Introducción

De acuerdo con el ^{IPCC (2013)} los escenarios de cambio climático son descripciones coherentes y consistentes de como el sistema climático de la Tierra puede cambiar en el futuro. El escenario A1F1 se agrupa en la familia de escenarios y línea evolutiva A1. Describe un mundo futuro caracterizado por su énfasis tecnológico, con uso de fuentes de energía intensivas de origen fósil. El crecimiento global de la población y el consecuente aumento en la demanda de alimentos, así como el modelo(s) actuales de producción de alimentos, son indicadores de la necesidad de mejorar el rendimiento de los cultivos, manejar mejor el cada vez más escaso recurso hídrico, y tomar conciencia del agotamiento de la capacidad productiva del suelo.

La extensión territorial de México y la influencia que las masas oceánicas y el georelieve, tienen sobre la expresión climática y el uso del suelo, fundamentan la necesidad de realizar estudios sobre cómo influyen en los procesos de cambio de uso del suelo. Según ^{Pielke et al. (2006)} los cambios en el paisaje alteran el patrón espacial de lluvias convectivas. Un efecto similar se ha atribuido a algunos factores fisiográficos como elevación, pendiente, exposición, y rugosidad del terreno, asociados mayormente con el flujo radiante, la capacidad de retención de humedad del suelo, la estacionalidad de los ciclos de producción, la acumulación de unidades calor y unidades frío y el índice de área foliar.

La pendiente del suelo favorece la velocidad de escorrentía, así como la pérdida del suelo por erosión hídrica, y el afloramiento de sales. Las exposiciones sur reciben una mayor tasa de energía radiante lo cual genera condiciones ambientales más cálidas, y por lo general más secas y con la tasa de evapotranspiración más alta. De acuerdo con ^{NOAA (2017)} la cobertura del suelo se refiere a cuánta superficie de una región está protegida por bosques, humedales, pastizales, agrícola, y otros tipos de tierra y agua. El uso del suelo muestra como la población hace uso del espacio geográfico - bien para desarrollo, conservación, o ambos. La perspectiva de cambios en el uso del suelo se atribuye mayormente a la demanda de alimentos y a cambios en la dieta de la población.

Considerado como el mayor reservorio de diversidad biológica, un suelo sano, con suficiente contenido de carbono orgánico, es esencial para sustentar la producción de alimentos, asegurar la continuidad en la recarga de agua al acuífero, así como de regular los procesos de intercambio de gases hacia la atmósfera. La estabilidad del suelo está comprometida por el contenido de sales pues se le ha encontrado fuertemente asociada con su tasa de degradación física, química y biológica. Desde el punto de vista sustentable, este proceso dinámico restringe la capacidad del ecosistema de proveer bienes y servicios y de asegurar su funcionalidad en un periodo de tiempo (^{FAO, 2015}).

Según ^{CONAFOR (2010)} los procesos de degradación del bosque son más rápidos que los procesos de deforestación. La degradación del suelo en cualquiera de sus formas es un problema global y cuya consecuencia inmediata es evidente en el decremento en la capacidad productiva del suelo agrícola. La tasa de acidificación del suelo, aunque es un proceso natural, puede fomentarse a consecuencia de la implementación de inadecuadas prácticas de producción, por ejemplo, remoción de los residuos de cosecha, aumento en el uso de fertilizantes químicos, o uso inadecuado del agua de riego.

Estas prácticas en conjunto son las causas principales de que en el suelo disminuya el contenido de carbono orgánico, modifique su estructura haciéndolo más vulnerable a erosión eólica e hídrica, aumento en el contenido de sales y a la reducción o hasta casi desaparición de la cobertura vegetal. Según el programa Especial de Cambio Climático (^{PECC, 2014}) las futuras condiciones climáticas están asociadas a variaciones en la tasa de degradación del suelo, el incremento en salinidad de las áreas irrigadas, el incremento en cobertura vegetal por incendios, sequía y deslaves, cambio en los sistemas de producción y dinámica de plagas y enfermedades, y disponibilidad de agua.

La salinidad del suelo es un factor limitante a la producción de biomasa en los ecosistemas abiertos y un exceso en el suelo de uso agrícola ocasiona una disminución en el rendimiento de los cultivos. Según ^{Richards et al. (1954)} un suelo salino es aquel que tiene un valor de conductividad eléctrica (CE) mayor a 4 dS m^-1 a 25 ºC. Las sales más comunes son: cloruro y sulfato de sodio, calcio y magnesio, siendo el sodio y el calcio los iones dominantes.

Las técnicas de producción aplicadas en los sistemas de producción agrícola, forestal y pecuario están intrínsecamente ligadas a los efectos del cambio climático. La perspectiva futura del uso del agua donde el panorama actual es que los acuíferos tienen un déficit entre recarga/extracción, aparición más frecuente e intensa de periodos de sequía, así como eventos extremos de lluvia, viento y temperatura, son causales de daños severos a los cultivos e incluso siniestrarlos por completo.

En este estudio, se propone utilizar conjuntamente bases de datos de salinidad del suelo y compactación de origen satelitar, para simular su perspectiva de cambio según la climatología esperada para el año 2050 del escenario de cambio climático más catastrofista donde se privilegia el uso de energías fósiles. A través del análisis interpretativo de las superficies de respuesta, se pretende, por un lado, diferenciar si las prácticas de manejo en los sistemas de producción pueden acelerar el deterioro del suelo, y por el otro evidenciar la influencia de los cambios naturales o inducidos en el uso del suelo en ecosistemas de gran escala como el árido y semiárido.

Materiales y métodos

Se utilizaron tres fuentes de datos en formato matricial (grid), el índice de compactación (IC) del suelo y el índice de salinidad del suelo (IS), ambas bases de datos resultantes del proyecto land degradation assessment in drylands (LADA) por sus siglas en inglés - ^{Blancalani et al. (2013)}, y el escenario de cambio climático A1F1 según el modelo HadCM3 (Hadley Centre Coupled Model, versión 3) para el año 2050. La base de datos LADA es 5 × 5 minutos de arco (9 km × 9 km); la cobertura de México se alcanza con 24 958 centroides. Utilizando la técnica de kriging y el modelo de elevación con resolución a 90 m, se interpolaron los datos de los índices de suelo y se obtuvieron las superficies de respuesta respectivas (Figura 1).

Figura 1 Índices LADA de compactación del suelo (izquierda) y salinidad (derecha). 

De acuerdo con el valor del IC, se propusieron cuatro clases: clase 1 (muy baja - IC< 5); el espacio poroso permite el paso de agua y el movimiento horizontal y vertical de los gases. Clase 2 (Ligera -> 5 IC <10), el horizonte superior es firme -húmedo- y el espacio poroso es de tamaño fino con unas cuántas vacuolas grandes. Clase 3 (moderada ->10 IC < 15); suelo de consistencia firme y moderada presencia de poros, pero muy pocos grandes. Clase 4 (severa - IC > 15), estructura masiva y consistencia de firme a extrema y muy poco o ningún espacio poroso. El IS se clasificó según la propuesta de Shannon (1997) en cuatro categorías. Suelos “no salinos” con conductividad eléctrica (CE) <4 dS m^-1. Suelos “moderadamente salinos”, >4 CE <16 dS m^-1. Suelos “altamente salinos”, CE > 16 dS m^-1.

Los mapas temáticos HadCM3 (^{Collins et al., 2001}) son de 2.5º × 3.75º (latitud por longitud) de resolución espacial. Esto corresponde a una distribución regular de 3 687 centroides, con los cuáles se cubre la plataforma continental del país. En el escenario A1F1 a 2050 (uso intensivo de energías fósiles - fossil fuel intensive), se proyecta un crecimiento económico muy rápido, disminución en la tasa de nacimientos, y adopción rápida de nuevas y más eficientes tecnologías. En este escenario la población prefiere más su bienestar personal y tiene poco interés en el cuidado del ambiente. Los valores globales esperados para el escenario, así como los años previos, se muestran en el Cuadro 1.

De la Figura 1, la interpretación general del IC es que va de muy leve (menor a 5), a severa (mayor que 20), las áreas más compactadas son las áreas agrícolas. El IS, va desde suelos no salinos hasta moderadamente salinos, es en las regiones agrícolas donde se observan los extremos altos de ambos índices y se asume que son a consecuencia de las prácticas de producción y al manejo del agua de riego.

El escenario A1FI agrupa hasta veintiún índices ambientales. De entre éstos se eligieron siete, que consideramos son de mayor relevancia para evaluar la respuesta del uso del suelo y que abordan su dinamismo desde las perspectivas agrícola, pecuaria y forestal: 1) rango anual de temperatura; 2) lluvia diaria en el cuatrimestre más húmedo; 3) lluvia diaria en el mes más seco; 4) lluvia diaria en el cuatrimestre más seco; 5) lluvia diaria en el mes más frío; 6) lluvia diaria en el semestre más frío; y 7) lluvia diaria en el mes más húmedo.

De acuerdo con ^{George et al. (2001)} las lluvias determinan el inicio y el final de la temporada de crecimiento de los cultivos, mientras que la temperatura, la productividad del ecosistema, el rendimiento de los cultivos, y en gran medida es responsable del afloramiento de sales en el suelo. En el criterio de selección el factor humedad, asociada a los eventos de lluvia y la temperatura fueron los referentes, pues representan por un lado la estabilidad climática, la biodiversidad y la conformación de las comunidades bióticas en los ecosistemas abiertos, el manejo y uso del agua en los sistemas de producción agrícola, la sustentabilidad de los ecosistemas, y la conservación del suelo.

Un estudio de esta escala sobre la variabilidad/continuidad espacial de índices climáticos, necesariamente demanda aplicar técnicas de análisis espacial. Se obtendrá el semivariograma de cada índice para evaluar la correlación espacial de las variables y covariables en función de la distancia y simulación estocástica. Según ^{Bohling (2005)} al promediar las diferencias al cuadrado de la variable esta tiende a filtrar la influencia de la media variante, y de acuerdo con ^{Rasmussen y Williams (2006)} convierte a la matriz de covarianza en un elemento crucial como predictor (Figura 2).

Figura 2 Representación típica de la función de covarianza. 

El semivariograma y la superficie de respuesta resultante muestra la similaridad entre centroides (sitios de muestreo) ajustándose al supuesto de que los puntos con entrada x y que están más cercanos entre sí, son más probables que sean parecidos a su valor de respuesta y. Se reconocen tres componentes (Figura 2): sill, range y nugget effect; meseta, rango y efecto pepita. El valor meseta tiene dos componentes: una discontinuidad al origen, a menudo llamado efecto pepita, y uno parcial, el valor de meseta es aquel donde el valor de la semivarianza deja de ser representativo. Rango es la distancia en la cual la curva del modelo es igual a meseta. Con respecto a la función de covarianza, se le considera una función escalada de la correlación (Figura 2).

Para explorar el efecto conjunto de los índices del suelo y los de humedad y temperatura del escenario A1F1, se obtuvieron las superficies de respuesta por el método de co kriging. Esta técnica geoestadística interpola los datos punto de la variable (mapeo y curvas) de un área. No obstante que es similar a otros métodos lineales que promedia el peso de los elementos, éste, el peso no depende solo de la distancia, sino que incluye dirección y orientación de los datos punto vecinos.

Resultados y discusión

Para apoyo interpretativo de las superficies de respuesta, se sobrepuso una capa vectorial del área agrícola de riego (AA-riego.shp).

Rango anual de temperatura (RAT)

De acuerdo con la Sociedad de Meteorología en América (American Meteorological Society) el rango anual de temperatura es la diferencia entre la temperatura promedio del mes más caluroso y el mes más frío.

De la Figura 3, se esperaría un gradiente decreciente en el RAT de hasta 28 °C por latitud en dirección Norte-Sur. La superficie de respuesta se clasificó en nueve categorías sin un rango establecido. Por el factor cercanía a la plataforma oceánica, las regiones costeras del Pacífico central al Pacífico Sur, Mar Caribe y el Golfo de México tendrían el RAT más bajo (13-19 °C) , mientras que las regiones geográficas centro (34-38 °C) y norte (38-41) es donde sucedería el RAT más alto. La capacidad calórica de océano es determinante para interpretar la Figura 3. La plataforma continental se calienta más rápido que la oceánica en el día y se enfría más rápido durante la noche.

Figura 3 Superficie de respuesta. RAT (ºC). 

Lo opuesto ocurre con la plataforma oceánica que se calienta y enfría relativamente más lento. Esta es la razón por la cual las zonas geográficas cercanas a la costa tienen un RAT de moderado a bajo mientras que en las regiones alejadas a ella tienen un clima más extremo. Según ^{Pickard y Emery (1990)} la temperatura y salinidad promedio del agua oceánica es de 3.5 °C y 34.7, respectivamente. Entre los efectos que se espera sucedan es que aumente el número de especies mejor adaptadas a la variación de temperatura y que decrezca el de aquellas con menos capacidad de tolerancia a la temperatura (^{Acklerly et al. (2015)}. El espacio geográfico de la región norte centro está dominado por comunidades vegetales características de zonas áridas y semiáridas.

^{Rzedowski (2006)} agrupa los tipos de vegetación en las regiones árida y semiárida en matorral xerófilo, chaparral, y pastizales (navajita y amacollado); sin embargo, la descriptiva ecofisiológica de las comunidades bióticas, así como los requerimientos agroecológicos de los cultivos trasciende los objetivos del presente trabajo.

Lluvia diaria esperada para el mes más frío

De la Figura 4, se puede destacar que las regiones árida y semiárida (desierto sonorense, desierto chihuahuense y península de Baja California) es donde se esperarían lluvias menores que 2 mm. En la región costa del Pacífico Sur se esperarían lluvias diarias del orden desde 1.7 mm hasta 11 mm; este volumen de lluvia no representa per se un evento extremo, lo cual sugiere una baja probabilidad de ocurrencia de lluvias torrenciales. La superficie árida y semiárida en México cubre más de 40% del total del territorio.

Figura 4 Promedio diario de lluvia (mm) para el mes más frío de la temporada. 

Los ecosistemas terrestres áridos y semiáridos el agua es el factor limitante maestro y en ausencia de escorrentía (superficial) la producción primaria está relacionada linealmente con la lluvia (^{Pianka, 2012}). Esta relación de frío con lluvias ligeras es relevante para ecosistemas abiertos donde el crecimiento de las plantas es más lento en comparación cuando la temperatura es alta. Ante la prevalencia de estas condiciones meteorológicas por un periodo de tiempo corto, la germinación de las semillas y el crecimiento de la planta es más dinámico (George et al., 2006) y al afectar la lluvia el contenido de humedad en el suelo, bajan la temperatura superficial, la evaporación y evapotranspiración (^{Cong y Brady, 2012}).

Promedio de lluvia diaria esperada para el mes más caluroso

En las regiones árida y semiárida, los eventos pulso de lluvia ocurren en la temporada de verano y no son infrecuentes. Los eventos pulso son importantes porque disparan la actividad biológica (^{Huxman et al., 2014}) y la consecuencia más evidente es generan falsos brotes en la germinación de semillas en el suelo.

La secuela inmediata es que estas semillas germinadas no sobrevivirán a los días subsecuentes una vez agotada la reserva de humedad del suelo ante la prevalencia de alta temperatura. En ecosistemas áridos y semiáridos esta concurrencia de lluvia temprana, alta temperatura y decaimiento rápido es más perjudicial para especies efímeras.

Según ^{Turner y Jones (1980)} y ^{Levitt (1980)}, estas especies son de ciclo de vida corto, el cual completan antes de desarrollar sintomatología típica por deficiencia hídrica severa y no poseen mecanismos morfológico, fisiológico o bioquímico de resistencia a la sequía. De la Figura 5, en la Península de Baja California es donde se espera ocurran condiciones homogéneas de baja probabilidad de ocurrencia de lluvia en verano. Se espera una contracción importante en los eventos pulso en especial en las regiones árida y semiárida, el Bajío y la región Centro.

Figura 5 Promedio de lluvia diaria (mm) esperada en el verano. 

Promedio de lluvia diaria esperada para el cuatrimestre más húmedo

La temporada de lluvias es el periodo trascendental para los procesos ecosistémicos (secuestro de carbono, crecimiento de las plantas, composición biótica) y por ende el factor que define los límites espaciales del uso del suelo. En regions agrícolas identifica el inicio y término de la temporada de crecimiento en zonas de temporal, así como la idoneidad en el uso del agua en zonas de riego, el volumen de escorrentía, la tasa de recarga del manto freático, así como un número de actividades antropogénicas relacionadas con el ecoturismo y los programas de sustentabilidad del ecosistema y del cambio climático.

Para el escenario A1FI 2050 se esperan mayormente lluvias ligeras en la mayor parte del territorio, destacándose dos zonas, la Península de Baja California donde se observa un gradiente latitudinal Norte-Sur (0.3 a 11 mm día^-1), la región Pacífico desde Sinaloa hasta Oaxaca y Chiapas con lluvias de mediana intensidad (6.2 a 16 mm día^-1). Algunas zonas de alta montaña en Veracruz, Estado de México y Puebla es donde se esperaría ocurriesen los eventos de máxima intensidad, con lluvias del orden de los 16 a 22 mm día^-1. Con excepción de las regiones central de Sonora y sur de Chihuahua, las regiones Centro y Norte se esperan lluvias ligeras.

En la Figura 6 se muestra la heterogeneidad en la distribución espacial de los eventos de lluvia. Sin embargo, es importante mencionar que el mapa per se excluye el factor de eventos extremos. ^{Huber y Gulledge (2011)} documentan en un análisis de tendencia de lluvias torrenciales extremas, y que el aumento es a consecuencia del calentamiento de la atmósfera, las ondas de calor se volverán más húmedas con el consecuente aumento en el estrés abiótico. Estas condiciones dinámicas cambiantes sugieren la implementación de sistemas de alertamiento como pronóstico de corto plazo, así como pronósticos del clima de alcance regional con actualización mensual. ^{Medvigy y Beauliu (2012)} el patrón errático en los eventos de lluvia debiera darse seguimiento día-a-día debido a que las fluctuaciones en el flujo radiante afectan a todo el planeta.

Figura 6 Distribución espacial de lluvia diaria (mm) esperada en la temporada de lluvias. 

Promedio de lluvia diaria esperada para el cuatrimestre más seco

La temporada de verano en México es distintiva por: a) aumento en la demanda de agua en específico en las zonas industriales y de agricultura de riego; y b) aumento en la demanda de energía para comodidad en actividades antropogénicas. México es de especial interés científico en esta temporada por la presencia del monzón.

Según ^{Guido (2016)} la temporada del monzón es una condición de eventos dramáticos, con lluvias intensas, rebrote de la vegetación, vientos fuertes, y un gran número de golpes de calor. El monzón inicia en mayo en la región Norte. Aumenta la evaporación en las zonas costeras (Golfo de México y Golfo de California), y genera condiciones de humedad en la plataforma continental, que eventualmente producirán lluvias. Esta perspectiva puede identificarse mejor en las zonas planas del país y el contraste en zonas altas donde se espera lluvia diaria promedio de hasta 4.7 mm.

De la interpretación de la Figura 7, la mayor intensidad de lluvias en verano se espera ocurra en la región costera del Golfo de México y la península de Yucatán, Tabasco y levante de Chiapas. Por otra parte, el déficit de lluvia que se espera ocurra tendría sus mayores efectos en las zonas agrícolas de Sonora (Valle Yaqui- Mayo, Caborca y Valle de Mexicali), Sinaloa (toda el área agrícola) y Comarca Lagunera. El análisis de esta superficie de respuesta es un llamado de atención para promover mejoras en las prácticas de los sistemas de producción que tiendan a eficientar el uso del agua, así como a la selección de materiales tolerantes a sequía, como medidas de mitigación a los efectos del cambio climático.

Figura 7 Distribución espacial del promedio de lluvia (mm) esperada en época de secas. 

Promedio de lluvia diaria esperada en el cuatrimestre más frío

El inicio de la temporada invernal y su duración es importante para el desarrollo de los cultivos, especialmente frutales que demandan un determinado número de unidades frío para completar su ciclo, la condición de humedad del suelo y su almacenamiento, la recarga del manto freático, la distribución de especies en ecosistemas abiertos (bosque, agostadero, o pastizal), así como en la proveeduría de servicios ambientales (producción de biomasa, secuestro de carbono, cosecha de agua, y formación de carbono orgánico, entre otros).

En la Figura 8, se esperaría una disminución en el agua de lluvia y se esperaría que los ecosistemas árido y semiárido fueran los más afectados, dándose así una fragmentación del paisaje geográfico, donde las comunidades bióticas tenderían a migrar hacia zonas de clima más estable. Esto favorecería la integración en la comunidad biótica de nuevas especies y la desaparición de algunas otras sin el tiempo suficiente para adaptarse. En los ecosistemas forestales y pecuarios, la baja disponibilidad de agua en el suelo y el muy probable aumento en la temperatura del aire, afectarían su capacidad de proveer servicios ambientales

Figura 8 Pronóstico esperado para el promedio de lluvia (mm) en época de invierno. 

Promedio de lluvia diaria esperada en el mes más húmedo

Fuertemente asociada a la estación de crecimiento y a la demanda de agua por las especies cultivadas, la información representada en la Figura 9 es clave para plantear programas apropiados sobre cambio climático y seguridad alimentaria. Para ecosistemas abiertos, la previsión de eventos de lluvia de baja intensidad es clave para que suceda la dominancia de especies. Tormentas intensas infiltran más que lluvias ligeras; sin embargo, eventos recurrentes de lluvia ligera pueden infiltrar a mayor profundidad que un solo evento, si la capacidad de almacenamiento de humedad del suelo favorece su acumulación entre eventos. Esto sucede cuando la lluvia es mayor que la tasa de evapotranspiración.

Figura 9 Lluvia promedio (mm) diaria esperada en el mes más húmedo de la temporada de lluvias. 

En zonas agrícolas algunos efectos indirectos que ocasionarían lluvias ligeras y frecuentes se esperaría se reflejen en la migración, incidencia, y dinámica poblacional de plagas y enfermedades (^{Villalobos y Retana, 2017}), contenido y dinámica de la humedad del suelo, lámina de riego, entre otros. De la Figura 9, se esperan lluvias menores a 6 mm/día para la región centro norte del país, incluyendo la Península de Baja California, de hasta 11 mm en la región costera del Pacífico sur y de hasta 22 mm en regiones específicas de Veracruz y Norte de Puebla. Lo observado en el mapa es contradictorio con la tendencia global que han documentado el aumento en la frecuencia e intensidad de eventos extremos de lluvia.

Conclusiones

El cambio climático y sus efectos sinérgicos son un factor determinante en definir el dinamismo y frontera espacial del uso del suelo. Esta realidad ha sido ampliamente documentada en éste y otros trabajos. El escenario de cambio climático más catastrofista A1F1 2050 ha arrojado importantes evidencias de como la confluencia de factores del clima y de manejo del suelo, están deteriorando a gran velocidad los ecosistemas ya de por sí inestables.

Las mejores proyecciones dan indicios de un aumento en la escasez del agua, lluvias ligeras y esporádicas y anticipadas en las regiones árida y semiárida de México, que anteceden la consecuente fragmentación del ecosistema donde se incorporarían nuevas especies a las comunidades bióticas y desaparición de aquellas con reducida capacidad de adaptación a las condicionesimperantes.

El uso del suelo agrícola demandaría disponer de un volumen mayor de agua de riego con la explotación de un ya sobreexplotado manto freático, mientras que las áreas productoras de temporal estarían bajo la influencia de un régimendelluviascadavezmáserrático.Elsueloseerigecomo un recurso estratégico esencial sobre el qué, a diferencia de los factores climáticos, no existe conciencia de su degradación.