Agua–Suelo–Clima

 

Evaporatranspiración y su relación con la evaporatranspiración a equilibrio de una huerta de nogal pecanero (Carya illinoinensis) del norte de México

 

Evaporatranspiration and its relation to equilibrium evapotranspiration of a pecan nut orchard (Carya illinoinensis) of northern Mexico

 

Alejandro Zermeño–González^1*, Jaime A. Flores–Guerrero¹, Juan P. Munguía–López², José A. Gil–Marín³, Raúl Rodríguez–García¹, Ernesto A. Catalán–Valencia⁴, Luis Ibarra–Jiménez², Héctor Zermeño–González⁵

 

¹ Departamento de Riego y Drenaje, Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro. Buenavista, Saltillo. 25315. México. *Autor responsable: (azermeno@uaaan.mx).

² Departamento de Plásticos en la Agricultura, Centro de Investigación en Química Aplicada. Blvd. E. Reyna No. 140. Saltillo, Coahuila. 25100. México. (jmunguia@ciqa.mx).

³ Escuela de Ingeniería Agronómica, Núcleo Monagas, Universidad de Oriente. Avenida Universidad, Campus Los Guaritos, Venezuela.

⁴ CENID RASPA INIFAP. km 6.5 margen derecha canal de Sacramento Gómez Palacio, Durango, 35060. México.

⁵ Instituto Tecnológico de Torreón. Carretera Torreón–San Pedro km 7.6.

 

Recibido: Octubre, 2009.
Aprobado: Octubre, 2010.

 

Resumen

La determinación de la evapotranspiración diaria es importante para programar adecuadamente el riego en la producción del nogal pecaneto [Carya illinoinensis (Wangehn.). En una huerta de nogal pecaneto ubicada en la Comarca Lagunera del estado de Coahuila, en el norte de México, se realizaron mediciones (método de la covarianza de remolinos) de flujo de calor sensible y latente sobre el dosel de los árboles durante mayo, junio y julio de 2008. También se midió la radiación neta y el flujo de calor en el suelo. Con esta información se determinó la lámina de agua evapotranspirada (ETr) y la lámina de evapotranspiración a equilibrio (ETequ) para 30 min y diaria (de 08:00 a 20:00 h). Se observó que ETr y ETequ fueron similares entre los días evaluados. Esto indicó un efecto poco significativo de advección local en la tasa de evapotranspiración de la superficie vegetal y que la evapotranspiración a equilibrio podría utilizarse para determinar el consumo diario de agua de los árboles de la huerta.

Palabras clave: covarianza de remolinos, advección, calor sensible, calor latente, riego.

 

Abstract

The determination of daily evapotranspiration is important to properly program irrigation in the production of pecan trees [Carya illinoinensis (Wangehn.)]. In a pecan nut orchard located in the la Comarca Lagunera, State of Coahuila in northern México, measurements (eddy covariance method) of sensible and latent heat flux were carried out on the canopy of trees during May, June and July 2008. The net radiation and the soil surface heat flux were also measured. With this information the evapotranspired water depth (ETr) and the amount of the equilibrium evapotranspiration (ETequ) were determined daily (from 08:00 to 20:00 h) and for 30 min. It was noted that ETr and ETequ were similar between the days tested. This indicated a small effect of local advection in the evapotranspiration rate of the vegetated surface and that the equilibrium evapotranspiration could be used to determine the daily water consumption of trees in the orchard.

Key words: eddy covariance, advection, sensible heat, latent heat, irrigation.

 

INTRODUCCIÓN

El agua es el factor principal de manejo agronómico que permite al nogal pecanero [Carya illinoinensis (Wangehn.) K. Koch] alcanzar una eficiencia fotosintética alta, para un mayor rendimiento y calidad del fruto (Godoy–Ávila y López–Montoya, 2000), ya que el consumo de agua del nogal es alto comparado con el de otros cultivos (Wang et al., 2007; Ándales et al., 2006).

Debido a la importancia comercial del nogal pecanero, su consumo hídrico alto, así como la calidad pobre y baja disponibilidad del agua de riego en algunas regiones de mayor producción en México, es evidente la necesidad de determinar la demanda hídrica (evapotranspiración real) de este cultivo (Chavez et al., 2006; Wang et al., 2007). Aunque se han desarrollado numerosas ecuaciones empíricas y semi–empíricas para determinar la evapotranspiración (ET) de cultivos, éstas requieren información meteorológica que generalmente no está disponible en la mayor parte de las estaciones de México (Jiyane y Zermeño–González, 2003).

El método micrometeorológico de mayor precisión para determinar la ET de diferentes condiciones y tipos de vegetación es el de la covarianza de remolinos (Warland yTaillon, 2002). Sin embargo, el costo alto del equipo requerido por este método, así como la complejidad del diseño del sistema, su implementación y el procesamiento de grandes volúmenes de datos, representan una seria limitación para realizarlo (Burba y Anderson, 2007; Castellví, 2007). Por tanto, este método se ha utilizado principalmente para evaluar y calibrar modelos menos complejos y que requieren menos mediciones (Simmons et al., 2007; Wang et al., 2007).

Con base en la ecuación de Penman–Monteith, la evaporación a equilibrio se define como la máxima tasa de evapotranspiración de una superficie vegetal cuando se encuentra en equilibrio con su entorno (Zermeño–González y Hipps, 1997; Howell et al., 1998). Sin embargo, cuando hay condiciones de advección local fuerte, la evaporación a equilibrio se debe multiplicar por un factor de advección para compensar el incremento de la tasa de evapotranspiración debido a la transferencia hacia la superficie vegetal por un déficit de presión de vapor (Priestley y Taylor, 1972; Leite et al., 1990). La ventaja del método de evaporación a equilibrio es que únicamente requiere mediciones de la energía disponible sobre la superficie vegetal (diferencia entre la radiación neta y el flujo de calor en el suelo) para determinar la evapotranspiración real del cultivo (Jiyane y Zermeño–González, 2003). El objetivo de este estudio fue determinar la evapotranspiración instantánea y diaria de una huerta de nogal pecanero con el método de la covarianza de remolinos y su relación con la evapotranspiración a equilibrio.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Ubicación y características del sitio de estudio

El estudio se realizó durante mayo, junio y julio de 2008, en una huerta de nogal pecanero de la propiedad Tierra Blanca, en el ejido Mieleras, municipio de Matamoros, Coahuila, México, ubicado en 25° 25' N, 103° 18' O con una elevación de 1200 m. Las dimensiones del área de estudio en la huerta fueron 1120 m en la dirección Norte–Sur por 400 m Este–Oeste. Los árboles evaluados son de los cultivares Wichita y Western, de 50 años de edad y altura promedio de 14 m.

Los árboles están plantados en tresbolillo con una separación de 15 m. La huerta se riega diariamente entre marzo y noviembre con un sistema de riego por goteo subsuperficial. El volumen de riego mensual varía entre los meses (Cuadro 1).

Determinación de la evapotranspiración real del cultivo con el método de la covarianza de remolinos

Las mediciones del flujo de calor latente (LE), evapotranspiración real de los árboles de la huerta y del flujo de calor sensible (H), se realizaron con el método de la covarianza de remolinos usando las siguientes relaciones (Ham y Heilman, 2003):

donde, ρ_a y C_p = densidad y capacidad calorífica del aire; L = calor de vaporización del agua; Ta = temperatura del aire. Los productos w' ρ_wv' y w'Ts' representan la covarianza entre la velocidad vertical del viento (w) y la densidad del vapor de agua (ρ_wv) y la temperatura sónica (Ts). La temperatura sónica (°C) se obtiene de las mediciones de la velocidad del sonido y la velocidad tridimensional del viento. La barra horizontal representa el valor medio del producto de las desviaciones en un intervalo de tiempo.

La velocidad vertical del viento y la temperatura sónica se midieron con un anemómetro sónico tridimensional (CSI–CSAT3, Campbell, Sci, Inc, Logan, Utah, USA), mientras que ρ_wv fue medido con un analizador abierto de bióxido de carbono y vapor de agua (open path CO₂/H₂O analyzer, LI–7500; LI–COR; Lincoln, NE, USA). Ambos sensores se montaron en una torre de 16 m de alto (2 m sobre el dosel de los árboles) e instalada en el punto medio del área de estudio dentro de la huerta. El anemómetro sónico tridimensional se orientó hacia el noreste (45°), para obtener una distancia horizontal desde la ubicación de los sensores al límite del área de estudio (fetch) 200 m en un ángulo de ±90° respecto a la orientación del anemómetro sónico tridimensional. Por esta razón, sólo se consideraron válidos los datos correspondientes a vientos de esta dirección. La velocidad vertical del viento, la temperatura sónica y la densidad del vapor de agua se midieron con una frecuencia de 10 Hz, y las covarianzas se calcularon cada 30 min. El flujo de vapor de agua se corrigió por efectos de densidad (Webb et al., 1980).

Los flujos de H y LE se corrigieron para cerrar el balance de energía, ya que el método de la covarianza de remolinos es una determinación adecuada de la relación Bowen (HILE) (Ham y Heilman, 2003). La lámina de agua evapotranspirada para un tiempo determinado se obtuvo dividiendo LE de intervalo entre el calor de vaporización del agua. La temperatura del aire se midió a la misma altura que Ts, con un sensor de temperatura y humedad relativa (HP45C, Vaisala, Inc., Woburn, MA, USA), en una frecuencia de 1 Hz y se promedió cada 30 min.

Para evaluar la precisión de las mediciones de H y LE se determinó el balance de energía sobre el dosel de los árboles:

donde, Rn = radiación neta y G = flujo de calor en la superficie del suelo. La radiación neta se midió con un radiómetro neto (modelo Q7.1, REBS, Inc., Woburn, MA, USA), colocado en la torre a 2 m sobre la copa de los árboles. El flujo de calor en la superficie del suelo se midió con dos transductores de calor (modelo HFT3, Campbell Scientific, Inc., Logan, Utah, USA) colocados a 0.08 m bajo la superficie del suelo, uno de ellos en condiciones de sombra y suelo húmedo y el otro en suelo seco expuesto a la radiación solar directa. Esto se hizo parar tener un valor promedio de G de la superficie de estudio con el área total sombreada ponderada. A cada valor de G medido a 0.08 m, se sumó el cambio de energía del estrato de suelo sobre el transductor por cambios de temperatura del perfil de suelo (Ts) sobre el sensor (Kanemasu et al., 1992; Kustas et al., 2000). La temperatura del suelo se midió con un termopar (chromel–constantan) de cuatro puntas. Las mediciones (de Rn, G y Ts) se realizaron en una frecuencia de 1 Hz y se generaron promedios de 30 min.

Determinación de la evapotranspiración a equilibrio

El flujo de calor latente a equilibrio (LE_equ) (Perez y Catellví, 2002) se obtuvo con la siguiente relación

donde, S = pendiente de la curva de presión de vapor a saturación a la temperatura del aire (Pa K^–1); Rn y G = radiación neta y el flujo de calor en el suelo (W m^–2 ) medidos como ya se describió; γ = constante psicrométrica de la localidad (Pa K^–1), la que se obtuvo con la relación:

donde, P = la presión barométrica de la localidad (Pa); C_p = capacidad calorífica del aire (J Kg^–1 K^–1); y L = calor de vaporización del agua (J Kg^–1). La lámina de agua correspondiente a la evapotranspiración a equilibrio (ET_equ) se obtuvo dividiendo el flujo de calor latente a equilibrio integrado de un determinado intervalo de tiempo entre el calor de vaporización del agua.

Cuando en una determinada localidad hay un efecto fuerte de advección local en la tasa de evapotranspiración de la superficie vegetal., el flujo de calor latente a equilibrio es multiplicado por un factor de advección para obtener la evapotranspiración de la superficie en función de la evapotranspiración a equilibrio (Priestley y Taylor, 1972; Pérez y Castellví, 2002; Jiyane y Zermeño–González, 2003).

El enfoque de la evapotranspiración a equilibrio se podría utilizar para evaluar la eficiencia del riego en una determinada superficie vegetal (Rana et al., 1997). Así, una evapotranspiración medida (ETr), aproximadamente igual a la evapotranspiración a equilibrio (ETequ), indicaría un efecto mínimo o nulo de la advección local en la tasa de evapotranspiración de la superficie vegetal., y que el volumen de agua aplicado en los riegos es adecuado para la demanda hídrica del cultivo. Por el contrario, si ETr es mucho menor que (ETequ), representaría un déficit del riego aplicado a la superficie vegetal. Cuando ETr es mucho mayor que ETequ muestra un efecto fuerte de la advección local en la tasa de evapotranspiración de la superficie vegetal., y debe considerarse un factor de advección para determinar ETr en función de ETequ. Si el resultado de multiplicar ETequ por el factor de advección es aproximadamente igual a ETr se supone una buena programación de las láminas de agua aplicadas en los riegos.

La ETr y ETequ total del día (de 08:00 a 20:00 h) se obtuvo integrando los datos promediados en intervalos de 30 min de ETr y ETequ en el intervalo de tiempo mencionado. Se consideraron únicamente los días cuando la evapotranspiración se obtuvo para intervalos de tiempo de aproximadamente las 08:00 a las 20:00 h (ET diaria). El análisis de varianza entre los valores integrados de ETr y ETequ de los días de cada mes se realizó con la prueba t–student (p≤0.01), donde las repeticiones fueron el número de días considerados en cada mes.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los datos de mayo, junio y julio, correspondientes al periodo de mayor desarrollo foliar, fueron analizados. En promedio, el error del cierre del balance de energía de los flujos integrados (Rn, H, LE, y G) de 08:00 a 20:00 h fue menor de 15 %. Esto indicó que la medición de los flujos de calor sensible y latente por el método de la covarianza de remolinos fue adecuada (Foken et al., 2006; Foken, 2008).

Las curvas de la Figura 1 corresponden a diferentes fechas de mayo, junio y julio (patrones similares se observaron en los otros días de cada mes) y muestran gran similitud entre el flujo de LE y el flujo de LE_equ a través del día. En ellas se aprecia el efecto de advección local pequeño a partir de las 17:30 h (LE> LE_equ). Este resultado se debió a un desplazamiento de masas de aire caliente y seco de los alrededores (superficies secas y calientes) hacia el interior de la huerta, que se presentó cíclicamente por las tardes y que afectó ligeramente el flujo de LE (Tolk et al., 2006). Lee et al. (2004) mencionan que el flujo de LE de cultivos bien regados puede exceder la radiación neta, por el exceso de energía, proveído por una advección de calor sensible proveniente de campos adyacentes secos. Debido a que en este estudio el efecto de la advección local fue pequeño, no se requirió incluirlo como factor para determinar el flujo de calor latente real en función del flujo de calor latente a equilibrio. En superficies agrícolas de zonas áridas se ha observado un efecto elevado de advección local en la tasa de evapotranspiración, principalmente en cultivos y superficies vegetales de porte bajo, con factor de advección mayor a 1.20 (Priestley y Taylor, 1972; Leite et al., 1990; Jiyane y Zermeño–González, 2003). En este estudio el efecto de la advección local fue pequeño, aunque se realizó en una zona árida. Este resultado puede indicar que en las zonas agrícolas con riego, de las zonas áridas, el efecto de la advección local en cultivos de porte alto es menor que en los cultivos de porte bajo.

Con los valores integrados de flujo de LE y LE_ equ medidos en diferentes intervalos de tiempo, entre las 08:00 y las 20:00 h (sólo se consideraron los datos con dirección del viento en el intervalo indicado), se obtuvo la evapotranspiración real o medida (ETr) y la evapotranspiración a equilibrio (ETequ) para los mismos intervalos de tiempo. Esto se logró para la mayoría de los días de mayo, junio y julio.

El análisis de varianza entre los valores integrados diarios de ETr y ETequ de mayo, junio y julio mostró similitud significativa entre ellos. Los valores medios de ETr y ETequ fueron iguales entre los meses (p>0.01). La relación ETr/ETequ para esos meses fue 1.015, 0.996 y 0.936 con coeficientes de determinación (R²) de 0.950, 0.869 y 0.931 (Figura 2). Esto mostró que la advección local tuvo efecto mínimo en la tasa de evapotranspiración de los árboles de la huerta, y que el enfoque de la evapotranspiración a equilibrio podría implementarse para determinar el consumo de agua de la huerta.

En mayo el valor promedio de ETr fue 5–12 mm d^–1, por lo que el volumen de agua evapotranspirado por ha para este mes (31 d) fue 1587.2 m³. El volumen de agua aplicado (Cuadro 1) fue 1500 m³, de lo que se deduce que hubo un pequeño déficit de agua (87 m³ ha^–1) que los árboles de la huerta consumieron de una fuente diferente al riego.

En junio la ETr promedio diaria fue 5.89 mm, y la ETeq promedio diaria fue 6.01 mm, lo que correspondió a un volumen de agua evapotranspirado de 1767 y 1803 m³ ha^–1. En junio se aplicó un volumen de riego de 1800 m³; es decir, hubo un manejo adecuado del riego en ese mes.

Durante julio la ETr promedio diaria fue 5.5 mm, y la ETequ promedio diaria fue 5.9 mm, lo que correspondió a un volumen de agua evapotranspirado de 1705 y 1829 m³. En julio se aplicó un volumen de riego de 1950 m³ (Cuadro 1). Si se considera que ETequ corresponde a la máxima tasa de evaporación de la superficie vegetal., entonces hubo un exceso de 120 m³ ha de agua aplicados en julio, lo que fue equivalente al 6.6 % de exceso de riego.

 

CONCLUSIONES

La ETr fue similar a ETequ, que se obtuvo midiendo la energía disponible sobre el dosel de los árboles de la huerta. Esto mostró la posibilidad de utilizar el enfoque de ETequ para determinar el consumo de agua (ETr) de la huerta.

Se observó efecto pequeño o nulo de advección local en la tasa de evapotranspiración de la huerta. Esto posiblemente indicó que el efecto de advección local en la agricultura de riego de las zonas áridas es menos pronunciado en cultivos de mayor altura que en cultivos de porte bajo.

 

LITERATURA CITADA

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