a labores agrícolas, esto representa un 49.7% y el resto es de uso pecuario. Sin embargo, el proceso de remoción y traslado de partículas de suelo está presente en un área mayor, aunque afectando en menor proporción las áreas aledañas y aquí sólo se detecta el área con mayor afectación (Figura 6B y C),

La degradación de los suelos agrícolas sigue siendo un problema grave, difícil de controlar y monitorear debido a la actividad antrópica, el crecimiento poblacional y el desarrollo económico. En este sentido, el conocimiento de los mecanismos involucrados en el desarrollo de la erosión exacerbada en suelos agrícolas, es un factor para recomendaciones en el tratamiento de suelos agrícolas degradados. Esto implica el desarrollo de métodos de investigación más eficientes para el diagnóstico temprano de la erosión del suelo, que permita iniciar oportunamente el tratamiento de regeneración, que, a su vez, permitiría disminuir los problemas de disminución del rendimiento de los cultivos y evitar la degradación del suelo para generaciones futuras (^{Echavarría-Chairez et al., 2009}; ^{Trejo-Calzada et al., 2015}).