Artículos técnicos

 

Alteración de la fertilidad del suelo, y vulnerabilidad de maíz y trigo bajo riego debido al cambio climático

 

Alteration of soil fertility and irrigated maize and wheat vulnerability due to climate change

 

Liliana Terrazas-Mendoza¹, Iourii Nikolskii-Gavrilov¹, Sergio Santiago Herrera-Gómez¹, Marcial Castillo-Álvarez², Adolfo Antenor Exebio-García³

 

¹ Colegio de Postgraduados, México.

² Universidad Autónoma Chapingo, México.

³ Colegio de Postgraduados, México.

 

Dirección institucional de los autores

Ing. Liliana Terrazas-Mendoza
Ingeniera en Recursos Naturales Renovables
Candidata a Maestra en Ciencias en Hidrociencias

Dr. lourii Nikolskii-Gavrilov
Profesor-investigador

M. en C. Sergio Santiago Herrera-Gómez
Maestro en Ciencias en Hidrociencias

Colegio de Postgraduados
Programa de Hidrociencias
kilómetro 36.5 de la carretera México-Texcoco
56230 Montecillos, Estado de México, México
teléfono: + (52) (595) 9520 200, extensión 1175
fax: + (52) (595) 9520 237
termely@colpos.mx
nikolski@colpos.mx
hserch@colpos.mx

Dr. Marcial Castillo-Álvarez

Profesor-investigador
Universidad Autónoma Chapingo
Centro Regional Universitario Sureste
kilómetro 7.0, carretera Teapa-Vicente Guerrero
Ranchería San José Puyacatengo
86800 Teapa, Tabasco
teléfono: + (52) (932) 3271 622
marcial.castillo@correo.chapingo.mx

Dr. Adolfo Antenor Exebio-García

Profesor-investigador
Colegio de Postgraduados
Programa de Hidrociencias
kilómetro 36.5 de la carretera México-Texcoco
56230 Montecillos, Estado de México, México
teléfono: + (52) (595) 9520 200, extensión 1153
fax: + (52) (595) 9520 237
exebio@colpos.mx

 

Recibido: 11/08/2008
Aprobado: 03/06/2009

 

Resumen

La estimación de la vulnerabilidad de los cultivos por efectos del cambio climático ha sido realizada principalmente para los cultivos de temporal, asumiendo que no existe alteración de la fertilidad del suelo atribuible al cambio climático. El objetivo principal del presente trabajo fue estimar el papel de modificación del índice integral de fertilidad del suelo en los cálculos de la productividad de los cultivos de maíz de grano y trigo en varios distritos de riego de México. Se ha desarrollado una metodología para predecir la alteración de algunas propiedades del suelo bajo riego y su índice integral de fertilidad, atribuibles al cambio climático. Los resultados de la investigación señalan que la sensibilidad de los suelos agrícolas bajo riego en México al cambio climático es menor que los suelos agrícolas de temporal y suelos sin uso agrícola (vírgenes); sin afectar significativamente la vulnerabilidad de los cultivos al cambio climático. La principal afectación por la alteración de la fertilidad del suelo en estimaciones de vulnerabilidad de los cultivos bajo riego se espera en las zonas climáticas semiárida, semihúmeda y húmeda tropical de México, donde el índice climático adimensional promedio anual IHT es menor de 2.5.

Palabras clave: ley geográfica de zonificación de suelos, índice climático, índice integral de fertilidad.

 

Abstract

Estimation of agricultural crop vulnerability to global climate change has usually been made for rainfed crops without taking into account soil fertility alteration as a result of climate change. The main objective of this paper is to assess the role of the integrated soil fertility index modification in calculations of maize and wheat grain productivity in various irrigation districts in Mexico. The methodology to predict the alteration of some irrigated soil properties and integrated fertility index due to climate change has been developed. The results show that in Mexico, irrigated soil is less sensitive to climate change than rainfed agricultural soil and non-agricultural (virgin) soils, and it does not affect irrigated crop vulnerability to climate change significantly. The main effect of soil fertility alteration in estimations of irrigated crop vulnerability is expected in semiarid, semi-humid and humid tropical Mexican zones, where dimensionless mean annual radiative index of dryness IHT is less than 2.5.

Keywords: geographic law of soil zonality, climatic index, integrated soil fertility index.

 

Introducción

La producción de maíz y trigo para grano es muy importante y estratégica para México y el mundo (Cordero, 2008). En México, aproximadamente el 15% de la producción de estos cultivos proviene de las unidades y distritos de riego, cuya área regable es de 6.3*10⁶ ha, donde se consume cerca de 80% del agua utilizada anualmente en el país (DOF, 2007). Sin embargo, México es deficitario en estos granos; alrededor de 25% del consumo nacional de maíz y 50% de consumo de trigo se importan anualmente (Cordero, 2008).

El cambio climático puede causar en el país un incremento de la temperatura promedio anual de 1 a 4 ^oC y cambios en la precipitación promedio anual de 0.4 a 1.4 veces, dependiendo de la región, durante el presente siglo, en función del escenario de crecimiento poblacional, y el desarrollo tecnológico y económico (IPCC, 2007; Conde y Gay, 2008; Conde et al., 2008).

En México hay pocos estudios relacionados con la estimación de la vulnerabilidad de los cultivos al cambio climático (Conde et al., 1998; Gay, 2003; Gay et al., 2004). Estos trabajos se centran principalmente en cultivos de temporal, sin considerar la posible alteración de la fertilidad del suelo por efectos del cambio climático. Los resultados de tales investigaciones señalan que al final del siglo XXI se espera una disminución de la productividad de maíz de grano como cultivo con mecanismo fotosintético C₄ hasta de 60% y el crecimiento de la productividad de trigo con mecanismo fotosintético C₃ hasta de 30%, dependiendo de la región y del escenario del cambio climático (Conde et al., 1998; Allen, 1990).

Castillo et al. (2007) mostraron que el no considerar la alteración de la fertilidad del suelo atribuible al cambio climático puede causar errores en los pronósticos de los rendimientos de los cultivos agrícolas de maíz de grano y trigo de temporal hasta en más de 30%, dependiendo del cultivo y la región. Estos autores utilizaron la metodología de la FAO UNESCO, ampliamente utilizada en el mundo, para calcular los rendimientos de los cultivos de maíz y trigo de temporal (FAO, 2000).

En algunas publicaciones estimaron la alteración de las reservas de nitrógeno mineral en el suelo como resultado del cambio climático y su efecto en vulnerabilidad de los cultivos agrícolas (Conde et al, 1998; Gay et al, 2004). Sin embargo, considerar la reserva de nitrógeno del suelo como único indicador de la fertilidad no es suficiente, debido a que representa sólo el 30% del índice integral de fertilidad (Pegov y Jomyakov, 1991; Graham, 2000). Para reflejar objetivamente el efecto de alteración de fertilidad del suelo en la vulnerabilidad de los cultivos al cambio climático es indispensable considerar también otras propiedades, entre las cuales, el contenido de materia orgánica ocupa el primer lugar debido al papel que desempeña en formación de reservas de nitrógeno, estructura del suelo, capacidad de intercambio catiónico, etcétera (Graham, 2000).

Para pronosticar la alteración de la fertilidad integral del suelo agrícola de temporal, Nikol'skii et al. (2006) y Castillo et al. (2007) presentaron una metodología basada en la aplicación de la ley geográfica de zonificación de suelos sin uso agrícola (vírgenes) distinta a la aplicación de los modelos matemáticos de formación del suelo, considerando que estos modelos tienen poca confiabilidad cuando los pronósticos se hacen a mediano y largo plazos (varias décadas) (Young, 1994). El principio de la metodología para cuantificar la alteración de la fertilidad del suelo agrícola de temporal atribuible al cambio climático fue presentada por Castillo et al. (2007) con las siguientes características:

• Existencia de una dependencia del índice de fertilidad del suelo virgen no usado para agricultura F_v²⁰⁰⁰ y del suelo agrícola F_t²⁰⁰⁰ de los terrenos geomorfológicamente homogéneos con maíz y trigo de temporal, en función del índice climático IHT²⁰⁰⁰ al inicio del siglo XXI.

• Pronóstico del cambio de este índice a un periodo futuro durante el siglo XXI (IHT^futuro) con base en los escenarios climáticos existentes y utilizando las relaciones F_v²⁰⁰⁰(IHT²⁰⁰⁰) y F_t²⁰⁰⁰(IHT²⁰⁰⁰).

• Estimación de los valores regionales del índice de fertilidad F_t^futuro para finales del siglo XXI, para cada grupo de suelos geomorfológicamente homogéneos (con el mismo rango de pendiente superficial, con la misma ubicación geomorfológica, etcétera).

Para establecer las relaciones F_v²⁰⁰⁰(IHT²⁰⁰⁰) y F_t²⁰⁰⁰(IHT²⁰⁰⁰) se requiere estimar el índice climático adimensional IHT, usando la siguiente relación (Nikolskii et al, 2001; Contreras et al., 2002; Nikol'skii et al., 2006; Castillo et al, 2007):

Donde λ=2.512 MJ m^-2 mm^-1 es el calor latente de evaporación; Rn, Pr y S son los valores promedio acumulados anuales de la radiación neta (MJ m^-2 año^-1), precipitación y escurrimiento superficial (mm año^-1), respectivamente. Investigaciones preliminares (Nikolskii et al., 2001; Contreras et al., 2002) señalan que en los terrenos planos con pendientes menores de 3%, el escurrimiento superficial se puede ignorar en los cálculos del IHT para las zonas donde Pr≤1 000 mm año¹ e IHT≥1.5.

En comparación con los pronósticos realizados para cultivos de temporal, para evaluar la vulnerabilidad de los cultivos agrícolas bajo riego es necesario:

• Establecer la dependencia del índice integral de fertilidad de los suelos irrigados (F_r²⁰⁰⁰) en los terrenos geomorfológicamente homogéneos con el cultivo seleccionado, en función del índice climático de referencia IHT²⁰⁰⁰ para inicio del siglo XXI.

• Pronosticar el cambio del valor regional del índice integral de fertilidad del suelo para un periodo futuro (F_r^futuro).

• Estimar el cambio de la lámina de riego para el ciclo de cada cultivo, en función de los escenarios climáticos para el mismo periodo futuro.

El objetivo del presente trabajo fue cuanti-ficar el papel de la alteración de la fertilidad del suelo atribuible al cambio climático, con fines de estimación de rendimientos de los cultivos de maíz y trigo bajo riego para un periodo dentro del siglo XXI, para algunos distritos de riego de referencia ubicados en diferentes zonas climáticas de México.

 

Materiales y métodos

Estimación de la productividad agrícola del maíz y trigo bajo riego

De acuerdo con la metodología de la FAO (2000), los rendimientos de maíz de grano y trigo bajo riego se pueden calcular con la siguiente ecuación:

Donde Y^j es la productividad agrícola (kg ha^-1) en un sitio de referencia para las condiciones climáticas a principios del siglo XXI (j=2000) o estimadas en un periodo futuro (j=futuro); Y^j_máx es el rendimiento potencial máximo (kg ha^-1), correspondiente a los mismos escenarios climáticos y depende de los valores mensuales de la temperatura del aire, radiación fotosintéticamente activa y las características fisiológicas del cultivo; K^j es un índice hídrico adimensional que caracteriza la disponibilidad de agua en el suelo para los cultivos; F^j_r es el índice integral de fertilidad del suelo agrícola (adimensional). K^j y F^j_r varían de cero a uno.

Con la ecuación (1) se calcularon los rendimientos de cada cultivo para inicios del siglo XX (Y²⁰⁰⁰) y la mitad del siglo XXI (Y²⁰⁵⁰). El nivel del año 2050 fue seleccionado como ejemplo para estimar los cambios significativos en la fertilidad del suelo, considerando que estos cambios son relativamente lentos y pueden observarse en el transcurso de varias décadas. Por lo general, los cálculos similares se pueden realizar con la misma metodología para cualquier periodo distinto de 2050. Generalmente, el valor de cambio de fertilidad del suelo depende del nivel del cambio climático que, a su vez, está en función de la formación del clima futuro y del tiempo: mayor periodo-mayor cambio climático-mayor efecto de cambio de fertilidad del suelo. Entonces, para los periodos relativamente cortos (10 a 15 años) se puede ignorar el efecto de alteración de fertilidad del suelo en estimaciones de vulnerabilidad de los cultivos agrícolas al cambio climático (Nikol'skii et al., 2006).

Para calcular los rendimientos Y²⁰⁰⁰ en los mismos sitios de referencia para las condiciones climáticas existentes al inicio del siglo XXI, se utilizaron las normales climatológicas obtenidas de la base de datos ERIC III, v. 1 (IMTA, 2006).

Los cálculos de los rendimientos para mitad del siglo XXI (Y²⁰⁵⁰) se realizaron utilizando los escenarios climáticos con mayor cambio climático esperado: A2 (con crecimiento de la cantidad de CO₂ en la atmósfera en el nivel del año 2050 hasta 536 ppm), B1 (491 ppm) y B2 (478 ppm) (IPCC, 2007; IPCC-TGICA, 2007), y las salidas interpoladas desarrolladas con los modelos de circulación de la atmósfera GFDL CM2.0 y ECHAM5/MPI para el año 2050 (Conde y Gay, 2008; Conde et al., 2008). Indudablemente, los pronósticos climáticos van a mejorarse y precisarse en el futuro.

Las salidas de estos escenarios contienen datos mensuales de las temperaturas del aire (T) y precipitación (Pr).

Los cambios relativos de rendimiento de los cultivos, ΔY (adim), en los distritos de riego de referencia se calcularon con la siguiente ecuación:

Donde Y_max²⁰⁵⁰ y Y_max²⁰⁰⁰ son los rendimientos potenciales máximos; K²⁰⁵⁰ y K²⁰⁰⁰ representan los índices hídricos del suelo para los ciclos de los cultivos, y F_r²⁰⁵⁰ y F_r²⁰⁵⁰ corresponden a los índices integrales de fertilidad del suelo irrigado. Las tres variables son calculadas para los años 2000 y 2050 (inicios y mitad del siglo XXI).

 

Estimación de la productividad potencial

La productividad potencial, y^j_máx (kg ha^-1), se calculó con el método de la FAO (2000), que se basa en la estimación de la producción de asimilados brutos, en función de las propiedades fisiológicas del cultivo, como la ruta fotosintética, la radiación fotosintéticamente activa y la temperatura del aire promedio durante el ciclo del cultivo:

Donde B_n es la biomasa neta de la materia seca total (kg ha^-1); I_c es el índice de cosecha o la fracción de la biomasa B_n que corresponde al producto agrícola (adimensional). El valor de B_n (kg ha^-1) se calcula de la siguiente manera (FAO, 2000):

Donde b_br corresponde a la tasa máxima de producción de biomasa bruta de un cultivo de referencia, asumiendo un índice de área foliar (IAF) igual a 5 (kg ha^-1 día^-1); b_br depende principalmente de la concentración de CO₂ en la atmósfera y de la radiación global (o más bien, de la radiación fotosintéticamente activa); n es la duración del ciclo normal del cultivo (en días); C_t es la fracción de la tasa de producción de biomasa bruta (como CH₂O) que se pierde por la respiración de mantenimiento, la cual depende del tipo de cultivo (leguminosa o no leguminosa) y de la temperatura media del aire (kg kg^-1 día^-1); L representa la fracción de la tasa máxima de crecimiento del cultivo por cobertura incompleta del terreno. Cuando IAF<5, L puede ser estimada con la siguiente ecuación (adimensional):

Cuando IAF≥5 el valor de L=1.

Los valores de b_br se estimaron en función de la tasa máxima de producción de biomasa, P_m (en kg CH₂O ha^-1 h^-1) (FAO, 2000):

Donde los valores de P_m para maíz y trigo, en función de la concentración de CO₂ en la atmósfera, se obtuvieron de la literatura (Acock, 1990; Allen, 1990); b_o y b_c son las tasas brutas de producción de materia seca para un cultivo de referencia hipotético (kg CH₂O ha^-1 h^-1) en días completamente nublados y días completamente despejados, respectivamente, con dosel cubriendo completamente el terreno y asumiendo una tasa máxima de producción de biomasa de 20 kg ha^-1 h^-1; N es un parámetro adimensional que depende de la radiación fotosintéticamente activa potencial (RFA) diaria para cielo totalmente despejado (MJ m^-2 día^-1) y de la radiación global de onda corta Rg (MJ m^-2 día^-1):

Los valores de C_t se calculan así (FAO, 2000):

Donde T es la temperatura media mensual del aire (°C); C₃₀ es la tasa de pérdida de producción de biomasa bruta por la respiración de mantenimiento a 30 °C (de 0.0108 para plantas no leguminosas).

Se utilizó información bibliográfica de la FAO (2000) sobre I_c, IAF, P_m, b_o y b_c.

Estimación del índice de disponibilidad de agua en el suelo

El índice K_r^j de la ecuación (2) se calcula como sigue (FAO, 2000):

Donde Pr_i^j, Lr_i^j y ET_i^j son los valores medios mensuales de precipitación, lámina de riego neta y la evapotranspiración de referencia, respectivamente, para cada mes i en la estación de cada cultivo, con duración de m meses en los años j=2000 y j=2050.

La condición K^j>1 corresponde al exceso de agua en el suelo agrícola. Se ha considerado K^j=1 cuando K^j>1, asumiendo que con medidas agrotécnicas se pueden evitar los casos de exceso de humedad en el suelo y los daños correspondientes al cultivo.

Las láminas de riego Lr²⁰⁰⁰ promedio anuales por ciclo de los cultivos de maíz y trigo al inicio del siglo XXI (j=2000) se han obtenido de los reportes anuales de los distritos de riego denominados "Planes de riego" a partir del año 1990 (datos no publicados y prestados por el jefe de este proyecto, ingeniero Leopoldo Hernández Gómez de la Subdirección General de InfraestructuraHidroagrícoladela Conagua). Los valores Lr²⁰⁵⁰ (j=2050) se han determinado en forma aproximada proporcionalmente a los valores promedio anuales de almacenamiento del agua en las presas, las cuales alimentan los distritos de riego de referencia. La cantidad de almacenamiento de agua fue asumida proporcionalmente al escurrimiento superficial o a la lámina de precipitación media en las áreas, en las cuencas hidrográficas correspondientes a cada presa, suponiendo que el escurrimiento superficial promedio anual depende de la lámina de precipitación promedio anual y media en cada cuenca. Con este supuesto, la lámina de riego promedio anual correspondiente al ciclo del cultivo se determinó como sigue:

Donde Pr_c²⁰⁰⁰ y Pr_c²⁰⁵⁰ corresponden a las láminas promedio anuales de precipitación en la cuenca hidrográfica de la presa del distrito de riego de referencia al inicio y mitad del siglo XXI, respectivamente. Para obtener los valores de Pr_c²⁰⁰⁰ y Pr_c²⁰⁵⁰ se estimaron las láminas medias de precipitación entre las láminas promedio anuales para algunas estaciones meteorológicas dentro de cada cuenca, para las cuales existen los datos de precipitación promedio anual al inicio y mitad del siglo. Se supone que tal enfoque aproximado puede ser aplicado con el supuesto de que las condiciones de escorrentía superficial no cambian significativamente en el tiempo; es decir, que no hay grandes cambios en la cubertura vegetal, ni la intensidad de las lluvias en la cuenca, así como en ningún otro factor influyente en el proceso de escurrimiento superficial.

Los cálculos preliminares, en los cuales los valores de ET^j se determinaron con las fórmulas de Thornthwaite o Blaney Criddle (Ángeles, 2000), a partir de los datos mensuales de temperatura del aire y la ubicación del sitio geográfico, señalaron que los mismos valores de K^j y las mismas relaciones también se pueden obtener a través de la fórmula:

Donde IHT_i^j son los valores del índice IHT calculados para cada mes 1≤i≤m durante los ciclos de los cultivos bajo riego con la fórmula siguiente:

Donde Rn_i^j y Pr_i^j son los valores medios de la radiación neta y la precipitación en cada mes i del ciclo del cultivo con duración de m meses en los años j=2000 o 2100; Lr^j es la lámina promedio anual de riego durante la estación del cultivo en cada uno de estos años; λ es el calor latente de evaporación (ver ecuación (1)). Considerando la aproximación del cálculo del K^j en la fórmula (14), la lámina de riego Lr^j fue distribuida homogéneamente entre todos los meses del ciclo del cultivo.

Los valores de Rn_i^j se han calculado a partir de los valores mensuales de temperatura y la radiación global (Rg_i^j), y en forma indirecta de la precipitación, utilizando la metodología descrita por Contreras et al. (2002). Las salidas climatológicas actuales no contienen los datos sobre cambio de la radiación global (Conde y Gay, 2008; Conde et al., 2008). Los pronósticos climáticos anteriores señalan que este cambio debería ser insignificante (dentro de 4% en el territorio de México) al final del siglo XXI para diferentes escenarios (Gay, 2003). Por esta razón, en nuestros cálculos, los valores Rg_i²⁰⁵⁰ se han considerado aproximadamente iguales a los registrados al inicio de este siglo.

Se asume que los valores de albedo mensuales de cada cultivo no se cambian en el transcurso del siglo XXI y deben ser similares en cada mes de la estación del cultivo al inicio y final de este siglo.

En los casos en que en el mes (j=0) que antecede al de la siembra presente una precipitación Pr₀^j tan alta que:

por lo tanto, se considera la humedad residual y el K^j se calcula para m+1 meses; es decir, para m meses de la estación del cultivo más el mes anterior a la siembra:

Donde IHT₀^j≤1 es el índice climático correspondiente al primer mes (antes de la siembra), cuando la precipitación Pr₀^j es alta.

Estimación del índice integral de fertilidad del suelo

Para calcular el índice integral de fertilidad del suelo F_r²⁰⁰⁰ se ha utilizado la fórmula propuesta por Pegov y Jomyakov (1991):

Donde pH y MO, P, K son los valores modales de pH, contenido en el suelo de materia orgánica (MO) y formas disponibles para el cultivo de fósforo (P) y de potasio (K), típicos para los terrenos irrigados con el mismo cultivo y con el mismo valor del índice climático IHT para inicio del siglo XXI; MO_máx, P_máx y K_máx son valores máximos observados de MO, P y K entre todos los terrenos estudiados. La ecuación (17) es conveniente, porque en forma explícita establece la relación entre el índice integral de fertilidad del suelo y la relativamente limitada información sobre las propiedades del suelo disponibles en bases de datos existentes (INEGI, 2004).

Si es necesario calcular los rendimientos de los cultivos considerando no solamente la cantidad de nutrimentos disponibles en el suelo, sino también las dosis de fertilizantes, el F_r²⁰⁰⁰ se calcula por la ecuación reportada por Pegov y Jomyakov (1991):

Donde N^fert, P^fert y K^fert son las dosis promedio anuales de los componentes activos de fertilizantes de N, P y K al principio del siglo XXI, respectivamente; N_max^fert, P_max^fert y K_max^fert son las dosis máximas de fertilizantes promedio anuales observadas para las zonas estudiadas.

La estimación de la alteración de la fertilidad de los suelos está basada en la ley geográfica de zonificación del suelo no usado en la agricultura (Budyko, 1974; Volobuev, 1974). De acuerdo con esta ley, los valores modales regionales de algunas propiedades químicas, físicas y biológicas (f) de los suelos vírgenes, geomorfológicamente homogéneos (con la misma topografía, rangos de pendientes superficiales, condiciones geológicas e hidrogeológicas, textura y mineralogía del subsuelo y tiempo de formación), dependen principalmente del índice climático IHT (ver la ecuación (1)). Cuando el cambio climático ocurre relativamente lento, en comparación con las intensidades de formación de las propiedades MO, P, K y pH —componentes del índice integral de fertilidad—, las relaciones entre estas propiedades y el IHT²⁰⁰⁰ o entre el F_r²⁰⁰⁰ y el IHT²⁰⁰⁰ establecidas a inicios del siglo XXI, debe conservarse al final del mismo siglo. Este supuesto se justifica en el trabajo de Arnold et al. (1990). Si a través de los escenarios climáticos se obtiene el índice climático IHT ²⁰⁵⁰ en cada uno de los distritos de riego o cualquier sitio geográfico de referencia, entonces utilizando las relaciones f_v²⁰⁰⁰ (IHT ²⁰⁰⁰) o F_v²⁰⁰⁰ (IHT_v²⁰⁰⁰) establecidas para cada grupo geomorfológicamente homogéneo de los suelos vírgenes se pueden determinar las nuevas propiedades o el índice de estos suelos. Los suelos agrícolas por la aplicación de fertilizantes y el manejo de los cultivos no necesariamente dependen de una zonificación.

Para estimar la alteración del suelo agrícola irrigado debido únicamente al cambio climático se ha utilizado el procedimiento similar al descrito en las publicaciones (Nikolskii et al., 2001; Contreras et al, 2002; Nikol'skii et al, 2006) y esquemáticamente mostrado en la figura 1.

En esta figura se observa que la relación F_v²⁰⁰⁰(IHT_v²⁰⁰⁰) tiene regularidad, la cual refleja la ley geográfica de zonificación del suelo virgen dentro del grupo de suelos geomorfológicamente homogéneos, en función del índice climático IHT_v²⁰⁰⁰; mientras que la relación F_v²⁰⁰⁰(IHT_v²⁰⁰⁰) no tiene esta regularidad debido a la modificación del suelo agrícola irrigado por las prácticas de manejo del suelo, cultivo y agua.

Para estimar el cambio del índice de fertilidad del suelo agrícola irrigado (F_r,1²⁰⁵⁰ - F_r,1²⁰⁰⁰), en un sitio de referencia con el número 1 para mediados del siglo, causado exclusivamente por el cambio climático e ignorando los efectos relacionados con el uso del terreno, se utiliza la ecuación siguiente:

Donde F_r,1²⁰⁰⁰ y F_r,1²⁰⁵⁰ representan los índices regionales de fertilidad del suelo irrigado en el sitio de referencia con el número 1 al inicio y mitad del siglo XXI, correspondientes al cambio del índice climático de IHT_v,1²⁰⁰⁰ a IHT_v,1²⁰⁵°; F_v,máx²⁰⁰⁰ y F_r,máx²⁰⁵⁰ son los índices de fertilidad del suelo virgen en el mismo sitio de referencia al inicio y mitad del siglo XXI, respectivamente. Los índices climáticos IHT_v²⁰⁰⁰ e IHT_v²⁰⁵⁰ se calculan con la ecuación (1). F_v,máx²⁰⁰⁰ y F_r,máx²⁰⁰⁰ corresponden a los valores máximos del índice de fertilidad de los suelos vírgenes e irrigados en las gráficas F_v²⁰⁰⁰(IHT_v²⁰⁰⁰) y F_r²⁰⁰⁰(IHT_v²⁰⁰⁰), respectivamente.

La ecuación (19) refleja en forma cuantitativa la ley geográfica de zonificación de suelos. El año 2050 ha sido seleccionado como ejemplo para estimar cambios significativos en fertilidad del suelo, considerando que estos cambios son relativamente lentos y pueden observarse en el transcurso de varias décadas. De acuerdo con la ley geográfica, si los cambios climáticos se observan en el transcurso de varias décadas, debe conservarse la relación entre algunas propiedades del suelo y el índice climático IHT promedio anual, existente al inicio del siglo XXI. Por esta razón, la ecuación (19) puede aplicarse por lo menos para cualquier periodo dentro del siglo XXI.

La ecuación (19) se puede utilizar a nivel regional y de la parcela. En este caso, la diferencia (F_r,1²⁰⁵⁰ - F_r,1²⁰⁰⁰) en el ámbito regional se puede agregar al índice de fertilidad de una parcela (F_parcela²⁰⁰⁰) si el índice climático en esta parcela se cambia del inicio a la mitad del siglo XXI de IHT_v²⁰⁰⁰ e IHT_v²⁰⁵⁰, imaginando que la parcela tiene una cobertura vegetal natural igual a la de la región (Nikolskii et al., 2001; Contreras et al., 2002; Nikol'skii et al., 2006). Para desarrollar la metodología del pronóstico de cambio del índice de fertilidad del suelo agrícola irrigado para los distritos de riego de referencia a mitad del siglo XXI, exclusivamente a causa del cambio climático, es necesario establecer las relaciones cuantitativas entre el índice climático IHT_v²⁰⁰⁰ y los valores modales regionales de las propiedades MO, P, K, pH y el índice integral de fertilidad de los suelos vírgenes (F_v²⁰⁰⁰) y agrícolas irrigados (F_r²⁰⁰⁰), con los cultivos de maíz y trigo en los distritos de riego ubicados en diferentes zonas climáticas de México. Tales relaciones deben establecerse para cada grupo de suelos geomorfológicamente homogéneo. En el trabajo actual, las investigaciones se han realizado para suelos automorfos (con profundidad del nivel freático aproximadamente mayor de 4 m) en altitudes de 0 a 2 500 m, y formados in situ con una pendiente superficial menor de 3%. El procedimiento para establecer las relaciones F_v²⁰⁰⁰(IHT_v²⁰⁰⁰) y F_r²⁰⁰⁰(IHT_v²⁰⁰⁰) está descrito en los trabajos de Nikolskii et al. (2001 y 2006) y Contreras et al. (2002), e incluye principalmente las siguientes etapas:

1. Selección y sistematización de sitios geográficos y de los datos sobre las propiedades mencionadas de los suelos vírgenes y agrícolas irrigados en función del índice climático IHT_v²⁰⁰⁰, utilizando el conjunto de las cartas de INEGI de México con escala 1:50 000 y 1:250 000 sobre la topografía, uso del suelo, geología y edafología (INEGI, 1988). En el presente trabajo, el procesamiento de la información edafológica fue automatizado, aplicando el sistema ArcInfo 9.2 para el análisis del modelo digital de elevación del terreno a escala 1:250 000 (con un tamaño de malla de 200 por 200 metros) y utilizando las bases de datos geo-referenciados sobre las propiedades de los pozos edafológicos (INEGI, 2004).

2. Procesamiento estadístico de los datos sobre las propiedades de los suelos y el índice de fertilidad; búsqueda de sus valores modales X y los intervalos de confianza x±2σ (donde σ corresponde a la desviación estándar de los logaritmos naturales de los valores parciales de cada propiedad) en cada uno de los intervalos establecidos en la escala del índice climático IHT_v²⁰⁰⁰. En las investigaciones previas fue establecido que la distribución estadística de cada propiedad tiene carácter lognormal (Nikolskii et al., 2001; Contreras et al., 2002).

3. Establecimiento de las curvas f_v²⁰⁰⁰ (IHT_v²⁰⁰⁰) y f_r²⁰⁰⁰(IHT_v²⁰⁰⁰) o F_v²⁰⁰⁰(IHT_v²⁰⁰⁰) y F_r²⁰⁰⁰(IHT_v²⁰⁰⁰) de mejor ajuste a los valores modales de estas propiedades de los suelos utilizando el programa CurveExpert 1.34 (Hyams, 1997).

4. El efecto directo del aumento de la concentración creciente de CO₂ en la atmósfera a finales del siglo XXI sobre el cambio de contenido de materia orgánica y el índice de fertilidad fue ignorado, ya que no es significativo (Bazzaz y Sombroek, 1996; Knorr et al, 2005).

 

Resultados y discusión

Para verificar si los cálculos de los rendimientos eran confiables o no, en la figura 2, los rendimientos maíz y trigo medidos durante los últimos 17 años (del 1990 al 2006) en los distritos de riego (y_real) se comparan con los rendimientos calculados (y_calc) con la fórmula (18), utilizando la información meteorológica promedio anual para los periodos de desarrollo de cada cultivo y datos estimados de los componentes de la fórmula del cálculo del rendimiento: Y_máx, K_hidr y F.

Los distritos de riego seleccionados se ubican en diferentes zonas climáticas de México: zonas tropicales subhúmedas y húmedas de la vertiente del Golfo de México; tierras frías del centro del país; zona tropical seca de la vertiente del océano Pacífico; zonas áridas y semiáridas del centro y noroeste del país.

En los cálculos del índice de fertilidad F se han tomado en cuenta las dosis de fertilizantes, según los datos publicados (Reyes, 1990; FAO, 2004). Los valores Y_real se han obtenido de la base de datos de Conagua (Conagua, 2007). Los valores de los rendimientos en la figura 2 son adimensionales. Dentro de cada grupo de los rendimientos medidos y calculados para cada año (para los ciclos primavera-verano y otoño-invierno) en cada uno de los distritos de riego de referencia, se han tomado los rendimientos máximos medidos y calculados. Después, todos los rendimientos medidos y calculados por año se dividieron por los valores máximos medidos (Y_real^máx) y calculados (Y_calc^máx), respectivamente. Los valores adimensionales de Y_real/Y_real^máx y Y_calc/Y_calc^máx se colocaron a la gráfica en la figura 2.

El tratamiento estadístico de la relaciónY_calc/Y_calc^máx(Y_real/Y_real^máx en la figura 2 permitió obtener los coeficientes de correlación iguales a 0.837, 0.863 y 0.752 para maíz de los ciclos primavera-verano y otoño-invierno, y para trigo del ciclo otoño-invierno, respectivamente. Estos coeficientes de correlación señalan que los rendimientos calculados tienen confianza para estimar sus cambios relativos: ΔY = (Y²⁰⁵⁰ - Y²⁰⁰⁰)/Y²⁰⁰⁰.

Posteriormente se realizaron los cálculos de los rendimientos de estos cultivos para los mismos distritos de riego. En el cuadro 1 se presentan las características climáticas de los distritos de riego de referencia.

Estos distritos de riego se ubican en altitudes de 8 a 1 980 m y tienen precipitaciones promedio anuales (Pr) de 205 a 1 114 mm, y el índice climático IHT_v²⁰⁰⁰ de 1.5 a 17.8. Los valores del IHT_v²⁰⁰⁰ entre 1 y 2 corresponden a las condiciones semihúmedas, con 1 000<Pr≤ 1 500 mm; de 2 a 3.5 para las condiciones semiáridas, con 300<Pr≤1 000 mm; y los valores de IHT_v²⁰⁰⁰ mayores de 3.5 a las condiciones áridas, con Pr≤300 mm (Contreras et al, 2002).

Para verificar el papel de la alteración de la fertilidad del suelo por el cambio climático en pronósticos de los rendimientos de los cultivos de maíz y trigo bajo riego se ha desarrollado la dependencia de los valores modales de pH, contenido de materia orgánica (MO) y formas disponibles para el cultivo de fósforo (P) y de potasio (K) en el suelo virgen no usado en la agricultura e irrigado en función del índice climático IHT_v²⁰⁰⁰. Las relaciones anteriores se han transformado posteriormente a las gráficas de dependencias del índice integral de fertilidad del suelo virgen (F_v²⁰⁰⁰) y el suelo irrigado (F_r²⁰⁰⁰), en función del índice IHT_v²⁰⁰⁰ (figura 3). En estas gráficas se muestran los valores modales de F_v²⁰⁰⁰ y F_r²⁰⁰⁰, típicos para las regiones con los mismos IHT_v²⁰⁰⁰ y los intervalos de confianza X±2σ, donde X es el valor modal y σ es la desviación estándar de los logaritmos naturales de los valores parciales de cada propiedad. Porque los valores modales del F_r²⁰⁰⁰⁰ para los terrenos con los cultivos de maíz y trigo prácticamente no tienen diferencia, en la figura 3 se muestra la única gráfica F_r²⁰⁰⁰ (IHT_v²⁰⁰⁰).

Según la figura 3, los suelos vírgenes más fértiles en México se encuentran en las zonas con clima semihúmedo, donde la precipitación promedio anual es alrededor de 1 300 mm y el IHT_v²⁰⁰⁰ de 0.75 a 3 (regiones de los estados de Guanajuato, Michoacán, Chiapas, Veracruz, Campeche y Colima).

En estas regiones, el índice F_v²⁰⁰⁰ varía entre 0.4 y 0.8. Los valores del F_v²⁰⁰⁰ varían de 0.23–0.4 en las zonas áridas, donde el IHT_v²⁰⁰⁰>3, y de 0.35-0.4 en las zonas húmedas, donde el IHT_v²⁰⁰⁰ <0.75. Los suelos regados son un poco más fértiles que los suelos vírgenes en las zonas áridas, donde el IHT_v²⁰⁰⁰>3, y menos fértiles que los suelos vírgenes en las zonas semiáridas y húmedas, donde el IHT_v²⁰⁰⁰<3. Los suelos regados más fértiles se ubican en las zonas áridas, donde 3<IHT_v²⁰⁰⁰<4. En comparación con los suelos vírgenes, la fertilidad de los suelos regados no depende tanto del cambio del índice IHT_v²⁰⁰⁰. Esto se puede explicar por la alteración del suelo irrigado por la actividad agrícola y la incorporación al suelo de dosis de fertilizantes relativamente grandes, especialmente de fósforo, el cual se acumula paulatinamente en el suelo.

Por lo general, los valores del índice adimensional de fertilidad integral del suelo varían de 0.23 en suelos vírgenes o de temporal, a 0.30 en las zonas áridas y semiáridas bajo riego, donde el IHT_r²⁰⁰⁰>4. En estas zonas se puede observar que la práctica de riego en los cultivos de maíz y trigo mejora la fertilidad de los suelos irrigados. El índice F_r²⁰⁰⁰ en estas zonas es del orden de 0.35, mayor que de los suelos vírgenes (F_v²⁰⁰⁰=0.25 a 0.30). En las zonas subhúmedas y tropicales húmedas del país, donde el IHT_r²⁰⁰⁰<2.5, el índice F_r²⁰⁰⁰=0.33 a 0.55, menor que de los suelos vírgenes (0.35 a 0.8). Esto significa el impacto negativo de las prácticas de riego en maíz y trigo sobre el suelo, en las zonas donde el IHT_r²⁰⁰⁰<2.5. En la publicación de Tetumo et al. (2001) se hizo el análisis de las láminas anuales de riego desde el punto de vista de su impacto sobre el suelo y se ha señalado que en algunos distritos de riego de México este impacto, aun en caso de aplicación del agua de buena calidad, es negativo, debido al deterioro de las condiciones microclimáticas de formación del suelo, lo que causa su degradación paulatina a largo plazo.

Analizando la forma de las gráficas F_v²⁰⁰⁰(IHT_v²⁰⁰⁰) y F_r²⁰⁰⁰ (IHT_v²⁰⁰⁰), se puede concluir que los suelos vírgenes e irrigados más susceptibles al cambio climático se encuentran en las zonas climáticassemiáridas, semihúmedasytropicales del país, donde el índice climático varía dentro del intervalo 0<IHT_v²⁰⁰⁰<2.5. En estas zonas, la inclinación de las gráficas o de valores absolutos de las derivadas |δ(F_v²⁰⁰⁰)/δ(IHT_v²⁰⁰⁰)| y |δ(F_r²⁰⁰⁰)/δ(IHT_v²⁰⁰⁰)| es mayor, lo que significa que aquí los cambios climáticos deberían causar mayores modificaciones de fertilidad del suelo, en comparación con otras zonas climáticas de México.

En el cuadro 2 se presentan los resultados de estimación de cambio relativo de los rendimientos (ΔY) y de los componentes de la productividad (ΔY_máx, ΔK y ΔF_r) de los cultivos de maíz y trigo bajo riego al cambio climático, para mediados del siglo XXI en los distritos de riego de referencia. Los valores (ΔY) se han calculado con la ecuación (3), los valores ΔY_máx, ΔK y ΔF_r se han calculado con las ecuaciones siguientes:

El análisis del cuadro 2 señala que los cambios estimados de la productividad de maíz y trigo (ΔY) en el periodo del 2000 hasta 2050 dependen del escenario climático y del modelo de circulación de la atmósfera con el cual se obtienen las salidas climatológicas.

Entre los distritos de referencia analizados, la mayor vulnerabilidad al cambio climático se presenta en la productividad de maíz de grano durante el periodo primavera-verano. Se espera un cambio en su rendimiento (ΔY) de -52 a +24%, dependiendo del escenario climático, modelo de circulación de la atmósfera y ubicación del distrito de riego. El cambio de la productividad potencial (ΔY_máx) de maíz bajo riego por lo general es insignificante (de -9 a +10% para el periodo primavera-verano, y de -10 a +1% para el periodo otoño-invierno). El mayor efecto del cambio climático se espera para trigo de otoño-invierno, cuya productividad potencial en el periodo otoño-invierno va a experimentar un cambio entre -9 y +18%, con mayores incrementos (hasta 15 a 18%) en los distritos de riego 013 y 034.

El factor hídrico (K) tiene gran importancia en los cálculos, principalmente de los rendimientos de maíz. Por reducción de reservas del agua se espera una disminución de la productividad potencial (Y_máx) de grano de maíz bajo riego hasta 60%. Para el caso de pronósticos de la productividad de grano de trigo en el periodo de otoño-invierno, el factor K afortunadamente no tiene tanta importancia como para el maíz.

En el cuadro 2 se presentan también las estimaciones del impacto de la alteración de la fertilidad del suelo (φ_F) sobre la productividad de los cultivos. Los valores de φ_F se han calculado de la siguiente manera:

Donde = productividad del cultivo calculada con la ecuación (3) para los años 2050 y 2000, respectivamente, considerando la alteración de fertilidad del suelo agrícola; = productividad del cultivo calculada para los años 2050 y 2000, respectivamente, ignorando la alteración de fertilidad del suelo agrícola. Los valores de se calculan con la ecuación similar a (3), donde no se considera valor de F_r^j; es decir, que F_r^j=1.

De acuerdo con el cuadro 2, en caso de ignorar el efecto de la alteración de la fertilidad del suelo (F_r) atribuible al cambio climático, en los cálculos de la productividad de los cultivos agrícolas bajo riego se pueden generar errores de hasta un 80% por lo menos para el año 2050, lo que significa que en estos cálculos es indispensable considerar el índice integral de fertilidad del suelo F_r. Tomar en cuenta solamente algunos componentes de este índice (por ejemplo, de la reserva de nitrógeno) no es suficiente, porque se ignoran otros componentes importantes de la fertilidad integral del suelo, de la cual depende el rendimiento del cultivo.

La aportación de la alteración de la fertilidad del suelo (φ_F) en los resultados de cálculos de la productividad de los cultivos bajo riego depende del nivel y signo del cambio del índice climático IHT_r promedio anual (si aumenta o decrece) en el sitio de referencia, y de la sensibilidad del suelo al cambio climático. De acuerdo con la figura 3, los suelos irrigados más sensibles al cambio climático se ubican en las zonas climáticas de México donde IHT_r≤2.5.

 

Conclusiones

Se ha desarrollado la metodología para pronosticar el impacto del cambio climático global sobre la producción de maíz y trigo bajo riego, considerando el factor de alteración de la fertilidad del suelo, atribuible al cambio climático.

Los suelos agrícolas más sensibles al cambio climático se ubican en las zonas climáticas húmedas, semihúmedas y semiáridas de México, donde el índice climático IHT_v²⁰⁰⁰ es menor de 2.5. En estas zonas, en los cálculos de rendimientos de los cultivos agrícolas bajo riego, es indispensable considerar el efecto de la alteración del índice integral de fertilidad del suelo por el cambio climático (F_r). Al ignorar este efecto se pueden generar errores hasta de 80% en los rendimientos pronosticados, por lo menos hasta el año 2050. Considerar solamente algunos componentes de este índice (por ejemplo, la reserva de nitrógeno) resulta insuficiente, porque se ignoran otros componentes importantes de la fertilidad integral del suelo.

Por lo general, el cambio de la productividad de los cultivos de maíz de grano y trigo se espera entre -50 a +25%, en función de la región, del cultivo y de su periodo de desarrollo.

 

Recomendaciones

Se recomienda utilizar la metodología desarrollada en el presente trabajo para ampliar investigaciones de vulnerabilidad de varios cultivos bajo riego de importancia nacional.

Se recomienda utilizar los escenarios posteriores del cambio climático más avanzados, considerando que la representatividad de estimaciones de vulnerabilidad de los cultivos agrícolas depende, ante todo, de la calidad de los pronósticos climáticos.

 

Agradecimientos

Al proyecto Semarnat-Conacyt-23748, por el apoyo económico en la investigación. Al ingeniero Leopoldo Hernández Gómez de la Subdirección General de Infraestructura Hidroagrícola de la Conagua, por facilitar información necesaria para el presente trabajo.

 

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