Información meteorológica

Para la obtención de los datos climatológicos de la zona de estudio, se utilizó una torre meteorológica, la cual contenía los diferentes sensores instalados para medir temperatura del aire, humedad relativa, velocidad del viento, presión barométrica, radiación solar neta y precipitación; las lecturas meteorológicas se registraron cada 10 minutos durante las 24 horas del día, y para el cálculo se obtuvieron los promedios cada 30 min. Considerando que la evapotranspiración ocurre durante el día, mientras existe la presencia de radiación solar, se hizo una depuración de datos para calcular posteriormente los promedios, máximos y mínimos diarias, y finalmente la evapotranspiración de referencia diaria.

Manejo del cultivo

El trabajo se realizó en una superficie de 12 ha de pradera con zacate híbrido Convert 330 (Brachiaria sp) sometida a pastoreo rotativo; para el manejo del cultivo no se hizo ninguna recomendación al productor, sólo se le dio seguimiento, tomando en consideración las prácticas culturales aplicadas. La pradera estaba sembrada en surcos a 80 cm de separación entre surcos y 30 cm de separación entre plantas. Durante el período de estudio se realizaron 6 pastoreos con períodos de rotación de 48, 61, 60, 53, 64 y 64 días. Se aplicaron 6 riegos, uno después de cada pastoreo; el riego se aplicó mediante el método de surcos y se utilizó tubería de pvc con compuertas.

Evapotranspiración de referencia (ET₀)

Para estimar la evapotranspiración de referencia (ET₀) se utilizó la ecuación (1), propuesta por Penman-Monteith (^{Allen, Pereira, Raes y Smith, 1998}):

Donde, ET₀ es la evapotranspiración de referencia (mm d^-1), Rn es la radiación solar neta (MJ m^-2 d^-1), G es el flujo de calor en el suelo (MJ m^-2 d^-1), ∆ es la pendiente de la curva de presión de vapor (kPa °C^-1), γ es la constante psicométrica (kPa °C^-1), T es la temperatura media del aire (°C), u₂ es la velocidad del viento ajustada 2 m de altura (m s^-1), (e_a - e_s) representa el déficit de presión de vapor del aire a 2 m de altura (kilo Pascal).

Evapotranspiración de referencia con datos limitados

Dos de los datos más importantes para estimar la evapotranspiración es la radiación solar neta (R_n) y el flujo de calor en el suelo (G), sin embargo, esta información regularmente no está disponible en las estaciones climatológicas convencionales. Para este trabajo se consideró el valor G = 0 tal como lo indica ^{Allen et al. (1998}) y para calcular R_n se hizo a partir de las ecuaciones 2 a 11.

Donde R_n es la radiación solar neta (MJ m^-2 d^-1), R_ns es la radiación solar de onda corta (MJ m^-2 d^-1) y R_nL es la radiación solar de onda larga (MJ m^-2 d^-1).

Donde R_s es la radiación solar (MJ m^-2 d^-1) y α es el albedo, al cual se le asigna un valor de 0.23 para el cultivo hipotético considerado en FAO56.

Donde n es el número de horas luz durante el día (h), N es la máxima duración de horas luz (h), R_a es la radiación solar extraterrestre (MJ m^-2 d^-1), a_s y b_s son constantes de una regresión lineal local que dependen de la localización geográfica de la zona de estudio, para este caso se utilizaron 0.25 y 0.50, respectivamente.

Donde G_sc es la constante solar con un valor de 0.082 MJ m^-2 min^-1, d_r es la distancia relativa inversa de la tierra al sol, ω_s es el ángulo a la puesta del sol (rad), ϕ es la latitud de la estación meteorológica (rad), y δ es el ángulo de declinación solar (rad). Los valores de δ, d_r y ω_s se calcularon aplicando las ecuaciones 6, 7 y 8.

Donde J es el número de día juliano del año entre 1 y 365.

El valor de N se calculó con la ecuación 9.

Para calcular la radiación solar de onda larga (R_nL) se utilizó la ecuación 10.

Donde σ es la constante de Stefan-Boltzman con un valor de 4.903 × 10^-9 MJ K^-4 m^-2 d^-1, Tk_max es la temperatura máxima absoluta del aire en un período de 24 h (°K), Tk_min es la temperatura mínima absoluta del aire en un período de 24 h (°K), e_a es la presión de vapor actual (kPa), Rs ya se definió y R_so es la radiación solar en un día despejado (MJ m^-2 d^-1) y se calculó con la ecuación 11.

Donde z es la elevación sobre el nivel del mar (m) y R_a ya se definió anteriormente.

Por otro lado, la presión barométrica se calculó en función de la altitud de la zona en estudio con la ecuación 12.

Asimismo, la velocidad del viento se ajustó con la ecuación 13, señalada en ^{Allen et al. (1998)}.

Donde u₂ es la velocidad del viento (m s^-1) ajustada a 2 m de altura de acuerdo con la metodología FAO56, u_z es la velocidad del viento medida en campo (m s^-1) y hz es la altura de medición de la velocidad del viento (metros).

Coeficiente dual de cultivo (Kc)

Para calcular el coeficiente dual de cultivo se aplicó el procedimiento sugerido por ^{Allen et al. (1998)}, (ecuación 14).

Donde, Ke es el coeficiente de evaporación del suelo. Por otro lado, Ks es el coeficiente de estrés hídrico del cultivo, Kcb_ajus es el coeficiente basal del cultivo ajustado con la ecuación 15.

Kcb es el coeficiente basal del cultivo (Cuadro 1) tabulado en ^{Allen et al. (1998)} u₂ es la velocidad del viento ajustada a 2 m s^-1, HR_min es a humedad relativa mínima registrada en el día (%) y h es la altura de la planta (metros) (Cuadro 2).

Ks aplica únicamente para el coeficiente que afecta la transpiración de la planta (Kcb); de este modo, cuando se presentó un déficit de agua en el suelo Ks se calculó con las ecuaciones 16 a y 16 b.

Donde TAW es la humedad totalmente disponible en el suelo y RAW es la humedad fácilmente disponible en el suelo, ambas variables relacionadas con la profundidad radical (mm), y RAW = p TAW (p es a fracción de abatimiento de la humedad totalmente disponible bajo condiciones de suficiencia de agua), y D_r,i es el agotamiento de la humedad en el suelo en la zona de raíces al final del día i (mm) (^{Allen et al., 1998}; ^{Pereira, Paredes y Jovanovic, 2020}).

El coeficiente de evaporación (Ke) calculado con la ecuación 17, describe el componente de la evaporación que ocurre en la superficie del suelo, si el suelo se encuentra húmedo después de una lluvia o riego, el valor de Ke puede ser grande, sin embargo, en ningún caso, la suma de los coeficientes Kcb y Ke puede exceder un valor máximo (Kc_max) calculado con la ecuación 18, el cual es definido por la cantidad de energía disponible en la superficie del suelo para el proceso de evapotranspiración; el valor de Ke se reduce a medida que se seca la superficie del suelo y será igual a cero cuando no exista agua para la evaporación (^{Allen et al., 1998}).

Donde; Ke es el coeficiente de evaporación en el suelo, Kc_max es el valor máximo de Kc después del riego o lluvia, Kr es el coeficiente unidimensional de reducción de la evaporación (calculado con la ecuación 19) que depende de la lámina acumulada de agua agotada (evaporada) de la capa superficial del suelo, y f_ew es la fracción del suelo que se encuentra simultáneamente expuesto y humedecido, es decir, la fracción de la superficie del suelo a partir de la cual ocurre la mayor parte de la evaporación.

Con h igual a la altura máxima promedio de las plantas durante el período de cálculo considerado para cada una de las etapas de desarrollo del cultivo (metros).

Donde Kr es el coeficiente adimensional de reducción de la evaporación, que depende del agotamiento de la humedad (lámina acumulada de evaporación), en la parte superior del suelo (Kr = 1 cuando D_e,i-1 ≤ AFE); D_e,i-1 es la lámina acumulada de evaporación (agotamiento) en la capa superficial del suelo al final del dia_i-1 (el día anterior)(mm); AET es la lámina acumulada máxima de evaporación (agotamiento) en la capa superficial del suelo cuando Kr = 0 (AET = agua evaporable total), (mm); AFE es la lámina acumulada de evaporación al final de la etapa 1 (AFE = agua fácilmente evaporable), (mm).

Para calcular el valor de f_ew se aplicó la ecuación 20.

Donde 1-fc es la fracción expuesta promedio del suelo, la cual no se encuentra cubierta (o sombreada) por la vegetación (0.01-1), los valores de cobertura (fc) utilizados se muestran en la Cuadro 3; mientras que, fw es la fracción promedio de la superficie del suelo humedecida por el riego o lluvia (0.01-1), considerando que se aplicó el riego por surcos, se tomó un valor de fw = 0.8 de acuerdo con ^{Allen et al. (1998)}.

Evapotranspiración bajo condiciones no estándar (ETc)

Para calcular el valor de evapotranspiración bajo condiciones no estándar (ETc) se aplicó la metodología FAO56 propuesta por ^{Allen et al. (1998)}, y se utilizó la ecuación 21.

Donde Kc representa el coeficiente dual del cultivo y se calculó con la ecuación (21) y ETo se calculó con la ecuación (1).

Productividad y eficiencia de uso del agua

La productividad del agua se calculó en función de la eficiencia del uso de agua, para este trabajo se utilizó la masa de forraje verde (kg) y la masa de materia seca producida, todos los valores expresados por unidad de superficie (^{Condori-Vargas, Ruiz, Ticona y Chipana, 2018}).

EUA es la eficiencia de uso del agua en kg m^-3, Rd es la masa del parámetro a evaluar (kg) y VAU es el volumen de agua utilizado (m³).

Asimismo, se determinó la eficiencia de uso de agua en función del volumen de agua necesario para producir un kilogramo de materia fresca y seca, mediante la ecuación 23.

Donde EUA se expresa en L kg^-1, VAU en L y Rd en kilogramo.

Para determinar el porcentaje de materia seca (24), las muestras vegetales se pesaron en húmedo (FV) y posteriormente, mediante una estufa de secado a temperatura constante de 65 °C durante 72 horas (^{Serrano, Shahidian y Marques, 2016}) se obtuvo el valor de materia seca (MS).

Análisis estadístico

Al calcular el valor de la ETc, la diferencia entre la falta de datos y la disponibilidad de los mismos afecta directamente al valor de la ET₀, por lo que el análisis estadístico se realizó en esta etapa del cálculo. El desarrollo de los modelos fue evaluado utilizando el índice de concordancia de Willmott (d), coeficiente de determinación (R²), la raíz media del error cuadrático (RMSE), BIAS y el coeficiente de eficiencia de modelación de Nash-Sutcliffe (EF).

Comportamiento de la ET₀ con respecto a las condiciones climáticas locales

La temperatura es uno de los factores climáticos que más afecta la evapotranspiración de referencia (ET₀) junto con la humedad relativa, velocidad del viento y radiación solar (^{Al-Hasani y Shahid, 2022}). La temperatura máxima diaria registrada durante el período de análisis fue de 39.6 °C que se presentó en el mes de julio y la temperatura mínima diaria fue de 5.3 °C que se presentó en el mes de febrero; la lámina de riego aplicada fue de 1220 mm, mientras que, la precipitación total acumulada durante el período de estudio fue de 492.5 mm, sin embargo, la precipitación efectiva estimada fue de 269.9 mm, lo que representa un 54.8% del total precipitado.

Se determinó la ET₀ diaria para todo el período de estudio considerado, registrando el dato máximo medido de 10.2 mm d^-1 en el mes de septiembre de 2020, mientras que, el dato mínimo medido fue de 1.0 mm d^-1 que se presentó en el mes de febrero de 2020; la ET₀ máxima estimada fue de 10.3 mm d^-1 y la mínima de 1.6 mm d^-1. La ET₀ total con datos medidos fue de 2033.4 mm durante el periodo estudiado, mientras que, la ET₀ estimada con datos limitados fue de 2166.3 mm, lo que representa una sobrestimación de 6.5% de la ET₀ con datos limitados (Figura 2).

Figura 2: Evapotranspiración de referencia (ET₀) con datos medidos y datos limitados.  

Figure 2: Reference evapotranspiration (ET₀) with measured data and limited data. 

En la Figura 3 se señala el análisis estadístico para el comportamiento de la ET₀ con datos medidos y datos limitados, el cual muestra un RMSE de 0.694 mm d^-1, que representa un 12.5% de desviación respecto a la media de los datos observados, un coeficiente de determinación (R²) de 0.92, lo que indica una fuerte correlación, un índice de concordancia modificado de Willmott (d) de 0.9, un sesgo (BIAS) de 0.380 mm d^-1 y el índice de eficiencia de Nash-Sutcliffe de 0.98, lo que señala que el modelo que simula la ET₀ a partir de una limitación de datos es adecuado y existe una buena concordancia entre datos medidos y estimados (^{Saldaña-Villota y Cotes, 2021}; ^{Le Duc y Sawada, 2023}).

Figura 3: Análisis estadístico del cálculo de ET₀ con datos medidos y datos limitados.  

Figure 3: Statical analysis of ET₀ calculation with measured data and limited data. 

Comportamiento de los coeficientes involucrados en el Kc dual

Se determinó el coeficiente dual de cultivo para el pasto híbrido Brachiaria sp. (Convert 330) en un clima semiárido cálido del noroeste mexicano. El coeficiente dual del cultivo (Kc dual) esta integrado por el coeficiente basal del cultivo (Kcb), el coeficiente de evaporación del suelo (Ke) y el coeficiente de estrés hídrico en la planta (Ks).

La curva del coeficiente de evaporación del suelo (Figura 4) muestra numerosos “picos” que representan la respuesta del coeficiente a los eventos de riego o lluvia durante las diferentes etapas de desarrollo del cultivo, con puntos máximos que coinciden con un evento de riego, y pastoreo de la pradera cuando el suelo quedaba descubierto, caso similar es señalado por ^{Puig-Sirera et al. (2021)}, que utilizaron el modelo FAO56 con coeficiente dual de cultivo para estimar el consumo de agua en una huerta de olivo en Italia, lo que es un comportamiento característico de cultivos perenes; asimismo, ^{Paredes et al. (2018)} señalan que, la curva de Ke muestra una fuerte dependencia de los eventos de humedecimiento, donde los valores mayores de Ke coinciden con los momentos de corte en zacate bermuda (Tifton 85), debido a que se reduce la cobertura de la superficie, incrementado la energía disponible para la evaporación del suelo. El coeficiente de estrés hídrico (Ks) se mantuvo en 1 considerando los eventos frecuentes de riego y precipitación que no permitieron que la humedad en el suelo descendiera más allá de la humedad fácilmente aprovechable, este coeficiente ha sido motivo de estudio particularmente para conocer la respuesta del cultivo a condiciones de sequía considerando que no se aplica el total de la humedad requerida (^{Hunsaker y Bronson, 2021}).

Figura 4: Comportamiento de los coeficientes que integran el Kc dual durante el período de estudio.  

Figure 4: Behavior of the coefficients that make up the dual Kc during the study period. 

En el Cuadro 4 se muestran los valores de Kc dual promedio por ciclo o corte para las etapas fenológicas inicial, media y final del cultivo; asimismo, se muestra el promedio general del cultivo híbrido de Brachiaria sp (Convert 330). ^{De Souza et al. (2021)} señalan que Brachiaria brizantha es un cultivo de muy alta demanda de agua, y los valores de Kc promedio que obtuvieron para este pasto en condiciones de clima subtropical fueron de 0.59, 0.88 y 0.85 para las etapas inicial, media y final, respectivamente; mientras que, los valores obtenidos en este trabajo fueron 0.49, 1.11 y 1.04 para las mismas etapas pero en condiciones de clima semiárido; los valores mayores de Kc indica que para condiciones semiáridas el cultivo requiere mayor cantidad de agua que en condiciones de clima subtropical donde la demanda atmosférica es menor, registrando una ET₀ de 1266.7 mm (^{De Souza et al., 2021}), menor en un 37.7% que la registrada en este trabajo.

Otros autores como ^{Sanches, Souza, Jesus, Mendonça y Gomes (2019)} reportaron valores de Kc promedio para pasto Mombasa (Megathyrsus maximus) de 1.09, 1.09, 0.95 y 1.12 para las estaciones del año: otoño, invierno, primavera y verano, respectivamente, mientras que, en este trabajo los valores de Kc promedio obtenidos fueron 0.95, 0.88, 0.89 y 0.97, paras las mismas estaciones. ^{Antoniel et al. (2016)} obtuvieron los valores de Kc para Brachiaria Brizantha en condiciones de clima subtropical húmedo, quienes reportan un valor de Kc único promedio para cada ciclo o corte, ellos realizaron 4 cortes (ciclos) y los valores obtenidos fueron 0.90, 1.33, 1.24 y 1.02, respectivamente; mientras que, en este trabajo se realizaron 6 ciclos o cortes y los valores de Kc promedio obtenidos por ciclo fueron 0.85, 1.06, 0.86, 0.79, 0.81 y 0.93, respectivamente.

Por otro lado, considerando que el Kc dual es un factor que depende fuertemente de las condiciones del suelo (textura y humedad), así como, del sometimiento y respuesta al estrés hídrico por parte del cultivo, en este trabajo se obtuvieron los valores del coeficiente basal del cultivo (Kcb), los cuales se muestran en el Cuadro 5. El coeficiente basal del cultivo (Kcb) se ajustó de acuerdo con la ecuación 15.

Estos valores difieren ligeramente a los reportados por ^{Allen et al. (1998)} para pastos de rotación, principalmente para la etapa final, donde hay un incremento del 15% del Kcb, mientras que en la etapa media el incremento es de 4% de los valores aquí calculados.

Evapotranspiración del pasto híbrido convert 330 (Brachiaria sp) bajo condiciones no estándar (ETc)

Se calculó la evapotranspiración del cultivo híbrido Convert 330 (Brachiaria sp) bajo condiciones no estándar (ETc) para una zona semiárida del noroeste mexicano considerando un período de 365 días, la ETc estimada con datos medidos fue de 1849 mm, mientras que la lámina de riego aplicada (R) fue de 1200 mm, y la precipitación (P) registrada durante el período de estudio fue de 492.5 mm, la relación ETc/(R+P) fue de 1.09. Por otro lado, la ETc estimada con datos limitados fue de 1973.5 mm, lo que representa una sobrestimación del 6.7%, en la misma proporción que la diferencia de ET₀ (Figura 5).

Figura 5: Evolución de la Evapotranspiración del cultivo (ETc) con respecto a la Evapotranspiración de referencia (ET₀) y precipitación. 

Figure 5: Evolution of crop evapotranspiration (ETc) with respect to reference evapotranspiration (ET₀) and precipitation. 

^{San José, Montes, Herrera, Maia y Nikonova (2019)} reportaron una ETc de 731 mm para Brachiaria decumbens en la cuenca de Orinoco en Venezuela, para un clima subtropical con precipitación media anual de 1014 mm, y una temperatura promedio de 25.9 °C y donde la relación ETc/P fue de 0.52, sin embargo, para las condiciones semiáridas del noroeste mexicano la relación ETc/P fue de 3.8, donde la necesidad hídrica del híbrido Convert 330 (Brachiaria sp) es muy superior a la precipitación registrada.

En la Figura 6 se muestra el análisis estadístico para el comportamiento de la ET_c con datos medidos y datos limitados, los parámetros estimados son similares a los obtenidos para la ET₀ (Figura 3). ^{Sousa, Bittar, y Buso (2022)} aplicaron una lámina de agua total de 431.8 mm para Brachiaria brizantha estimada para la temporada de invierno en Brasil con un clima tropical e invierno seco, para ello, utilizaron el método del tanque evaporímetro tipo A y un Kc general de 0.8, la precipitación registrada durante el período de estudio fue de 154 mm; lo cual difiere completamente para las condiciones de clima semiárido cálido como las registradas en la presente investigación (Cuadro 6).

Figura 6: Análisis estadístico del cálculo de ET_c con datos medidos y datos limitados.  

Figure 6: Statical analysis of ET_c calculation with measured data and limited data. 

En el Cuadro 6 se muestra que, en las condiciones de clima semiárido cálido de la región central del estado de Sinaloa en el noroeste mexicano, el 59.9% de la evapotranspiración del cultivo de Convert 330 (Brachiaria sp) y el 53.7% de la precipitación se concentran en la temporada primavera-verano.

Productividad y uso del agua

Mediante laboratorio y método gravimétrico para materia seca vegetal, se determinó que el forraje verde de pasto Convert 330 contiene un 27.2% de materia seca y 72.8% de agua en sus tejidos (usando el promedio de los 6 cortes realizados). El volumen de agua total consumido (ETc) fue de 18 490 m³ ha^-1, mientras que el volumen de agua total recibido (riego + precipitación) fue de 16 925 metros cúbicos por hectárea.

La productividad y eficiencia de uso del agua fue evaluada en función del forraje verde producido y la materia seca. El rendimiento promedio de forraje verde total producido fue de 49 290 kg ha^-1 y de materia seca fue de 13 418 kg ha^-1, lo que representa una productividad del agua de 2666 kg m^-3 y una eficiencia de uso de agua de agua (EUA) de 375.1 L kg^-1 . Mientras que, considerando la producción de materia seca, la productividad del agua y EUA fue de 0.726 kg m^-3, y 1378 L kg^-1, respectivamente. En el Cuadro 7 se considera además, el volumen de agua recibido por el cultivo con el riego y precipitación (R+P).

^{Dantas et al. (2016)} evaluaron la productividad de Brachiaria brizantha en un clima subhúmedo seco en invierno y lluvioso en verano, donde obtuvieron una productividad en materia seca de 0.769 kg m^-3 y una EUA de 1331.9 L kg^-1, valores muy similares a los obtenidos en esta investigación. Por otro lado, ^{Condori-Vargas et al. (2018)} al evaluar la productividad del pasto Pennisetum sp en campo abierto y la eficiencia de uso de agua en el altiplano boliviano, reportaron valores de productividad desde 0.17 kg m^-3, y uso de agua desde 5804.5 L kg^-1, donde la productividad y eficiencia de uso de agua resultaron menores que los valores obtenidos en esta investigación para el pasto Brachiaria sp (Convert 330) al requerir 3.2 veces más agua por kg de materia seca producida. Asimismo, ^{Thaiana-Rueda et al. (2020)} evaluaron la eficiencia de uso de agua de Brachiaria brizantha y obtuvieron valores desde 6.10 kg m^-3 hasta 2.03 kg m^-3, considerando diferentes niveles de humedad en el suelo en un clima tropical cálido subhúmedo (Aw).

Es evidente que, para pastizales en condiciones de temporal limitado, la escasez de agua limita el crecimiento y desarrollo de las plantas como resultado de una reducción en la evapotranspiración comparando con un pastizal bajo riego. En el sur de México donde existe un clima cálido subhúmedo es posible identificar tres épocas relacionadas con la precipitación durante el año (época de lluvias, secas y de nortes) en estas condiciones ^{Merlo et al. (2017)} analizaron el efecto de la época del año sobre el rendimiento de Brachiaria brizantha bajo condiciones de temporal y obtuvieron rendimientos promedio de 1.30, 1.54 y 0.51 tonelada MS ha^-1, para las épocas de secas, lluvias y nortes, respectivamente, y registrando una precipitación de 316, 692 mm y 156.8 mm por cada época, la productividad estimada fue de 0.411, 0.222 y 0.325 kg MS m^-3, con una media anual de 0.319 kg MS m^-3 valor inferior a los obtenidos en la presente investigación bajo condiciones de riego en clima semiárido. Asimismo, ^{Robles-Vega et al. (2020)} evaluaron el rendimiento de forraje de diferentes especies de Urochloa (Brachiaria) para condiciones de clima cálido subhúmedo en México y reportaron rendimientos de 1.525, 1.857 y 5.790 tonelada MS ha^-1 para las épocas de nortes, secas y lluvias, respectivamente; los registros de lluvia para esas mismas épocas fueron 45, 35 y 304 mm, lo que representa una productividad de 3.388, 5.306 y 1.905 kg MS m^-3, respectivamente, para una media anual de 3.533 kg MS m^-3, sin embargo, los autores reportan que fue un año atípico en cuanto a las precipitación, ya que sólo se registró un 42.8% de la precipitación media anual. ^{Aniano-Aguirre et al. (2022)} reportaron un rendimiento de 4091 kg ha^-1 en pasto Convert 330 (Brachiaria sp) para clima cálido subhúmedo (Aw) del suroeste mexicano, y una precipitación acumulada durante el periodo de estudio de 854 mm, con lo que la productividad del agua sería de 0.479 kg MS m^-3, inferior a la obtenida para este trabajo de investigación.