XX Congreso Latinoamericano y XVI Congreso Peruano de la

XX Congreso Latinoamericano y XVI Congreso Peruano
de la Ciencia del Suelo
“EDUCAR para PRESERVAR el suelo y conservar la vida en La Tierra”
Cusco – Perú, del 9 al 15 de Noviembre del 2014
Centro de Convenciones de la Municipalidad del Cusco
ANÁLISIS DE PRECIPITACIÓN Y HUMEDAD EDÁFICA EN BOSQUE DE
PINO-ENCINO, MEXICO.
Rosas R. D. M. *1,2; Gómez-Tagle Ch. A.2; Ávila O. J. A.2; Gómez-Tagle R. F. A.2.
1
Maestría en Geociencias y planificación del Territorio, Instituto de Ciencias de la Tierra, Universidad
Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, México.
2 Dpto. Ciencias de la Tierra, Instituto de Investigaciones sobre los Recursos Naturales,
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, México.
* Autor de contacto: Email: [email protected], Calle Antonio Plaza
374, Lomas de Santa María, Morelia,
Michoacán México. Teléfono (52-1) 4431835691
RESUMEN
Se analizaron las variaciones mensuales del contenido de agua en el suelo en función de las
precipitaciones en un bosque de pino-encino de una microcuenca instrumentada en Michoacán,
México. La precipitación fue medida con un pluviómetro automático y un pluviómetro totalizador; el
contenido de agua en el suelo fue medido con sondas FDR y TDR (PR2 y ML2x; Delta T) durante
14 meses (junio-2012 a agosto-2013) en 32 tubos de acceso con profundidad de 0.0 a 100.0 cm.
La precipitación total durante el periodo fue de 1,332.71 mm se registraron 161 eventos de
precipitación. La intensidad promedio en periodos de 10 minutos fue de 13.13 mm/h, en 30
minutos fue de 5.43 mm/h y la intensidad promedio de las precipitaciones fue de 0.93 mm/h.
Durante el periodo seco (octubre-mayo) las reservas de agua del suelo fueron en promedio de
281.70 mm, alcanzando un máximo de 488.00 mm en agosto y un mínimo de 160.7 mm en
febrero. El cambio del contenido de humedad del suelo en el periodo fue de 62.40 mm. La
infiltración profunda (> 1.0 m) correspondió al 13.87% del total de la precipitación. Los resultados
de humedad edáfica muestran la respuesta de humectación del suelo ante eventos de
precipitación, detallando cambios en porcentaje de humedad de un año a otro en función de la
precipitación, vegetación dominante y características del suelo.
PALABRAS CLAVES
Percolación; microcuenca instrumentada; variación espacio-temporal.
INTRODUCCIÓN
La variación espacial de humedad edáfica aporta información necesaria para conocer el
funcionamiento hidrológico en la superficie de suelo ya que esta influye directamente sobre
procesos fundamentales en el ecosistema como la fotosíntesis, la respiración y la absorción de
nutrientes (Band et al. 1993). La humedad es considerada como principal limitante de la
productividad de los bosques de acuerdo a Vertessy et al. (1996), en el ámbito forestal
desempeña un importante papel en la determinación de inflamabilidad de los bosques y el
régimen de incendios forestales (Miller y Urban, 2000). Influye sobre la erosión, la pedogénesis, la
geomorfología y la relación infiltración-escorrentía en respuesta a eventos de precipitación
(Grayson et al. 1997; Moore et al. 1998). Desde la investigación publicada por Vachaud et al.
1985 se ha despertado el interés por analizar la variación espacio-temporal del contenido de agua
en el suelo, por ello se han desarrollado distintas técnicas para su medición.
Existen varios métodos y técnicas para determinar la humedad del suelo, éstas pueden ser
directas o indirectas. Para determinar la humedad de manera directa, el método más sencillo es el
gravimétrico (Porta et al., 1999). Otros métodos directos comprenden el uso de sondas cuya
resistencia eléctrica cambia con el contenido de humedad, unos miden la reflectancia en el tiempo
(TDR) o la alteración de la frecuencia en el tiempo (FDR) (García et al., 2005). Los dos últimos
métodos permiten medir el contenido de agua del suelo con un esfuerzo de campo mínimo así
como obtener datos automatizados a intervalos de tiempo regulares. De manera indirecta, se han
empleado sensores remotos, restringidos para suelos desnudos como el radar (Islam, 1999).
Incluso existen satélites especializados como el SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity satellite)
lanzado en 2009 y cuyo componente básico es un instrumento de recuperación de microondas de
emisión de la biosfera, en la banda L (Panciera et al., 2008).
MATERIALES Y MÉTODOS
Zona de estudio
La microcuenca instrumentada se ubica al sur del municipio de Morelia capital del estado de
Michoacán, México. Aproximadamente a 18 km al SSO y con latitud de 19º 32´ 35.59” N, longitud
de 101º 14´ 20.5” O y altitud de 2,169 msnm. La microcuenca forma parte de la estación
ecohidrológica Alto-Fresno, al sur de la cuenca del Lago de Cuitzeo, y tiene una superficie de
11.77 ha. El clima es templado subhúmedo con lluvias en verano. La precipitación anual oscila
entre 810 y 967 mm, temperatura media anual de 17.5°C. Los suelos presentes en el área de
estudio son de tipo Acrisol órtico y Andosol crómico, y en menor porcentaje Luvisol; la mayoría
son suelos poligenéticos con un epipedón ándico y un endopedón lúvico (Gómez-Tagle, 2008).
Estos suelos están asentados sobre ignimbritas (Bigioggero et al. 2004). En general, son
derivados de ceniza volcánica, materiales piroclásticos, procesos coluviales y material
redistribuido por procesos erosivos. La vegetación predominante es de bosques de pino-encino
representa el 83.23% de la superficie de la microcuenca. Se puede observar una secuencia de
disturbios bien marcada compuesta por: bosques de Pinus-Quercus, cárcavas desnudas,
cárcavas en proceso de revegetación, matorrales y pastizales (Rodríguez, 2014).
Diseño experimental
Medición de la precipitación: La estación ecohidrologica cuenta con una estación meteorológica
equipada con un pluviómetro automático de balancín con precisión de 0.2 mm y con pluviómetros
totalizadores, en ellos se midió la precipitación incidente para el período junio-2012 a agosto-2013.
Los datos de precipitación fueron analizados por evento determinando su intensidad.
Medición de la humedad edáfica: Para determinar la variación temporal del contenido de agua del
suelo Δw se utilizaron sondas de humedad con funcionamiento TDR y FDR. Para medir la
humedad a una profundidad de 1.0 m se usó un perfilador FDR; con la sonda de humedad PR2
(DELTA-T, Inc.) se midió a 10, 20, 30, 40, 60 y 100 cm empleando tubos de acceso preinstalados. La humedad superficial fue medida con el ML2x (DELTA-T, Inc.) que proporciona un
valor integrado de humedad desde la superficie hasta los 10 cm de profundidad. Se instalaron 33
tubos de acceso de PVC delgado para la sonda PR2 distribuidos estratégicamente en la
microcuenca (Figura 1). Ambas sondas fueron calibradas contrastando valores registrados y
humedad volumétrica obtenida a partir de mediciones gravimétricas y valores de densidad
aparente, siguiendo el método especificado por el fabricante (Delta-T Devices Ltd, 2012). Las
mediciones de humedad se realizaron mensualmente.
Figura 1. Ubicación del área de estudio y localización de los puntos de medición de la humedad edáfica.
Calculo de la reserva de agua: Para realizar el cálculo de la reserva de agua en el suelo para cada
fecha de medición, el valor de humedad volumétrica para cada profundidad se multiplicó por la
profundidad representada por el valor. Posteriormente los valores para todas las profundidades de
un sitio se sumaron generando un valor de humedad edáfica, como lámina (mm) para el primer
metro del suelo. Los valores puntuales de los sitios de muestreo para cada fecha fueron
interpolados para el total de la microcuenca utilizando el SIG-GRASS v 6.4.4 (GRASS, 2012)
empleando un algoritmo de tensión. La descripción de la humedad edáfica se realizó empleando
el ambiente de programación estadística R v 3.1.1 y los procedimientos de los paquetes RGDAL,
SPGRASS6 descritos por Corbelle y Crecente (2009) y Bivand (2011). Los resultados de
humedad fueron analizados en relación con la precipitación, cubierta vegetal y usos del suelo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La precipitación total durante el periodo fue de 1,332.70 mm. Con base en los datos registrados
por la estación meteorológica se identificaron 161 eventos de precipitación entre el 1 de junio del
2012 y el 31 de agosto del 2013. La intensidad promedio en periodos de 10 minutos fue de 13.13
±13.63 mm/h, en 30 minutos fue de 5.43±5.84 mm/h y la intensidad promedio de las
precipitaciones durante el periodo fue de 0.83±1.14 mm/h. La precipitación máxima acumulada por
evento fue 75 mm se registró en el mes de julio de 2013, la media de lámina acumulada para
todos los eventos fue de 7.17±7.16 mm/h. El mayor número de eventos de precipitación (58.39%)
tuvo intensidades entre 0-10 mm/h a los 10 minutos, a los 30 minutos el mayor número de eventos
(84.34%) tuvieron intensidades entre 0-10 mm/h. De la misma manera, las mayores frecuencias
de las intensidades totales se encuentran entre 0-1.7 mm/h (Figura 2).
Figura 2. Frecuencias de los eventos de precipitación. I10: intensidad en los primeros 10 minutos; I30: intensidad en los
primeros 30 minutos del evento; It: intensidad promedio anual del evento (mm/h) y; LT: lamita total de los eventos.
Con los datos meteorológicos se realizó la serie de tiempo para la precipitación durante el periodo
de estudio, a continuación se muestra en la figura 3 la serie de precipitación con las fechas de
toma de datos de humedad edáfica marcados con líneas punteadas en color rojo.
Figura 3. Serie de precipitación en función de las fechas de medición de humedad
Variabilidad de la humedad del suelo
El análisis de la estabilidad temporal de la humedad del suelo (Vachaud et al., 1985) nos permite
definir la persistencia de un modelo de comportamiento de cada perfil de medición respecto al
resto de los perfiles estudiados a lo largo del tiempo. Se realizó un análisis de humedad en cada
perfil para cada profundidad encontrando una tendencia ya que el suelo se seca
considerablemente durante abril y mayo (0-20 cm) alcanzando una humedad entre 10% y 15%,
esto puede deberse a la demanda de agua de las plantas (Porta et al., 1999) y que el sitio
presenta vegetación arbórea abundante. En la figura 4 se muestra un ejemplo del perfil de
humedad en el tubo de acceso número 3 localizado al SO de la microcuenca en donde se aprecia
el cambio en el porcentaje de humedad de un año a otro. Lo anterior coincide con lo reportado por
Martínez et al. (2007) en parcelas agrícolas y bosques de pino.
Figura 4. Porcentaje de humedad volumétrica en el sitio 3.
Variabilidad a escala de microcuenca
La Figura 5 muestra mapas de la microcuenca sobre el que se superponen valores de la
estabilidad temporal calculada siguiendo la metodología propuesta por Pachepsky et al. (2005)
empleando los datos de las sondas integrados para todas las profundidades. En las imágenes
además se representa el valor absoluto en mm. El 83.23% de la superficie de la cuenca esta
cubierta por bosque de pino-encino, en la zona baja la porción con menor humedad edáfica está
ubicada en la zona SE en donde el uso del suelo corresponde a una parcela abandonada donde
se han modificado las propiedades hidrofísicas del suelo ligadas a su uso como resultado de los
factores antrópicos y éstos afectan a las capas superficiales (Zimmermann, et al. (2006). por lo
que se aprecia una relación directa entre el contenido de agua en el suelo, la cubierta vegetal y el
uso del suelo.
Figura 5. Mapas 3D de humedad del suelo para la microcuenca C1 de la estación ecohidrológica Alto Fresno.
Febrero corresponde al mes más seco de la serie y agosto el más húmedo.
La humedad registrada en junio-2012, mes en que inició la adquisición de datos, fue de 318.50
mm, más húmedo que junio-2013 en el cual se registraron 290.40 mm. Durante el periodo seco
que corresponde a octubre-mayo, las reservas de agua del suelo fueron en promedio de 281.70
mm, alcanzaron un máximo de 488.00 mm en agosto y un mínimo de 160.70 mm en febrero. La
percolación se estimó en 184.89 mm/año que corresponde al 13.87% de la precipitación total
anual (1,332.71 mm). De acuerdo al cálculo de la reserva de agua en el suelo se estimó que se
tiene una percolación de 0.426 mm/día equivalente a 0.018 mm/h. El coeficiente de variación
aumenta con el incremento de precipitación, esto concuerda con lo expuesto por Famiglietti et al.
(2008) ya que en los periodos secos la desviación estándar no muestra una tendencia clara y con
el aumento de la humedad del suelo incrementa también la desviación estándar.
CONCLUSIONES
En el área de estudio es evidente la influencia de las características fisiográficas, la topografía, la
cubierta vegetal y uso del suelo sobre la dinámica de la humedad edáfica. Cerca del cauce
principal se tienen contenidos de humedad más altos que en las partes cercanas al parteaguas de
la microcuenca. La mayor parte de la zona se caracteriza por un relieve de poca variación
altitudinal, el aporte de humedad proviene de los sectores más altos y se conserva en los más
bajos durante todo el año gracias a la gravedad, con excepción de la zona donde se localiza la
parcela abandonada donde el uso del suelo puede marcar la diferencia en el porcentaje de
humedad e infiltración. La metodología para la determinación de la reserva de agua en el suelo se
presenta como una herramienta de gran utilidad para la determinación de la variación de volumen
de agua almacenado en la microcuenca.
AGRADECIMIENTOS
Un agradecimiento a CONACyT por la beca de maestría numero 491629. Así como a los
proyectos; CIC-UMSNH 2012-2013 “Caracterización detallada del funcionamiento ecohidrológica
para la captación hídrica, en una microcuenca de Cuitzeo, Mich.” y CIC-UMSNH 2013-2014
“Cartografía de permeabilidad edáfica empleando métodos geoestadísticos a escala de cuenca”
por el financiamiento parcial. También un agradecimiento muy especial a los compañeros de
laboratorio (Carolina Ruiz Díaz, Diana Ramírez Mejía, Isabel Santiago Bedolla, Javier Rodríguez
Rodríguez, Leiz Ponce Díaz, Norma Onchi Ramuco, Edgar Mora Damián, Rafael Morales Chávez
y Zareth Tinoco Murillo) por todo el apoyo brindado en la instalación del equipo, toma de datos y
análisis de laboratorio.
BIBLIOGRAFÍA
Band, L. Patterson, P. Nemani, R. and Running, S.1993. Forest ecosystem processes at the watershed scale:
incorporating hillslope hydrology. Agriculture and Forest Meteorology 63: 93–126.
Bigioggero, B., Corona., Ch., P., Garduño M., V.H., Carrara, E., Lanza, L. 2004. La “Piedra de Cantera” de Morelia
desarrollo entre la tradición y la cultura: un acercamiento geológico y una alternativa. Universidad Michoacana de San
Nicolás de Hidalgo, Morelia, Mich. México, pp. 14–42
Bivand, R. S. (2011). Geocomputation and open source software: components and software stacks.
Corbelle Rico, E. y Crecente M, R. 2009. Métodos para la clasificación automática de fotografías aéreas históricas en
blanco y negro. GeoFocus 9: 1578-5157 p. 270-289.
Famiglietti, J. S. Ryu, D. Berg, A. A., Rodell, M. y Jackson, T.J. 2008. Field observations of soil moisture variability
across scales. Water Resour.
García, I. Jiménez, J. A., Muriel, J. L., Perea, F., & Vanderlinden, K. 2005. Evaluación de sondas de capacitancia para el
seguimiento de la humedad de un suelo arcilloso bajo distintas condiciones y tipos de manejo. Estudios de la
zona no saturada del Suelo, 7.
Gómez-Tagle, A. C. 2008. Variabilidad de las Propiedades Edáficas Relacionadas con la Infiltración y Conductividad
Hidráulica Superficial en la Cuenca de Cuitzeo., INIRENA, Tesis Doctoral de la Universidad Michoacana de San
Nicolás de Hidalgo, Morelia, Mich. México, 164 pp.
Grayson, R. B., Western A.W., Chiew F.H.S. and Bloschl G. 1997. Preferred states in spatial soil moisture patterns.
Local and nonlocal controls. Water Resources Research 33: 2897–2908.
Martínez- F., J., Cano, A., Hernández, S., V., & Morán, C. 2007. Evolución de la humedad del suelo bajo diferentes tipos
de cubierta vegetal en la cuenca del Duero. Agricultura, 1968:1974.
Miller, C. and Urban D. L. 2000. Forest pattern, fire, and climatic change in the Sierra Nevada. Ecosystems 2: 76–87.
Moore I., Grayson, R. and Ladson A. 1991. Digital terrain modelling review of hydrological, geomorphological and
biological applications. Hydrological Processes, 5:3-30.
Pachepsky, Y.A., Guber, A.K., y Jacques, D. 2005. Temporal persistence in vertical distributions of soil moisture
contents. Soil Sci. Soc. Am. J. 69, 347–352.
Panciera, R., Walker, J., Kalma, J., Kim, E., Saleh, K., Wigneron, J. 2008. Evaluation of the SMOS L-MEB passive
microwave soil moisture retrieval algorithm. Remote Sensing of Environment. Pp 435-444.
Porta, J., López A., M., Roquero, C., 1999. Edafología para la agricultura y el medio ambiente, 2nd ed. Mundi-Prensa,
Bilbao, España.
Rodríguez, R., J. 2014. Procesos y factores del flujo de infiltración edáfica en una disturbosecuencia de bosque de pinoencino del sur de la cuenca de Cuitzeo, Michoacán. Tesis de Maestría. Universidad Michoacana de San
Nicolás de Hidalgo. Morelia, Michoacán, México. 83 p.
Vachaud, G., A. Passerat de Silans, P. Balabanis, y M. Vauclin. 1985. Temporal stability of spatially measured soil water
probability density function. Soil. Sci. Soc. Am. J. 49:822-828.Vertessy, R. A., Hatton T. J., Benyon R. G. and
Dawes W.R. 1996. Long-term growth and water balance predictions for a mountain ash _Eucalyptus regnans
forest catchment subject to clear-felling and regeneration. Tree Physiology 16: 221–232
Zimmermann, B., Elsenbeer, H., Moraes, J.M.D., 2006. The influence of land-use changes on soil hydraulic properties:
Implications for runoff generation. Forest Ecology and Management 222, 29–38.