Descripción del sitio de estudio

El estudio se realizó durante el ciclo de producción abril-septiembre de 2014, en una plantación de vid cv Shiraz de siete años de edad, ubicada en la Vinícola San Lorenzo, Parras de la Fuente, Coahuila, México, a 25° 30’ N, 102° 11’ O, y 1 505 de altitud; el clima es seco semiárido, con temperaturas promedio de 14 a 18 °C, precipitación promedio anual de 366 mm; los vientos dominantes son del este durante el ciclo de producción (^{INIFAP, 2015}).

Para el estudio se delimitaron dos superficies de 5.2 ha (204 m en la dirección E-O, por 256 m dirección N-S) de diferente textura de suelo y distinta porosidad. Las plantas están alineadas en la dirección norte-sur, a 1.5 m entre plantas y 2.5 m entre hileras, en una densidad de 2 620 plantas/ha. El riego en ambas secciones del viñedo se aplica por goteo diariamente (2 h), que para el gasto del emisor (2.1 LPH) y el ancho de mojado (40 cm) correspondió a una lámina de 7 mm. La altura máxima de plantas (etapa de floración) fue de 2 m. Cada superficie recibió el mismo manejo agronómico (riego, poda, fertilización y control fitosanitario) de acuerdo con las normas establecidas por la Vinícola San Lorenzo.

Características físicas y químicas del suelo del área de estudio

Las características físicas y químicas del suelo se obtuvieron del promedio de cinco muestras de la parte central de cada superficie. Las propiedades químicas determinadas fueron pH, CE, contenido de nitrógeno, fósforo, potasio y carbonatos totales. Las propiedades físicas fueron contenido de materia orgánica, arcilla, limo, arena, densidad aparente del suelo y densidad de partículas. La densidad aparente se determinó por el método del cilindro, utilizando una barrena de corazones, mientras que la densidad de partículas se obtuvo con el método del picnómetro. La porosidad del suelo (η) se estableció con los valores de densidad aparente (ρb) y densidad de partículas (ρs), con la siguiente relación:

Mediciones e instrumentación

Las variaciones del contenido de agua en el suelo en cada sección (mayor y menor porosidad) del viñedo se determinaron colocando dos sondas TDR: una en el perfil de 0 a 30 cm y la otra de 30 a 60 cm de profundidad del suelo en cada sección del viñedo. Las sondas de cada viñedo se conectaron a un datalogger CR1000 (Campbell Sci. Inc., Logan, Utah, EE.UU), para un registro continuo de datos cada 30 minutos a través del ciclo de producción. La diferencia estadística en contenido de humedad en las dos secciones se evaluó con la prueba no paramétrica de Wilcoxon (α ≤ 0.05).

Para determinar la eficiencia intrínseca del uso del agua de cada viñedo (mayor y menor porosidad), se obtuvo el flujo de calor sensible (H), calor latente (LE) y flujo de bióxido de carbono (FCO₂) entre el viñedo y la atmósfera, instalando un sistema Eddy (con los sensores correspondientes) en la parte media del extremo oeste de cada viñedo. Las ecuaciones correspondientes de los flujos mencionados (^{Ham & Heilman, 2003}) son:

Donde las unidades de H y LE son W m^-2 y las de FCO2 son μmol CO₂ m^-2 s^-1; ρa, Cp y Ta son la densidad, capacidad calorífica y temperatura del aire, respectivamente (kg m^-3, J kg^-1 K^-1, ^oC); Ts, la temperatura sónica (^oC); ρ_wv, la densidad del vapor de agua en el aire (kg m^-3); w, la velocidad vertical del viento (m/s); L, el calor de vaporización del agua (J kg^-1), y ρCO2 es la densidad de bióxido de carbono (mmol m^-3). Las variables con símbolo de prima significan desviaciones respecto a la media y la barra horizontal sobre dos variables denota la covarianza entre las mismas para un determinado segmento de tiempo (30 min).

La velocidad vertical del viento y la temperatura sónica se midieron con un anemómetro sónico tridimensional (CSI-CSAT3, Campbell, Scientific, Inc., Logan, Utah, EUA); para obtener ρ_wv y ρCO2 se usó un analizador infrarrojo de bióxido de carbono y vapor de agua de sendero abierto (Open Path CO₂/H₂O analyzer, LI-7500. LI-COR, Lincon, Nebraska, EUA). La temperatura del aire (Ta) se midió a la misma altura que Ts, con un sensor de temperatura y humedad relativa (HP45C, Vaisala, Inc., Woburn, MA, EUA). Los sensores mencionados se montaron en un poste a 3 m de altura sobre la superficie del suelo (2 m sobre el dosel de las plantas) en el extremo oeste y al punto medio de las hileras de plantas de cada viñedo.

El anemómetro sónico tridimensional se orientó hacia el este, para que el viento tuviera por lo menos 200 m de contacto con la superficie vegetal en la dirección este-oeste y 125 m en la dirección norte-sur, antes del contacto con los sensores. Los vientos provenientes del oeste (que impactaban en la parte posterior del 3-D Sonic anemómetro) no se consideraron en las determinaciones de los flujos. La frecuencia de operación de los sensores fue 10 Hz y los flujos se obtuvieron en promedio de 30 min; los datos se almacenaron en el módulo de memoria de un datalogger CR1000 (Campbell, Scientific, Inc., Logan, Utah, EUA).

Para evaluar la precisión de las mediciones de los flujos se determinó el balance de energía sobre la superficie vegetal (^{Kim & Verma, 1990}; ^{Zermeño-González, 2007}; ^{Pardo, Sánchez, Pérez, & García, 2015}) con la siguiente relación:

Donde Rn es la radiación neta; H y LE ya fueron definidos, y G es el flujo de calor en la superficie del suelo. Las unidades de todas las variables son W m^-2. La Rn se midió con un radiómetro neto (modelo LITE, Keep and Zonen, Inc., Delft, Holanda), colocado a 1 m sobre el dosel de cada viñedo. El flujo de calor en la superficie del suelo (G) se obtuvo midiendo el flujo de calor a 0.08 m bajo la superficie del suelo al punto medio de una hilera de plantas y al centro de un pasillo de cada viñedo, con un transductor de calor (modelo HFT3, Campbell Scientific, Inc., Logan, Utah, EUA), y sumando los cambios de temperatura del suelo sobre cada transductor (^{Kustas, Prueger, Hatfield, Ramalingam, & Hipps, 2000}). El flujo de calor sensible (H) y latente (LE) se corrigieron por efecto de diferencia de densidad entre las masas de aire ascendentes y descendentes (^{Webb, Pearman, & Leuning, 1980}). El flujo de CO₂ se corrigió con el mismo factor (^{Ham & Heilman, 2003}).

El intercambio neto de bióxido de carbono (NEE) entre el dosel de cada viñedo y la atmósfera (mmol CO₂ m^-2 s^-1) se obtuvo con la siguiente relación (^{Martens et al., 2004}):

Donde FCO2 es el flujo de bióxido de carbono medido con el método de la covarianza Eddy (ecuación (4)) (negativo hacia la superficie vegetal); ΔρCO2, el cambio en la densidad de CO₂ medido a la altura Z; Δt, el intervalo de tiempo (30 min); Z es la altura sobre la superficie del suelo a la que se realizan las mediciones de flujo (3 m).

La eficiencia intrínseca del uso del agua de cada plantación fue la relación entre la asimilación neta de bióxido de carbono (NEE) y la tasa de evapotranspiración (Tasa_ET):

Para comparar la productividad del agua de los viñedos en las diferentes etapas de desarrollo, se determinó la productividad marginal del agua del ecosistema, que se definió como el incremento en la tasa de asimilación de bióxido de carbono por cada mol adicional de agua evapotranspirada a una preestablecida tasa de evapotranspiración.

Propiedades químicas y físicas del suelo de los viñedos

Las propiedades físicas del suelo en ambas plantaciones (mayor y menor porosidad) muestran un pH moderadamente alcalino, un bajo contenido de carbonatos muy similar. El suelo del viñedo con menor porosidad tuvo 2.5% más potasio que el suelo con mayor porosidad (cuadro 1). Con relación a las propiedades físicas, se observó un contenido medio de materia orgánica del suelo en ambas superficies. El viñedo con mayor porosidad tuvo 25.82% más de contenido de poros y la densidad aparente fue 14.29% mayor, esto debido a un mayor contenido de arcilla (cuadro 2). La densidad de partículas fue muy similar en ambos viñedos.

Contenido de agua en el suelo

Las diferencias en la porosidad del suelo tuvieron un marcado efecto en el contenido de agua a través de las diferentes etapas de desarrollo del cultivo. Las variaciones fueron muy marcadas en el perfil de 0 a 30 cm, mientras que en el de 30 a 60 cm no se notaron. Las plantas en el viñedo de mayor porosidad tuvieron mayor disponibilidad de agua durante todo el ciclo de crecimiento (figura 1), observándose también una menor variabilidad del contenido de humedad (promedios de media hora). Estudios previos han reportado que la capacidad de retención de agua del suelo está relacionada de manera directa con el conetnido y tamaño de los poros (^{Tune & Shanin, 2015}), y que la porosidad del suelo es función del contenido de arcilla (^{Szymański, Skiba, Wojtuń, & Drewnik, 2015}). En el cuadro 2 se muestra que la porosidad se asocia con un mayor contenido de arcilla y una menor densidad aparente del suelo.

Figura 1 Cambios en la humedad del suelo en el perfil de 0 a 30 cm (promedios de 30 min) durante el ciclo de producción del viñedo (mayo-agosto de 2014): a) desarrollo vegetativo; b) floración, y c) fructificación, en dos viñedos (cv Shiraz) en suelo de diferente porosidad. Vinícola San Lorenzo, Parras, Coahuila, México. 

El contenido volumétrico promedio de agua en el suelo durante el ciclo de producción (mayo-agosto) fue mayor (Wilcoxon α ≤ 0.05) en la plantación de mayor porosidad (cuadro 3). En promedio, el contenido de agua en el suelo en el viñedo de mayor porosidad fue de 37.48% y en el de menor porosidad de 29.73%, lo que representó una diferencia de 26.07%. Una mayor disponibilidad de agua en el suelo para las plantas puede resultar en una tasa de transpiración y asimilación de bióxido de carbono más alta (^{Tagesson et al., 2015}). Estudios hechos en un cultivo de maíz y girasol por ^{Béziat et al. (2013)} reportaron tasas diarias de ET de hasta 5.1 y 5.6 mm, respectivamente, debido a una mayor capacidad de retención de agua del suelo por un alto contenido de arcilla. Para un bosque de P. contorta, ^{Mitchell, Emanuel y McGlynn (2015)} reportaron una tasa baja de ET (1.27 mm) para condiciones de sequía, y que dicha tasa aumenta en forma proporcional con el contenido de agua en el suelo. En un cultivo de vid (Vitis vinifera L.) en clima seco, la tasa de ET fue de 3.7 mm d^-1 en periodos de baja humedad y de hasta 4.8 mm d^-1 en periodos de baja humedad y de hasta 4.8 mm d^-1 para alto contenido de agua en el suelo (^{Atroosh, Mikred, & Moustafa, 2013}). También, ^{Zhou, Zhou y Jia (2009)} observaron que en un cultivo de carrizo (Phragmites australis), la humedad del suelo determinó la máxima tasa de fotosíntesis y de asimilación de bióxido de carbono. Para un bosque de eucalipto (Eucalyptus delegatensis), ^{Keith, van Gorsel, Jacobsen y Cleugh (2012)} encontraron que bajos contenidos de humedad del suelo del ecosistema afectan la tasa de fotosíntesis, así como en la vid; ^{Flexas et al. (2010)} observaron que la fotosíntesis es afectada por el cierre estomático debido a una baja humedad del suelo y que por lo común ocurre en las regiones vinícolas semiáridas.

Una tasa mayor de evapotranspiración y asimilación de bióxido de carbono, por una mayor disponibilidad de agua en el suelo, pueden afectar la eficiencia intrínseca del uso del agua del viñedo y la productividad marginal del agua.

Eficiencia intrínseca del uso del agua

La eficiencia intrínseca del uso del agua (EF_i) de un ecosistema vegetal se puede definir como la relación entre la tasa de asimilación neta de bióxido de carbono (NEE) y la tasa de evapotranspiración (ET) ocurriendo de forma simultánea (^{Zermeño-Gonzalez et al., 2012}; ^{Ago et al., 2014}). En la figura 2 se muestra que esta relación corresponde a una parábola decreciente, cuando el NEE se grafica con valores negativos (indicando que el flujo de CO₂ es hacia el dosel). Estudios previos ya han mostrado tal relación (^{Li et al., 2015}; ^{Yan et al., 2015}), dicha tendencia también implica que el NEE se incrementa (valores más negativos) a medida que la ET aumenta. Esto se debe a que a mayor apertura de los estomas, el flujo de vapor de agua desde las hojas hacia la atmósfera y el de bióxido de carbono de la atmósfera hacia las hojas aumenta (^{Gowik & Westhoff, 2011}; ^{Evans, 2013}). Nótese que en el viñedo con mayor disponibilidad de agua en el suelo (por mayor porosidad), la asimilación neta de bióxido de carbono (NEE) fue mayor (valores más negativos), de igual forma que la tasa de evapotranspiración (escala mayor del eje x de las gráficas de la figura 2). Estudios previos también han reportado incrementos de la tasa de ET y de NEE con mayor contenido de agua en el suelo. Por ejemplo, ^{Yan et al. (2015)}, en un pastizal, encontraron que el NEE alcanza su tasa máxima cuando el ecosistema presenta valores altos de humedad en el suelo; mientras que ^{Rutledge et al. (2014)} observaron que durante la primavera (suelo con mayor humedad), la asimilación de bióxido de carbono del pasto Lolium perenne fue de 40 a 100% mayor que durante los periodos de sequía. Se puede advertir también que el flujo de vapor de agua del dosel a la atmósfera es de una escala de mil mayor que el flujo de bióxido de carbono de la atmósfera al dosel; esto se debe al mayor peso molecular del CO₂, y que la resistencia interna de las hojas al flujo de CO₂ es mayor que la resistencia a la salida de vapor de agua (^{Jones, 1992}; ^{Nobel, 2009}). Esto resulta en valores muy pequeños de la eficiencia intrínseca del uso del agua por los ecosistemas vegetales (^{Flexas et al., 2010}; ^{Gomes-Soares, Pereira-Tognella, Cuevas, & Medina, 2015}).

Figura 2 Relación entre la tasa de intercambio neto de bióxido de carbono (NEE) y la tasa de evapotranspiración (ET) a través de la etapa vegetativa (a), de floración (b) y de fructificación (c) en dos viñedos (cv Shiraz) de diferente porosidad del suelo. Vinícola San Lorenzo, Parras de la Fuente, Coahuila, México, año de producción: 2014. 

La tasa mayor de NEE y ET se observó en las etapas vegetativa y de floración (fases de mayor desarrollo foliar) en ambos viñedos (figura 2). Otros estudios en diferentes tipos de vegetación y en otros viñedos también han reportado tasas mayores de flujos de vapor de agua y bióxido de carbono en las etapas vegetativas y de floración (^{Li et al., 2015}; ^{Zhang et al., 2014}).

Debido a que la relación entre NEE y la tasa de ET es no lineal para evaluar la EF_i, que es la relación entre ambas (NEE/ET), es necesario definir una tasa de ET. Para los resultados de este estudio (figura 2) y para analizar la EF_i en las diferentes etapas de desarrollo, en cada viñedo (de mayor y menor porosidad), se estableció una tasa de ET de 6 mmol m^-2 s^-1. En los valores del cuadro 4 se muestra que la EF_i fue muy similar en la etapa vegetativa y de floración en ambos viñedos, y que en la etapa de fructificación se tuvo una notable reducción, más notable en el viñedo con mayor porosidad (cuadro 4). Esto probablemente ocurrió porque las hojas jóvenes en las etapas tempranas tienen mayor capacidad de asimilación de bióxido de carbono por un mayor contenido de pigmentos de clorofila (^{Yamori & von Caemmerer, 2009}; ^{Raines, 2011}), y que las hojas adultas tuvieron menor fijación de CO₂ por una reducción del contenido de pigmentos de clorofila (^{Shimoda, Murayama, Mo, & Oikawa, 2009}; ^{Zhou et al., 2009}; ^{Keith et al., 2012}). La mayor disponibilidad de agua en el suelo por una mayor porosidad no se reflejó en una EF_i más alta debido a que al aumentar la tasa de asimilación de CO₂ también se incrementa la tasa de transpiración (^{Shimoda et al., 2009}; ^{Strilesky & Humphreys, 2012}).

La productividad marginal del agua (PMA) de los viñedos a través de las etapas de desarrollo de las plantas se evaluó derivando las funciones de NEE contra la ET, que se muestran en la figura 2. En la figura 3 se observa que para una tasa de ET mayor de 4 mmol m^-2 s^-1, la PMA fue mayor (valores más negativos) en el viñedo de mayor disponibilidad de agua en el suelo (por mayor porosidad) en las tres etapas de desarrollo. Por ejemplo, para la misma tasa de ET de 6 mmol m^-2 s^-1 que se usó para determinar la eficiencia intrínseca del uso del agua, la PMA fue mayor en las plantas del viñedo con mayor contenido de agua en el suelo (mayor porosidad) en las tres etapas de desarrollo (figura 3). La PMA fue mayor en la etapa vegetativa (hojas más jóvenes) en ambos viñedos; en el de mayor porosidad fue -1.408 mmol CO₂ mmol^-1 H₂O y -1.126 mmol CO₂ mmol^-1 H₂O en el de menor porosidad, que correspondió a una diferencia de 31.44%. En promedio, para las tres etapas de desarrollo, la PMA del agua de las plantas del viñedo con mayor porosidad (contenido más alto de agua en el suelo) fue 24.64% mayor. Estudios desarrollados por ^{Rogiers y Clarke (2013)} también identificaron que en un cultivo de vid cv Shiraz, la eficiencia del uso del agua en la etapa vegetativa fue mayor bajo condiciones de más contenido de agua en el suelo. De igual forma, ^{Pagay (2016)} menciona que en un estudio en vid cv Tempranillo, donde evaluaron riego deficitario, la eficiencia del uso del agua fue mayor bajo condiciones de riego óptimo, que la observada en condiciones de riego limitado.

Figura 3 Productividad marginal del agua (PMA) en función de la tasa de evapotranspiración a través de la etapa vegetativa (a), de floración (b) y de fructificación (c) en dos viñedos con diferente porosidad del suelo. Vinícola San Lorenzo, año de producción: 2014. 

Sin embargo, para valores bajos de la tasa de ET (menor de 4 mmol m^-2 s^-1), la PMA fue mayor en el viñedo de menor disponibilidad de agua en el suelo, esto se debe a que el cierre parcial de los estomas por una menor disponibilidad de agua en el suelo tiene un mayor impacto en la reducción del flujo de vapor de agua desde el interior de las hojas hacia la atmósfera que en la circulación del bióxido de carbono de la atmósfera hacia el interior de las hojas debido a una mayor resistencia estomática al flujo del CO₂ que al flujo del vapor de agua (^{Jones, 1992}; ^{Nobel, 2009}), resultando en un valor mayor de la PMA.