Resumen de Efecto del laboreo sobre la dinámica de las propiedades hidráulicas del suelo y desarrollo de nuevos métodos de medida de la curva de retención
En Aragón, la superficie cultivada en secano representa aproximadamente el 75% de la superficie agrícola total. Gran parte de los cultivos herbáceos se realizan en zonas de clima árido o semiárido, con una pluviometría media anual inferior a 350 mm. La escasa precipitación y su irregular distribución constituyen los principales factores limitantes de la producción agrícola de secano (McAneney y Arrúe, 1993). En el Valle del Ebro, la práctica del cultivo ‘de año y vez’, que incluye un largo período de barbecho de 16 a 18 meses de duración y que transcurre desde la cosecha (junio-julio) hasta la siembra (noviembre-diciembre) del año siguiente, está ampliamente asentada. Los principales motivos que los agricultores argumentan para su utilización son el aumento del agua disponible son el aumento del agua disponible para el cultivo, la mejora de la fertilidad y la reducción de la incidencia de malas hierbas y plagas. En los secanos semiáridos del centro del Valle del Ebro, el sistema de laboreo convencional, con pase de vertedera como labor primaria, sigue siendo un sistema de manejo del suelo ampliamente utilizado durante el período de barbecho. Este manejo viene justificado porque mejora la infiltración del agua de lluvia tras las labores.
Entre las diferentes alternativas para mejorar la eficiencia en el uso de la precipitación recibida durante el período de barbecho, podemos citar los sistemas de manejo del suelo. Entre ellas, destacamos el laboreo como práctica que altera las propiedades de retención y de transmisión de agua en el suelo, interviniendo sobre los componentes del balance de agua (almacenamiento, evaporación y drenaje) (Singh et al. 1996).
Los trabajos que han estudiado el efecto del sistema de laboreo (laboreo convencional, LC; mínimo laboreo ML y no laboreo, NL) sobre el balance de agua en el suelo a lo largo del período de barbecho en la zona semiárida del centro del Valle del Ebro, han observado que los sistemas de mínimo laboreo tienden a acumular más agua al final del período de barbecho (López y Arrúe, 2007, Lampurlanés et al., 2002). Estas diferencias deben atribuirse al diferente comportamiento de las propiedades hidráulicas del suelo asociado a cada sistema de laboreo (Moret y Arrúe, 2007). Es por ello, que un conocimiento adecuado de la dinámica de estas propiedades permitirá determinar qué prácticas de laboreo conducen a unas condiciones óptimas de crecimiento y desarrollo del cultivo. Con todo esto, queda demostrada la importancia de caracterizar de manera rápida y fiable las propiedades del suelo que regulan el flujo insaturado del agua en el suelo (conductividad hidráulica y curva de retención de humedad).
La curva de retención es la relación entre el contenido de agua y el potencial del agua en el suelo, mientras que la conductividad hidráulica describe la relación entre el flujo de agua y el gradiente hidráulico del suelo en régimen saturado. La conductividad hidráulica se puede medir de manera relativamente rápida y de forma poco laboriosa, pero la determinación de la curva de retención de manera directa es más laboriosa y su medida requiere mucho más tiempo (hasta dos semanas).
Por todo ello, este trabajo tiene los siguientes objetivos: I. Estudio de la dinámica de las propiedades hidráulicas durante el período de barbecho de un cultivo ‘de año y vez’ bajo laboreo convencional (CT), reducido (RT) y bajo no-laboreo (NT).
a) Evolución de la curva de retención y de la densidad aparente en los horizontes 0-10, 10-20 y 20-30 cm durante 2012 (capítulo 1) bajo laboreo primario.
b) Evolución de la curva de retención, densidad aparente; conductividad hidráulica y sorptividad a saturación (con y sin costra) en el horizonte 0-10 cm bajo laboreo primario y secundario (de discos). Mayor número de muestreos realizados durante el año 2014, en comparación con el año 2012 (capítulo 2) c) Balance hídrico en el horizonte 0-40 cm durante los años 2012 y 2014 (capítulo 3).
II. Desarrollo de nuevos métodos inversos de medida de la curva de retención: a) Estimación de perfiles de humedad medidos por medio de la técnica TDR (Time Domain Reflectometry) para estimar los parámetros de curva de retención de van Genuchten (1980) por medio del modelo HYDRUS 1D (capítulo 4).
b) Estimación de los parámetros n y alfa del modelo de van Genuchten a partir de la medida de un proceso de absorción capilar + evaporación usando el modelo HYDRUS 2D (capítulo 5).
METODOLOGIA Objetivos del grupo I:
- Medida de la curva de retención por medio de las cámaras de presión -TDR (en laboratorio).
- Medida de la conductividad hidráulica por medio de infiltrómetros de discos (en campo).
- Medida de la humedad del suelo por medio de la técnica TDR.
- Registro de datos climáticos.
- Cálculo de la cantidad de agua almacenada entre muestreos, de la evaporación acumulada y de le eficiencia en el almacenamiento de la precipitación.
Objetivos del grupo IIa:
- Desarrollo de una interfaz programada en Matlab para estimar los parámetros de curva de retención por medio del modelo HYDRUS, pero realizando una optimización de fuerza bruta desde Matlab.
- Medida de las ondas TDR durante un proceso de infiltración a saturación de un suelo inalterado en laboratorio.
- Medida directa de la conductividad hidráulica en laboratorio durante el mencionado proceso de infiltración.
- Comparación de los parámetros de curva de retención obtenidos con un método de referencia (cámaras de presión-TDR).
Objetivos del grupo IIb:
- Realización de experimentos numéricos con HYDRUS 2D para elegir el método más adecuado para su posterior validación con suelos reales.
- Desarrollo de un código programado en R para tener en cuenta el fenómeno de histéresis.
- Humectación de un suelo por absorción capilar a saturación seguido de una humectación por sobrepresión para medir la conductividad hidráulica.
- Evaporación de ese suelo.
- Optimización de fuerza bruta por medio de HYDRUS 2D y del lenguaje R para obtener los parámetros de curva de retención.
- Comparación de estos resultados con los obtenidos por medio de un método de referencia (cámaras de presión- TDR).
Conclusiones y resultados del objetivo I: 1.- Dentro de la capa arable de suelo, no se observó un efecto significativo del factor profundidad de suelo sobre los parámetros de la curva de retención.
2.- En condiciones de suelo consolidado, previo a las labores, se observó un efecto significativo del sistema de laboreo sobre las propiedades hidro-físicas del suelo. Comparado con los sistemas de laboreo CT y RT, NT presentó sobre el horizonte de suelo 1-10 cm de profundidad una mayor densidad aparente y un valor más alto del parámetro n de la curva de retención, pero una menor sorptividad y conductividad hidráulica a saturación y un menor valor del parámetro alfa.
3.- Las labores primarias, tanto en CT como RT, tuvieron un efecto significativo sobre las propiedades hidro-físicas de los horizontes alterados, produciendo: - una reducción significativa de la densidad aparente.
- un incremento significativo del parámetro ¿falta? alfa de la curva de retención.
- ningún efecto significativo sobre el parámetro n, si bien éste tendió a disminuir tras las labores.
- un aumento de la conductividad hidráulica y de la sorptividad a saturación tanto en la costra superficial como en el horizonte 1-10 cm del suelo.
4.- Las primeras precipitaciones efectivas (P > 10 mm) registradas tras las labores fueron el principal factor regulador de la formación de la costra superficial y de la reconsolidación del suelo recién labrado, siendo los ciclos de humectación y desecado del suelo los principales factores responsables de la recuperación de los valores previos a las labores de las propiedades hidráulicas.
5.- Tras las labores secundarias realizadas en CT y RT con grada de discos, se observó, en comparación con las labores primarias, una evolución diferente de las propiedades hidráulicas, que se tradujo en un aumento de alfa y en una disminución de n bajo CT. Bajo RT se observó un comportamiento opuesto, que podría deberse al exceso de rotura “triturado” de los agregados del suelo provocado por la grada de discos. De nuevo, las primeras precipitaciones efectivas registradas tras las labores secundarias fueron el principal responsable de la reconsolidación del suelo.
6.- En el año 2012, las pérdidas de agua por evaporación 24 h después de las labores fueron de 21.2 mm y de 24.4 mm para CT y RT, respectivamente. En el 2014 estas pérdidas se redujeron a 11 y 15 mm, respectivamente.
7.- La humedad del suelo al final del período de barbecho del año 2012 (primeros de noviembre) osciló entre un 20 % y un 30 %, siguiendo la tendencia NT > RT CT. En el 2014 (primeros de octubre), la humedad final fue del 16.77 % con la tendencia NT RT > CT. Esta diferencia puede deberse a la menor cantidad de lluvias efectivas registradas al final del período de barbecho observado en 2014.
8.- Al final de los periodos barbecho estudiados (2012 y 2014), no se observó un efecto apreciable del sistema de laboreo sobre el la eficiencia de uso de la precipitación (PSE), siendo las últimas lluvias efectivas registradas al final del periodo de barbecho el principal factor responsable de almacenar agua para el cultivo siguiente.
Conclusiones y resultados del objetivo II:
1.- Si bien el método de estimación de K y los parámetros alfa y n de la curva de retención a partir de la dinámica de los perfiles de humedad medidos por TDR y el uso del modelo HYDRUS 1D permitió medidas aceptables de la conductividad hidráulica a saturación, la sensibilidad del método fue insuficientemente para estimar de forma precisa los parámetros de curva de retención. Los resultados sugieren que el uso del perfil de humedad del suelo medido por TDR por sí solo no es suficiente para estimar con precisión los parámetros de la curva de retención del suelo. Posiblemente, el método hubiera funcionado si nuevos parámetros, tales como la tensión del suelo, hubieran sido incorporados en el análisis inverso. Estos resultados coinciden con los obtenidos en el Capítulo 5, en el cual se demuestra que un proceso de evaporación o un proceso de absorción capilar a saturación por sí solos no son suficientes para estimar de forma unívoca los parámetros de curva de retención.
2.- El método de estimación de parámetros de curva de retención a partir de la medida de un proceso de humectación por absorción capilar + sobrepresión + evaporación, combinado con el uso del modelo HYDRUS 2D, permitió estimaciones muy precisas de la conductividad hidráulicas y de los parámetros de la curva de retención, tanto en suelos teóricos como experimentales. La gran ventaja de este método, respecto a los ya existentes es su fácil implementación y la no necesidad del uso de tensiómetros. Otra ventaja del método es que al evaporar hasta humedades próximas a la humedad residual, el rango de tensiones aplicado es muy amplio, lo que facilita la estimación del parámetro n de curva de retención. Dado que el método sólo se ha probado en muestras de suelo tamizado, se requieren nuevos trabajos para comprobar que el método también funciona sobre muestras de suelo inalterado.
Entre las principales limitaciones del método, cabe resaltar:
- El método es muy sensible a los datos de humedad a saturación y humedad inicial de la fase de evaporación, por lo que estos parámetros deben ser medidos de forma precisa.
- Dependiendo de la temperatura a la que se evapora la muestra, la medida de la curva de evaporación acumulada puede durar varios días.
- Dado que este método permite estimar los parámetros de curva de retención de forma unívoca, el tiempo de cálculo se podría reducir empleando otras técnicas de optimización más rápidas que el método de fuerza bruta.
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