USO CONSUNTIVO DEL AGUA

MARCO TEÓRICO

Es importante conocer los elementos del clima que más influyen en la programación del riego y su relación con el crecimiento de las plantas. Los más importantes se tratan a continuación: Capacidad de campoMáximo grado de humead de un suelo que ha perdido su agua gravífica.

Coeficiente de uso consuntivo (Kc)Leroy S. (1980), define el coeficiente de uso consuntivo (Kc) de un cultivo como la relación entre la demanda de agua del cultivo mantenido a niveles óptimos (ETA) y la demanda del cultivo de referencia (ETP) es decir:

Donde ETA es la evapotranspiración potencial del cultivo y ETP es la evapotranspiración potencial del cultivo en referencia.El Kc es conocido también como Kco por la American Society of Civil Engineers (ASCE), y generalmente se presenta como función del desarrollo vegetativo o etapa de maduración.

Fenómeno físico por el cual el agua pasa de líquido a vapor. También se le conoce como el agua evaporada por el terreno adyacente, por la superficie del agua o por la superficie de las hojas de las plantas.

Evapotranspiración potencial (ETP)Es la evapotranspiración que se produciría si la humedad del suelo y la cobertura vegetal estuvieran en condiciones óptimas (Thornthwaite, 1948).

Según Hargreaves (1975) es la cantidad de agua evaporada y transpirada por una cobertura de pequeñas plantas verdes en estado activo de crecimiento y con un suministro continuo y adecuado de humedad. Se considera dependiente del clima y puede ser estimada a través de parámetros climáticos, dentro de los cuales los más importantes son: la radiación incidente, temperatura ambiente y humedad relativa.Es importante señalar que cada tipo de planta evapotranspira una cantidad de agua diferente, por lo que se han establecido los siguientes conceptos relacionados:

Evapotranspiración del cultivo de referencia ETLlamada también evapotranspiración de referencia, es la que se produciría en un campo de gramíneas (pastos y cereales, por ejemplo) de 12 cm de altura, sin falta de agua y con determinadas características óptimas.

Evapotranspiración de un cultivo en condiciones estándar ETCEs la evapotranspiración que se produciría en un cultivo especificado, sano, bien abonado y en condiciones óptimas de humedad del suelo. Es igual a la anterior, multiplicada por un coeficiente (K) correspondiente al tipo de cultivo.

Evapotranspiración de un cultivo en condiciones no estándarEs la evapotranspiración que se produce cuando no existen condiciones ideales.Para determinar este tipo de evapotranspiración debe ajustarse el coeficiente del cultivo K y multiplicarlo por otro coeficiente K que depende de la humedad del suelo.Los conceptos de Evapotranspiración de referencia ETP y Evapotranspiración potencial ET se utilizan indistintamente.

Evapotranspiración real (ETR)Es la evapotranspiración que se produce realmente en las condiciones reales de cultivo.La evapotranspiración real es menor o igual que la evapotranspiración potencial que se produce realmente en las condiciones existentes en cada caso. Así,

Grado de humedadPeso de agua en una muestra respecto al peso de muestra seca, expresado en porcentaje.

LisímetroSirve para medir la evapotranspiración, y consiste en un recipiente enterrado y cerrado lateralmente, de modo que el agua drenada por gravedad es recogida por un drenaje.

Radiación incidenteLa radiación incidente está relacionada con la radiación solar que llega al tope de la atmósfera y es modificada por los factores tales como la nubosidad.

TranspiraciónEs el agua que penetrando a través de las raíces de las plantas es utilizada en la construcción de tejidos o emitidos por las hojas y reintegrada a la atmósfera.La transpiración está en función del tipo de planta, del poder evaporante de la atmósfera, del grado de humedad del suelo, etc.

Uso consuntivo del aguaEl uso consuntivo puede definirse como la cantidad de agua que consumen las plantas para germinar, crecer y producir económicamente, y cuantitativamente es un concepto equivalente al de evapotranspiración. Los principales componentes del uso consuntivo del agua son la transpiración y la evaporación.

Los factores fundamentales que influyen en el uso consuntivo del agua son:

Clima, representado por la temperatura, humedad relativa, vientos, latitud, luminosidad, precipitación, etc.

Cultivo, representado por la especie vegetal, variedad, ciclo vegetativo, hábitos radiculares, etc.

Suelo, representado por la textura, profundidad del nivel freático, capacidad de retención de humedad, etc.

Agua de riego, en cuanto a su calidad, disponibilidad, prácticas de riego, nivel de la misma con respecto a la superficie, etc.

El uso consuntivo suele expresarse como profundidad de agua por unidad de tiempo, por ejemplo, milímetros por temporada. Para calcular el volumen total de agua necesaria, se multiplica la necesidad de agua estacional por la superficie que se requiere regar, siendo la unidad de volumen más comúnmente empleada es la de metros cúbicos.

El uso consuntivo de agua variará según el tipo de planta, la época en que se cultiva, y las condiciones climáticas existentes en las diversas etapas de desarrollo vegetal.

Toda esta agua se quiere para: Mantener las planta rígida, condición necesaria para que funcione como organismo viviente. Para el proceso de producción de tejidos que ocasiona su crecimiento y producción. Para poder producir con ella una corriente permanente de agua a través de la planta, con los alimentos o nutrientes disueltos en ella, desde las raíces hasta las demás partes de ella.

En virtud de esto, las plantas toman agua del suelo por medio de sus raíces, la transportan a través de ellas y de sus tallos hasta las hojas, utilizando más o menos una parte de cada 100 que toma para

formar combinaciones químicas para su crecimiento y producción y las 99 partes restantes las pasa a la atmósfera en forma de vapor. A este proceso se le denomina transpiración.

Por otra parte de la superficie del suelo también pasa agua a la atmósfera en forma de vapor por el proceso de evaporación. Los dos procesos combinados, tal como ocurre en cualquier superficie de suelo cubierto parcial o totalmente con vegetación reciben el nombre de evapotranspiración, que depende del clima, del cultivo y del contenido de humedad que tenga el suelo. El consumo de agua por determinado cultivo, en determinado suelo, bajo las condiciones de clima y de humedad que ocurran. Se le llama evapotranspiración real.

Aunque algunos autores emplean como sinónimos los términos de uso consuntivo y evapotranspiración, parece ser más concerniente establecer entre ellos la diferencia de considerar en el primero la calidad de agua empleada por la planta para la fabricación de su tejido, mientras que en la segunda solo se incluyen las cantidades evaporadas y transpiradas de un área determinada, no solamente del cultivo comercial, sino de sus alrededores.Desde este punto de vista, es más esencial el conocimiento del uso consuntivo, porque proporciona una medida más exacta de las necesidades de agua por parte de la planta.  Se puede definir el uso consuntivo como la suma de los volúmenes de agua usada por la vegetación en un área dada en transpiración y elaboración de tejidos, la evaporada del suelo adyacente y la interceptada por dicha área en un tiempo dado, a partir de la precipitación. El consumo de agua por los cultivos comerciales viene determinada por el uso consuntivo, el cual se puede definir como la suma del agua usada por el cultivo, y evaporada de sus alrededores, para asegurar la mayor productividad posible.Cuando se trata de cultivos comerciales, es importante determinar con la mayor exactitud posible el valor del uso consuntivo, o sea la cantidad de agua que el cultivo necesita para convertir en biomasa y transpirar. La siguiente ecuación expresa el valor del uso consuntivo.

Donde UC, es el uso consuntivo, cuyo valor es igual a la evapotranspiración real [mm/día] y k c es el factor de uso consuntivo (adimensional), el cual tiene que ver con el desarrollo del cultivo. En la Tabla 8 se presentan valores de kc para varios cultivos. Al calcular las necesidades hídricas de un cultivo se calcula primero ETo, luego de lo cual estos valores se afectan por el valor de kc dependiendo del cultivo.

ASPECTOS TEÓRICOS SOBRE LA DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE USO CONSUNTIVO DEL AGUA (KC) Y SUS APLICACIONES

Al igual que la evapotranspiración, el coeficiente del uso consuntivo (Kc) puede ser estimado o determinado por diferentes métodos, tanto indirectos o teóricos, así como por directos o de campo. Existen métodos indirectos, y métodos directos, éstos últimos son los que miden directamente la evapotranspiración.

Entre los principales métodos teóricos que se utilizan para la determinación del coeficiente de uso consuntivo tenemos:- Método de Blanney Criddle- Método de Radiación- Método de Penman- Método del evaporímetro o del tanque- Método de Thornthwaite- Método de Gras Christiansen

Estos métodos se refieren a las condiciones climáticas, agronómicas y edáficas propios de una zona dada. Las transferencias de metodologías de una zona u otra muy distinta de aquella en la que ha sido concebida sigue siendo problemática; a menudo se necesitarán experimentos in situ. Sin embargo a veces por falta de investigaciones locales al respecto nos vemos obligados a utilizar estos métodos que no han sido ajustados a nuestra realidad.

Los coeficientes de Uso consuntivo (Kc), son datos muy valiosos que se usan para determinar la posible área de riego, de un proyecto, de una finca, etc. sobre la base de un volumen disponible de agua. Sus aplicaciones son múltiples, y se listan a continuación:

1) Permite elaborar calendarios de riego para los cultivos, fijar láminas e intervalos de riego en función de la eficiencia de riego. Esto permite apoyar la planificación de cultivos y riegos por cultivos.2) En el caso de agua de riego con alto contenido de sales en solución, el uso consuntivo permite determinar las láminas de sobre riego, necesarias para prevenir problemas de salinización de los suelos.3) Estimar los volúmenes adicionales de agua que serán necesarios aplicar a los cultivos en el caso que la lluvia no aporte la cantidad suficiente de agua.4) Determinar en grandes áreas (cuencas) los posibles volúmenes de agua en exceso a drenar.5) Determinar en forma general la eficiencia con la que se está aprovechando el agua y por lo mismo, planificar debidamente el mejoramiento y superación de todo el conjunto de elementos que intervienen en el desarrollo de un distrito de riego.

En la Figura 1 se aprecia un ejemplo del coeficiente de cultivo o Kc, donde se ven esquematizadas las etapas del desarrollo de un cultivo dado.

Figura 1 Ejemplo esquematizado de una curva de coeficiente de cultivo (Kc)

Radiación solar. Es la cantidad de energía que el sol suministra a la tierra en forma de radiación electromagnética. Esta energía se emplea en los procesos fotosintéticos, calentamiento del suelo, calentamiento del aire, evaporación y transpiración. El clima a su vez, está determinado por el efecto de esta energía sobre el calentamiento del aire y la evaporación (Colón y Rodríguez, 1996). La radiación solar es el principal factor que determina el microclima de un área geográfica. Su energía condiciona la temperatura del aire y del suelo, el movimiento del viento, la evapotranspiración y la fotosíntesis, de tal manera que la intensidad de la radiación, el grado de interceptación y la eficiencia en el uso de la energía radiante, son factores determinantes en la tasa de crecimiento de las plantas. La radiación constituye la fuente fundamental de energía en el ciclo hidrológico y ejerce gran influencia en las posibilidades agrícolas de cada región a través de las características de la lluvia, que a su vez está sujeta a la influencia, en las zonas tropicales como la nuestra, del movimiento aparente estacional del sol y de las consiguientes variaciones de la distribución de la radiación.

Temperatura. La luz y la temperatura son los factores del medio ambiente que influyen directamente sobre la tasa de crecimiento foliar bajo condiciones óptimas de disponibilidad hídrica. La intensidad de luz determina la tasa fotosintética y por consiguiente el suministro de asimilados para la hoja. La temperatura afecta la tasa de división y expansión celular (Arcila y Chávez, 1995).

Cuando existen pequeñas diferencias de radiación solar incidente en varios sitios, la temperatura se constituye en el principal factor climático que caracteriza el potencial de crecimiento. La tasa de crecimiento de las plantas está relacionada con la cantidad de radiación solar interceptada por el cultivo y por consiguiente la cantidad de biomasa producida (Lambert et al., 1999). La temperatura optima está claramente relacionado con el clima y especialmente con la temperatura del aire (Giraldo, 1989).

Precipitación. La precipitación se considera como la primera variable hidrológica y es la entrada natural de agua dentro del balance hídrico de los agroecosistemas y de las cuencas hidrográficas. Se le puede llamar precipitación a la caída del agua de las nubes, ya sea en estado sólido o en estado líquido. Las pequeñas gotas de agua que forman las nubes son de dimensiones tan diminutas que se necesita reunir cientos de miles de estas gotitas para formar una gota de llovizna, y varios millones para formar una gota grande de lluvia.

Humedad Relativa. La humedad relativa es una medida que permite saber qué tan húmedo o seco se encuentra el aire. Se expresa en unidades enteras correspondiendo el 0 (cero) a la sequedad absoluta y el 100% a la saturación.

Vientos. El viento es el movimiento de aire en la superficie terrestre. Es generado por la acción de gradientes de presión atmosférica producida por el calentamiento diferencial de las superficies y masas de aire. La superficie de la tierra se calienta por la radiación solar; esta radiación solar no se recibe con la misma intensidad en todas las zonas del planeta, lo que origina un calentamiento desigual de las masas de aire.

Evapotranspiración. La evapotranspiración (ET) es la consideración conjunta de dos procesos diferentes: la evaporación y la transpiración. La evaporación es el proceso físico por el cual el agua líquida se convierte en vapor de agua (vaporización) y se retira de la superficie evaporante (remoción de vapor); el agua se evapora de una variedad de superficies, tales como lagos, ríos, caminos, suelos y la vegetación mojada. La transpiración consiste en la vaporización del agua líquida contenida en los tejidos de la planta y su posterior remoción hacia la atmósfera; los cultivos pierden agua predominantemente a través de las estomas. La evaporación y la transpiración ocurren simultáneamente y no hay una manera sencilla de distinguir entre estos dos procesos. Aparte de la disponibilidad de agua en los horizontes superficiales, la evaporación de un suelo cultivado es determinada principalmente por la fracción de radiación solar que llega a la superficie del suelo; esta fracción disminuye a lo largo del ciclo del cultivo a medida que el dosel del cultivo proyecta más y más sombra sobre el suelo.

El valor de kc se contrasta contra un cultivo de referencia, que en la mayoría de los casos es un pasto (gramínea), sembrado lo más densamente posible y con una altura de corte de entre 8 y 15 cm. Los cultivos para los que se presenta un valor de kc con intervalo, quiere decir que este valor sufre variaciones significativas a medida que el cultivo se desarrolla y por las variaciones climáticas que sufre.

Tabla 8. Valores de kc.

Tabla 9. Uso consuntivo de algunos cultivos.

PROPIEDADES FISÍCAS DE SUELOS. FUNDAMENTO TÉCNICO PARA PLANIFICACIÓN DEL RIEGO.

1.2.1 Textura. Indica la proporción o cantidad en porcentaje en que se encuentran la arcilla (Ar), el limo (L) y la arena (A) en el suelo. Al ser la propiedad física más estable del suelo, se le considera constante por un número largo de años. Esta propiedad se usa comúnmente como criterio para determinar en un suelo la permeabilidad o infiltración, la capacidad de retención de humedad, la plasticidad o adhesividad, la aireación, las condiciones de labranza, la capacidad de intercambio catiónico y la fertilidad (Castro, 1998). En el diseño y planificación del riego la textura es un parámetro fundamental del cual depende en alto grado el comportamiento hidrodinámico del suelo.

1.2.2 Infiltración. La importancia y aplicación del conocimiento de la infiltración en el manejo del riego radica en la estimación de las pérdidas de agua por percolación profunda y por escorrentía superficial, así como también en la eficiencia del riego. La velocidad de infiltración se inicia tan pronto el agua entra en contacto con el suelo. Si el suministro inicial es lento, el agua penetra tan rápidamente como llega, pero, si aquel aumenta llega un momento en que el aporte excede la capacidad del suelo de absorber el agua y entonces ésta se acumula y empieza a escurrir sobre la superficie. Si el aporte de agua se mantiene por debajo de la velocidad de infiltración del subuelo, la penetración o flujo dependerá de la velocidad con que el agua superficial fluya hacia él.

Tabla 1. Agrupación general de clases texturales de acuerdo con su similitud en el comportamiento hidrodinámico.

La velocidad de infiltración se expresa en cm/hora y es función de muchas variables del suelo, entre las cuales cabe destacarse: la textura, el contenido de humedad del suelo, el grado de agrietamiento, la presencia de capas impermeables o porosas y la compactación superficial producto de las labores de cultivo (CECIL, 1998).

La infiltración disminuye gradualmente con el tiempo. Es máxima al comenzar el proceso, particularmente si el suelo está seco, y tiende luego progresivamente hacia un valor mínimo, el cual se conoce como Infiltración Básica (Figura 1). En la primera etapa el aporte de agua a la superficie es menos rápido que la intensidad del suelo para absorberla; en la segunda etapa las condiciones físicas del suelo limitan gradualmente la velocidad de penetración hasta aproximarse a la conductividad hidráulica a saturación (CHS) (IGAC, 1990).

La infiltración para riego por aspersión se hace simulando lluvia sobre el suelo, para calcular que la lluvia de los aspersores no sobrepase la capacidad de velocidad de infiltración. Este método es poco difundido en nuestro medio y no se conoce suficiente información (Pinzón, 2005).

Conductividad Hidráulica. La conductividad hidráulica es la propiedad que presentan los suelos, como medio poroso que son, de permitir el movimiento del agua a través del perfil bajo la acción combinada de los efectos de la gravedad, de la capilaridad y de otros agentes impulsores. Cuando el agua se mueve en condiciones de saturación se habla de conductividad hidráulica como la propiedad que presenta el suelo de permitir el movimiento del agua. El término “conductividad hidráulica” es equivalente al de permeabilidad. A la permeabilidad se le considera como la estimación cualitativa de la infiltración, mientras que la infiltración cuantifica la velocidad con que el agua se desplaza a través del perfil (Castro, 1998).

Tabla 3. Conductividad hidráulica y valores asociados de permeabilidad.

Medición de la Humedad del Suelo. El contenido de humedad en el suelo es expresado en términos de porcentaje (%). Existe el cálculo gravimétrico y volumétrico del agua del suelo, el cual puede estimarse para diferentes puntos de humedad (saturación, capacidad de campo, punto de marchitez).

La Humedad Gravimétrica (HG) es la forma básica de expresar la humedad del suelo y se entiende por ella como la masa de agua contenida por unidad de masa de sólidos del suelo (CORPOICA, 2008). El porcentaje de humedad del suelo es calculado con base al peso en seco, mediante la siguiente fórmula:

La Humedad Volumétrica (HV) se expresa como el porcentaje de volumen de suelo ocupado por agua. Se calcula multiplicando el % de humedad por peso (HG), por el peso específico del suelo o densidad aparente (δa), mediante la siguiente fórmula:

El cálculo de la humedad del suelo expresada en volumen (%HV) permite la estimación de láminas de riego (mm de agua/cm de suelo).

1.2.5 Retención de Agua en el Suelo. Una propiedad importante del suelo es su capacidad de retención y almacenamiento de agua, respecto al aprovechamiento de la misma por las plantas. Gran parte del agua retenida en el suelo es extraída por las plantas para su desarrollo, pero esa extracción requiere de energía. Ese esfuerzo de extracción disminuye para la planta cuando existe agua aprovechable en el suelo (Castro, 1998). De acuerdo con la cantidad de agua presente en el suelo, podemos diferenciar tres estados o puntos de humedad muy importantes para el diseño de planes de riego, los cuales son reseñados por Castro, (1998).

Punto de Saturación “Suelo Saturado” es el estado que representa la máxima cantidad de agua que puede almacenar un suelo, sin permitir la presencia de agua libre. En este caso, toda la porosidad del suelo (macro, meso y microporos) está ocupada por agua. A nivel de campo esta condición semeja un suelo mojado o saturado, el cual no permite mecanización. Si esta condición perdura en el suelo, las plantas se ven afectadas en su desarrollo. Después de una lluvia pesada la mayoría de suelos adquieren temporalmente su punto de saturación. En el laboratorio el punto de saturación se considera al agua retenida en el suelo después de saturar una muestra y someterla a una presión de 0.01 atmósferas o bares (1kpa).

Capacidad de Campo es el contenido de humedad de un suelo profundo, permeable y con buen drenaje, dos o tres días después de un riego pesado o lluvia abundante. Un suelo está en capacidad de campo cuando existe agua retenida capilarmente en meso y microporos, es decir: después de haber drenado el agua gravitacional a través de macroporos. A nivel de campo esta condición semeja un suelo húmedo el cual permitirá labores de mecanización y aseguraría un adecuado suministro de agua para las plantas. En el laboratorio la capacidad de campo se considera al agua retenida en el suelo después de saturar una muestra y someter a una presión de 0,1 atmósferas o

bares (10 kpa) para suelos arenosos (textura gruesa), 0,3 atmósferas o bares (30 kpa) para suelos francos (texturas medias) y 0,5 atmósferas o bares (50 kpa) para suelos arcillosos (texturas finas).

Punto de Marchitez Permanente se define como el límite de humedad por debajo del cual las plantas no pueden extraer agua del suelo para sus funciones y comienzan a mostrar síntomas de marchitez temporal o permanente. En el campo esta condición semeja un suelo muy seco en donde las plantas comienzan a mostrar síntomas de agobiamiento o marchitez permanente, es decir: aunque se les aplique posteriormente agua, no se recuperan. En el laboratorio, el punto de marchitez permanente se obtiene cuando después de saturar una muestra de suelo se somete a una presión de 15 atmósferas o bares (1500kpa).

Tomando el contenido de humedad con base en el volumen (%HV) retenida entre un máximo de 0,1 bar (capacidad de campo) y un mínimo de 15 bares (punto de marchitez), se puede calcular aproximadamente para cada capa u horizonte del suelo, el agua que se encuentra en el suelo disponible para las plantas, denominada también agua útil o Agua Aprovechable (AA), cuyo cálculo se realiza mediante la fórmula:

En la práctica el cálculo del AA para las plantas es muy útil a nivel de campo, cuando el contenido de AA se integra con el coeficiente de agotamiento, que depende de la especie y la etapa fenológica, se encuentra un valor, por debajo del cual se debe suministrar riego para que las plantas no sufran por estrés de agua (Rincón, 2005). Estos conceptos se visualizan gráficamente mediante la Curva de Retención, la cual se considera típica en cada suelo (Figura 2).

Figura 2. Relación entre el porcentaje de humedad, el tiempo y los conceptos de saturación, humedad aprovechable y agua retenida a tensiones mayores de 15 bares (1500 Kpa). Fuente: Suárez, 1986.

De otra parte, existen criterios para interpretar la humedad aprovechable, los cuales pueden ser considerados para calificar la capacidad de suministro de humedad del suelo y sus relaciones con los cultivos; se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4. Rangos para interpretar la humedad aprovechable.

Lámina de agua almacenada por el suelo. Para la programación del riego, es decir la aplicación de agua al cultivo de tal forma que este tenga a disposición la necesaria para suplir sus necesidades (Uso consuntivo), es necesario conocer cuanta de esta agua puede ser almacenada por el suelo, lo que se define por medio de la siguiente ecuación.

 

Donde La, representa la lámina de agua almacenada en el suelo [cm]; CC, el valor de capacidad de campo del suelo [%]; CH, el contenido de humedad del suelo al momento del riego [%]; Da, la densidad específica aparente del suelo y PR, la profundidad efectiva del sistema radicular de la planta cultivada [cm].

Si se desea calcular el volumen total a aplicar al cultivo, se puede obtener este valor, multiplicando el valor de la lámina a regar por el área total del cultivo.

         

Donde Va, representa el volumen total a aplicar al cultivo [m3]; La, la lámina de agua almacenada en el suelo [m]; AC, el área del cultivo [m2].

METODOLOGÍA UTILIZADA PARA DETERMINAR EL COEFICIENTE DE USO CONSUNTIVO DEL AGUA PARA UNA PLANTA SELECCIONADA DE LA UNSCH.

EQUIPOS Y MATERIALES EMPLEADOS

Los equipos empleados fueron:

Figura 3 Diseño de un lisímetro simple de drenaje

Cultivos en estudioLos cultivos estudiados fueron: ….

RESULTADOS

CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES