Variabilidad climática de los componentes del balance hídrico

Ciencias Agronómicas
Artículo Original / Recibido 15/11/2011 - Aceptado 21/08/2012
R E V I S TA D E I N V E S T I G A C I O N E S D E L A FA C U LTA D D E C I E N C I A S A G RA R I A S - U N R
Variabilidad climática de los componentes
del balance hídrico seriado en el sur de Santa Fe
Climatic variability of serial hydrological balance components in south of Santa Fe
CORONEL, Alejandra; SACCHI, Oscar; COSTANZO, Marta
Cátedra Climatología Agrícola
Facultad de Ciencias Agrarias.
Universidad Nacional de Rosario.
CC. Nº 14 (S2125ZAA). Zavalla. Santa Fe. Argentina
[email protected]
Resumen
Abstract
Uno de los principales aspectos a considerar en regiones
agrícolas es la disponibilidad hídrica, siendo el balance hídrico
seriado el método que permite obtener una aproximación de las
mismas.
El objetivo del trabajo es analizar la variabilidad climática de los
parámetros de entrada del balance hídrico seriado: precipitación
y evapotranspiración potencial, como de sus variables
derivadas: déficit, exceso, agua retenida en el suelo y
evapotranspiración real. La información mensual analizada
corresponde a la estación de Zavalla (33º01´S, 60º53´O),
período 1973 a 2007, y comprende las siguientes variables:
precipitación, temperatura máxima, temperatura mínima,
heliofanía efectiva, velocidad de viento y humedad relativa.
La evapotranspiración potencial mensual se calcula mediante el
método de FAO Penman-Monteith y el balance hídrico seriado
corresponde al método de Palmer en el cual el suelo se divide en
dos capas, una superior con una capacidad de retención de 25
mm y una profunda con capacidad de 225 mm.
El balance seriado permitió establecer que el período del año con
mayor frecuencia de deficiencias hídricas corresponde a agostofebrero, y entre noviembre y enero ocurren las de mayor
intensidad. A su vez las situaciones de excesos hídricos, si bien se
pueden presentar durante todo el año, tienen mayor frecuencia
durante el período marzo a junio, siendo este el período de
recarga del suelo.
Al considerar el sistema atmósfera-suelo-planta, las tendencias
significativas de las variables atmosféricas de entrada del
balance no se reflejan en las variables de salida en la misma
magnitud dada la complejidad de las relaciones de dicho
sistema.
One of the key aspects to consider in agricultural regions is
water availability and serial water balance (BHS) provides an
approximation of that.
The aim of this work is to analyze the climatic variability of the
input parameters of the BHS: precipitation and potential
evapotranspiration, and their derivatives: deficit, excess, stored
water and real evapotranspiration. The monthly information for
the period 1973 to 2007 at the Zavalla agro-meteorological
station (33 º 01'S, 60 º 53'O) was analyzed and it includes the
following variables: precipitation, maximum temperature,
minimum temperature, effective insolation, wind speed and
relative humidity. The monthly EP is calculated using the FAO
Penman-Monteith method and BHS is obtained using the model
in which the soil is divided into two layers, one with a higher
retention capacity of 25 mm and a deep one with a capacity of
225 mm.
The balance showed that the period of the year with the highest
deficit frequency corresponds to August-February, the most
intense deficits occurring between November and January. On
the other hand, the situations of excess can occur throughout the
year, but they are more frequent between March and June, the
soil recharge period.
When considering the atmosphere-soil-plant system, the
significant trends of atmospheric input variables are not
reflected in the balance output variables in the same magnitude,
due to the complexity of the system relationships.
Key words:
climatic change, water balance, trends
Palabras clave:
balance de agua, tendencias, cambio climático
Introducción
Las regiones de gran desarrollo agrícola deben prestar especial
importancia al estudio del clima y del tiempo puesto que
condicionan la producción agropecuaria. En lo referente al
crecimiento y producción de cultivos, uno de los principales
aspectos a considerar son las disponibilidades hídricas. El
balance hídrico climático (BHC) (Thornthwaite & Mather 1957)
y el balance hídrico seriado (BHS) según Pascale & Damario
(1977) dan una aproximación de las disponibilidades de agua en
un lugar o región. El balance hídrico es una metodología que
cuantifica las entradas y salidas del sistema suelo-cultivoambiente, tomando como datos la precipitación (PP) y la
evapotranspiración potencial (EP) locales, teniendo en cuenta
además la capacidad de almacenaje del suelo. Como resultado se
obtienen la época y la magnitud de deficiencias (DEF) y excesos
(EXC) hídricos.
En el BHC la información de entrada son las PP medias
mensuales y las EP medias mensuales de la serie histórica de
datos disponibles, obteniéndose un único balance,
representativo del estado medio del lugar. En el caso del BHS se
calculan con todos los años de datos balances para cada año, por
lo que se obtienen tantos balances meteorológicos como años de
información se dispongan. Esto posibilita tener diferentes
situaciones de deficiencias y excesos, permitiendo establecer
frecuencias y probabilidades de ocurrencia.
Las series de EXC y DEF son las de mayor interés por ser los
componentes más utilizados para caracterizar el balance de agua
en el suelo a nivel regional. En consecuencia, conocer su
variabilidad interanual como su tendencia a largo plazo
contribuye a resolver aspectos agronómicos, tales como la
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Variabilidad climática de los componentes del balance hídrico seriado en el sur de Santa Fe
planificación de labores culturales, manejo del suelo, régimen de
sequías y excesos de agua, oportunidad de uso de equipos y
maquinaria específica, etc. (Asborno & Somoza, 1999).
Asborno & Somoza (1999) y Asborno et al. (2007) detectaron a
partir de la metodología del BHS variaciones particulares o
ciclos en la distribución de los excesos de agua en el suelo en la
zona de influencia de la Estación Experimental Central de la
Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales de La Plata.
al. 1987), y junto con el aumento de la temperatura (Rusticucci &
Barrucand, 2004) es esperable que hayan acontecido cambios
significativos en las condiciones hídricas del suelo, ya sea en su
almacenaje como en sus excesos y deficiencias.
El objetivo del trabajo es conocer la variabilidad temporal de los
diferentes componentes del balance hídrico seriado, como así
también la tendencia lineal a largo plazo de algunas de sus
variables, en el sur de la provincia de Santa Fe.
Como consecuencia del calentamiento global se ha producido en
la región pampeana un aumento de la precipitación (Hoffmann et
Materiales y Métodos
Este estudio se realizó en el Campo Experimental Villarino,
Zavalla, Provincia de Santa Fe (33º01” S, 60º53” O). La región
se caracteriza por tener un clima húmedo a subhúmedo
mesotermal. Presenta precipitaciones anuales que varían entre
678 mm y 1338 mm, con un régimen pluviométrico semimonzónico cuya secuencia de mayor a menor lluvia es veranoprimavera-otoño-invierno. Se observa además una gran
variabilidad interanual en todas las estaciones del año,
principalmente en invierno (Sacchi et al., 2002). En cuanto a las
temperaturas medias las mismas oscilan entre 10 y 25ºC en
invierno y verano, respectivamente.
El suelo es un Argiudol vértico Serie Roldán, profundo,
moderadamente bien drenado, desarrollado sobre sedimento
loéssico, con un horizonte superficial franco limoso de 20 cm de
profundidad. Por debajo presenta un horizonte de transición
franco arcillo limoso, seguido por un horizonte Bt de textura
arcillosa, que se inicia a los 40 cm y se extiende hasta los 140 cm.
La información mensual analizada corresponde a la estación
agrometeorológica de Zavalla (33º01´S, 60º53´O), del período
1973 a 2007 y comprende las siguientes variables: precipitación,
temperatura máxima, temperatura mínima, heliofanía efectiva,
velocidad de viento y humedad relativa.
La EP mensual se calcula mediante el método de FAO PenmanMonteith (Allen et al. 1994, 2006). Existen diferentes métodos
para el cálculo del BHS (Palmer 1965, Pascale & Damario
1977), que difieren entre sí de acuerdo a que algunos fraccionan
en varias capas al suelo y otros que toman el suelo como un perfil
continuo. El BHS utilizado corresponde a un modelo planteado
por Palmer (1965) en el que el suelo se divide en dos capas, una
superior con una capacidad de retención de 25 mm. y una
profunda con capacidad de 225 mm, de manera que se elige una
capacidad de campo de 250 mm para el primer metro de suelo de
acuerdo a las características texturales del mismo (Busso &
Ausilio 1989).
A partir de los valores encontrados con el cálculo de balance
hídrico se computaron las frecuencias porcentuales mensuales
de las situaciones de EXC, DEF y equilibrio (EQ).
Para cada mes, se ordenaron las situaciones hídricas de menor a
mayor, considerando como negativas a las DEF, positivas a los
EXC y por último “0” a las situaciones de EQ. Luego se
determinaron las situaciones hídricas esperadas con las
siguientes probabilidades de ocurrencia: 25, 50 y 75 %.
Para la variable agua retenida en el suelo o almacenaje (AR) se
determinaron los cuartiles para cada mes del año, y las
distribuciones de frecuencias porcentuales para valores de AR
por arriba de 125 mm y por debajo de este valor. El valor de 125
mm corresponde al 50% del máximo de AR, y en términos
generales, ante situaciones hídricas con AR menores a este valor
los cultivos sufrirán estrés que condicionarán su rendimiento
final.
Para cada mes, estación del año y a nivel anual se analiza la
significancia estadística de las tendencias lineales de las
variables PP, EP y evapotranspiración real (ER), mediante un test
t de Student al 5%.
Resultados y Discusión
El análisis del comportamiento de las variables derivadas del
BHS, muestra que teniendo en cuenta los valores medios de AR
(Figura 1), entre los meses de enero y abril esta variable se
incrementa debido a la estación lluviosa, manteniéndose con
poca variación entre mayo y junio, y disminuyendo durante el
resto de los meses invernales (julio y agosto). Este último
comportamiento se debe a la disminución de las precipitaciones,
cuyo efecto sobre AR es mayor que la reducción de la EP. La
disminución de AR continúa hasta enero, con la excepción de un
leve aumento en octubre congruente con un aumento de la PP.
Durante este período el incremento de la EP supera el aporte de
las PP causando una disminución de AR.
(25%), durante el período de noviembre a marzo ocurren las
situaciones de AR de menor magnitud, inferiores a 49 mm, con
una probabilidad de ocurrencia en uno de cada cuatro años.
Cabe destacar que los valores del primer cuartil para cada mes
del año son inferiores a 125 mm, por lo cual existe una
probabilidad mayor al 25% de ocurrencia de estrés hídrico en
todos los meses del año. Al analizar el segundo cuartil (50%) se
observa que sus valores están por debajo de 125 mm de
noviembre a febrero, lo cual muestra que durante este período la
ocurrencia de situaciones de estrés supera a la mitad de los años
analizados. Por el contrario, al tener en cuenta los valores del
tercer cuartil (75%) el período de marzo a agosto presenta la
probabilidad de que ocurran AR mayores a 200 mm en un año de
cada cuatro.
A partir de la distribución de cuartiles de AR para cada mes
(Figura 2), se observa que teniendo en cuenta el primer cuartil
Las distribuciones de frecuencias porcentuales de los valores de
EXC, DEF y EQ se presentan en la Figura 3 y la magnitud de los
Análisis del Balance Hídrico Seriado
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Figura 1: Valores medios mensuales del agua retenida en el suelo para el
período 1973-2007 en Zavalla
Figura 2: Cuartiles, máximos y mínimos mensuales de AR para el
período 1973-2007 en Zavalla
170
275
225
175
AR (mm)
AR (mm)
150
130
125
75
110
25
90
E
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
-25
meses
E
F
M
A
MIN
100
DEFICIENCIAS
EXCESOS
EQUILIBRIO
90
150
80
100
70
60
50
40
30
J
J
A
meses
0,5
0,25
S
75
O
N
D
MÁX
Figura 4: Valores de EXC máximos y DEF mínimos para cada mes para
el período 1973-2007 en Zavalla
EXC y DEF (mm)
FRECUENCIAS PORCENTUALES (%)
Figura 3: Distribución mensual de las frecuencias porcentuales de DEF,
EXC y EQ para el período 1973-2007 en Zavalla
M
50
0
-50
-100
20
-150
10
-200
0
E
F
M
A
M
J
J
meses
A
S
O
N
E
D
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
meses
Figura 5: Cuartiles (25%, 50% y 75%) para cada mes de las situaciones
hídricas para el período 1973-2007 en Zavalla
Figura 6: Valores de las pendientes de las rectas de tendencia lineal de
las variables PP, EP y ER para cada mes. Las flechas indican que las
tendencias de esos meses son significativas al 5%.
10
2,2
1,4
1
-10
mm/año
SITUACION HIDRICA (mm)
1,8
0
-20
-30
0,6
0,2
-0,2
-0,6
-40
-1
-1,4
-50
-1,8
-2,2
-60
E
F
M
A
M
0,75
J
J
meses
0,5
A
S
O
N
D
E
F
M
A
0,25
máximos y mínimos hídricos correspondientes a las primeras
dos variables en la Figura 4.
En todos los meses las frecuencias de las situaciones hídricas de
DEF superan a las frecuencias de las situaciones de EXC, y solo
en el mes de abril ambas variables se igualan, si bien en este mes
las mayores frecuencias corresponden a situaciones hídricas de
EQ, al igual que en el mes de marzo.
M
J
PP
meses
EP
J
A
S
O
N
D
ER
El período entre agosto y febrero es el que presenta mayor
frecuencia de DEF (mayores al 65%). Cabe destacar que en el
mes de octubre esta variable sufre un descenso llegando al 53%
de los casos. Si se observa la magnitud de las DEF, las mayores a
100 mm acontecen durante el período noviembre a enero, en dos
oportunidades en diciembre y enero y sólo en un año en
noviembre.
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Variabilidad climática de los componentes del balance hídrico seriado en el sur de Santa Fe
De este modo los cultivos primavero-estivales estarían
expuestos a situaciones desfavorables en cuanto a la
disponibilidad hídrica lo cual podría afectar la calidad y
rendimiento de los mismos. Si bien para definir esta
consecuencia es importante no solo la ocurrencia de deficiencia
sino también su magnitud.
Esta característica de las deficiencias también influye sobre los
cultivos de invierno afectando su período crítico y por lo tanto
sus rendimientos finales.
Las situaciones de EXC, si bien se pueden presentar durante todo
el año, tienen mayor frecuencia durante el período marzo a junio,
y nuevamente en octubre. Esto muestra que marzo a junio es el
período de recarga del suelo, principalmente marzo y abril ya que
la mayor frecuencia de excesos se establece en mayo. Esta
recarga es fundamental para los cultivos de invierno ya que de
ello depende su rendimiento final frente a las situaciones de
deficiencias hídricas que pueden afrontar durante sus períodos
críticos.
En particular los excesos superiores a 100 mm ocurren durante
los meses de marzo a mayo y de octubre a noviembre. Es de
destacar que estos valores de EXC ocurren para cada mes
mencionado solo en un año del total de los 35 años analizados.
Por último las situaciones de equilibrio acontecen en mayor
frecuencia durante marzo a julio.
Las situaciones hídricas mensuales esperadas en el 25, 50 y 75%
de los casos, se presentan en la Figura 5, a través de los valores de
los cuartiles. El análisis del primer cuartil (25%) para cada mes
permite observar que existen DEF en todos ellos, con la
excepción del mes de abril. Estas DEF presentan sus mayores
magnitudes de noviembre a enero. Otra forma de expresar estos
resultados es que en uno de cada cuatro años es esperable que
ocurran DEF en cualquier mes del año, pero las más intensas, por
debajo de -40 mm, entre los meses de noviembre y enero.
En el segundo cuartil (50%) se evidencia la existencia de DEF
entre agosto y febrero y situaciones de EQ durante el resto de los
meses. O sea que en dos de cada cuatro años podrían ocurrir DEF
inferiores a -2 mm durante el periodo de agosto a febrero.
Al analizar el tercer cuartil (75%) sólo permanece la
probabilidad de DEF en febrero (<-2 mm) y septiembre (<-2
mm), y en mayo se establece la ocurrencia de EXC (>4 mm). El
resto de los meses se registran condiciones de EQ.
Comportamiento a largo plazo y tendencias lineales de las
variables del BHS
En primer lugar se presentan los resultados del estudio de las
variables de entrada del BHS: PP y EP.
El análisis de la significancia de las tendencias lineales a través
del test t de Student para la zona de estudio, detecta que las PP en
la localidad de Zavalla muestran una disminución significativa
al 5% en septiembre (-1,7 mm/año) y un aumento significativo
en el otoño (4,1 mm/año) (Figura 6), entre 1973 y 2007.
La EP evidencia disminuciones significativas durante enero,
febrero, abril, mayo, junio, verano, otoño, invierno, y
anualmente, que varían entre -0,3 mm/año (mayo) hasta -2,7
mm/año (a nivel anual). Esta menor demanda de la atmósfera se
debe a un aumento significativo de la humedad relativa y a una
disminución importante de la velocidad del viento (Bisaro et al.,
2007). Es destacable que si bien la temperatura media del aire
muestra tendencias significativas crecientes, la EP ha
disminuido durante el período analizado, mostrando la
importancia de las condiciones locales de humedad que afectan
a la zona bajo estudio. Dado que FAO recomienda el método
utilizado en este trabajo cómo método de cálculo de la EP (Allen
et al., 1994) se debe destacar que al incorporar todas las
variables que afectan a la EP los resultados encontrados difieren
de aquellos que se obtienen si se utiliza el método de
Thornthwaite, puesto que este último solo toma la temperatura
media. Al correr los modelos climáticos de circulación general
desarrollados por el IPCC (2007) para determinar los escenarios
climáticos futuros se obtienen las distribuciones de las
precipitaciones y de las temperaturas en el mundo y en particular
en la Argentina (Nuñez, 2006) para los años 2050 y 2080. Para
estos escenarios la región estudiada podría manifestar un
aumento de la temperatura que podría llegar hasta los 3ºC
conjuntamente con un aumento de la precipitación. De este
modo la EP calculada simplemente a través de la temperatura
media arrojaría un aumento de sus valores, pero es importante
señalar que en estos estudios no se tienen en cuenta la humedad
ni el viento que como se menciona en este trabajo han
condicionado el comportamiento de la EP en los últimos 35
años.
En las variables derivadas del BHS no se pueden determinar las
tendencias lineales a largo plazo debido a que en el caso de DEF,
EXC y EQ a nivel mensual son series de datos mutuamente
excluyentes, y en el caso de AR por tener fijos los límites inferior
y superior. Sólo se determinan las tendencias lineales de DEF y
EXC a nivel anual, resultando no significativas en ambos casos.
Es de destacar que en los últimos 10 años de información AR
mensual toma valores menores al primer cuartil solo en el 20%
de los casos y nunca llegan al mínimo absoluto, los DEF
muestran en el 60% de los casos valores inferiores a la mediana
y ocurren los máximos valores de EXC anuales durante los años
2000-2002.
Por último, la ER evidencia tendencias negativas significativas
en mayo (-0.20 mm/año) y junio (-0.24 mm/año) (Figura 6).
Conclusiones
La metodología de BHS permitió establecer para la localidad de
Zavalla que el período del año con mayor frecuencia de
deficiencias hídricas corresponde a agosto-febrero, afectando
esta característica la calidad y rendimiento de los cultivos
primavero-estivales y el período crítico de los cultivos
invernales. A su vez el período de recarga del suelo se establece
entre marzo a junio. Esta recarga es fundamental para los
cultivos de invierno ya que de ello depende su rendimiento final
frente a las situaciones de deficiencias hídricas que pueden
afrontar durante sus períodos críticos.
-10-
Los cambios significativos a largo plazo, debidos al
calentamiento global, encontrados en las variables atmosféricas
de entrada del BHS no se reflejan en las variables de salida en la
misma magnitud, dado la complejidad de las interrelaciones al
considerar el sistema atmósfera-suelo-planta. Sin embargo
algunos resultados indican su relación con el calentamiento
global y con el aumento de humedad y precipitación que ha
experimentado la región pampeana, principalmente en cuanto a
los excesos y al agua retenida en el suelo.
Ciencias Agronómicas - Revista XIX - Año 12 - 2012 / 007 - 011
Ciencias Agronómicas
CORONEL, Alejandra; SACCHI, Oscar; COSTANZO, Marta
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