Introducción

Las primeras etapas de establecimiento de cultivos de aguacate en el estado de Michoacán fueron sobre zonas de agricultura de temporal y en menor medida sobre forestal (^{Burgos et al., 2012}); sin embargo, durante los últimos 15 años la conversión de áreas forestales a cultivos de aguacate ha ido acelerándose significativamente, atribuido principalmente a la rentabilidad de este (^{Chávez et al., 2012}).

Específicamente, la vegetación y el suelo son dos aspectos estructurales sensibles ante los cambios o disturbios en los ecosistemas, usualmente el ciclo hidrológico es uno de los principales procesos afectados lo cual provoca cambios en la disponibilidad de agua del ecosistema (^{Galicia, 2014}). De acuerdo con ^{Regüés et al. (2012}), los cambios de uso de suelo provocan principalmente cambios a corto plazo en las variables hidrológicas del recurso suelo. La infiltración del agua en el suelo juega un papel fundamental en el ciclo hidrológico. Dependiendo de las condiciones geológicas y ecológicas, puede permanecer en el suelo en forma de humedad, escurrir como flujo subsuperficial y aflorar como una naciente efímera; o recargar el acuífero, entre otros (^{Batres y Barahona, 2016}).

En el control de la tasa y capacidad de infiltración desempeñan un papel importante la textura y estructura del suelo, los tipos de vegetación, el contenido de agua del suelo, la temperatura del suelo y la intensidad de precipitación (^{Rivera y Dallatorre, 2018}). En México el empleo de modelos matemáticos para determinar la tasa de infiltración ha sido muy poco estudiado, la mayoría han tenido éxito, dependiendo del tipo de modelo y características de suelo a evaluar (^{Green y Ampt, 1911}; ^{Singh et al., 2018}). ^{Mishra et al. (2003}) indican que para la predicción de la infiltración se han creado distintas ecuaciones, las cuales, se pueden clasificar en tres tipos de modelos 1) físicos, se deducen de la ley de conservación de masas y la ley de Darcy; 2) semiempíricos; consisten en hipótesis simples sobre la tasa de infiltración y la relación de infiltración; y 3) empíricos, se basan en datos de campo y experimentos de laboratorio.

Siendo estos últimos los considerados para la modelación de infiltración sobre el suelo tipo Andosol. El objetivo del presente estudio fue predecir el proceso de infiltración a partir de datos obtenidos en campo con la metodología del infiltrómetro de doble anillo, en cuatro áreas bajo dos usos de suelo: un área con vocación forestal y dos cultivos agrícolas bajo dos tipos de manejo en un suelo tipo Andosol en Uruapan, Michoacán. Con base en los datos observados se procedió a evaluar y comparar la bondad de ajuste de tres modelos empíricos para la estimación de la infiltración (Horton, Kostiakov y Mezencev), mediante indicadores estadísticos.

Materiales y métodos

Resultados y discusión

Infiltración en campo

De acuerdo con el Anova entre usos de suelo, se presentaron diferencias significativas (p≤ 0.05) para las variables Fi, Ff, Fb y Fac con un nivel de significancia de 0.003, 0.000112, 0.000138 y 0.001, respectivamente. Las variables fueron analizadas por una prueba de Tukey (p≤ 0.05) para describir su comportamiento, donde aguacate convencional mostró una disminución de 67, 71, 71 y 68% en la infiltración inicial, final, básica y acumulada, respecto al uso forestal que presentó los valores más altos de las variables hidrológicos evaluados (Cuadro 3).

Los resultados presentan variaciones significativas entre los distintos usos de suelo, particularmente se observan descensos de infiltración del uso agrícola respecto al forestal, ^{Florez et al. (2009}) encontraron tendencias similares evaluando el comportamiento de la infiltración bajo sistemas agrícolas, pecuarios y vegetación nativa, definiendo que los cambios de uso de suelo afectan a corto plazo a las variables físicas e hidrológicas del recurso suelo.

De acuerdo con los resultados el uso de agrícola con manejo convencional presentó los valores más bajos de infiltración (Cuadro 3), pudiendo ser atribuido al empleo de las distintas practicas mecanizadas (podas de saneamiento, colecta de fruta y fertilizaciones mecanizadas), las cuales aumentan la densidad aparente en la parte superficial del suelo reduciendo el tamaño de poros y con ello provocando efectos en la infiltración, y otros procesos como pérdidas de suelo por escorrentía (^{Bravo-Espinoza et al., 2014}).

Los resultados de la infiltración inicial de la presente investigación son similares a los obtenidos por ^{García-Hernández et al. (2008}), quienes encontraron tasas de infiltración en bosque de pino y bosque encino de 1920 y 1320 mm h^-1, respectivamente, en la Sierra Gorda de Querétaro, señalando que la velocidad con la que el agua es infiltrada en el suelo varía de acuerdo a las condiciones del suelo y cubierta vegetal, por lo que cambios de uso de suelo pueden tener un impacto más significativo en variables relacionadas con la infiltración como densidad aparente, porosidad, textura, entre otras. En este sentido ^{Zemke et al. (2019}) evaluaron áreas no perturbadas y perturbadas de bosque de pino y encontraron valores de infiltración de 2 622 y 935 mm h^-1, respectivamente, dichas reducciones las atribuyen principalmente a incrementos en la variable de densidad aparente y modificación de la cubierta del suelo.

La cobertura del suelo disminuye la velocidad de escorrentía y afecta directamente la infiltración y el tiempo de escurrimiento superficial (^{Panachuki et al., 2011}). ^{De Almeida et al. (2018}) señalan que la infiltración depende directamente del uso de suelo, encontrando que las actividades de labranza tienen un mayor efecto. Específicamente, la infiltración tiende a ser menor en áreas bajo suelo desnudo que en áreas bajo sistemas de conservación, coincidiendo con las tasas de infiltración del uso convencional donde la cobertura del suelo es más baja que en los otros usos agrícolas y el área forestal.

En el Cuadro 4 se aprecian los valores descriptivos del proceso de infiltración evaluado para cada una de las parcelas. En general el orden de las variables hidrológicas (Fi, Ff, Fb y Fac) para los diferentes usos del suelo fue el siguiente: forestal >macadamia >a. orgánico >a. convencional.

^{Tomé et al. (2015}), evaluaron la influencia del cambio de uso de suelo en Andosoles en Tenerife, Islas Canarias, donde compararon con la vegetación natural, encontrando Fb muy altas fluctuando de 123 a 725 mm h^-1. En el caso de las áreas con coberturas modificadas disminuyen la Fb de 98 a 91 mm h^-1, estos valores a diferencia de los aquí presentados difieren ampliamente en unidades, pero presenta la misma de tendencia de disminución al modificar la vegetación natural y por ende las variables edáficas importantes en procesos hidrológicos como densidad aparente, porosidad y permeabilidad.

La infiltración disminuye conforme pasa el tiempo, durante los primeros minutos la infiltración es rápida, en el minuto 90 comienza a reducirse, donde se aprecia la mayor estabilidad; sin embargo, es notable que el decremento de esta sigue activo en rangos menores, esto puede asociarse al período de la toma de lecturas (Figura 1).

^{Delgado et al. (2017}), mencionan que la intervención de actividades de conservación en áreas degradadas representa una estrategia efectiva para la mejora del recurso suelo-agua-vegetación. Por otra parte, ^{Yáñez-Díaz et al. (2019}), evaluaron el efecto del cambio de uso de suelo en un Vertisol en el noreste de México, encontrando tasas de infiltración para un área de matorral espinoso tamaulipeco de 226.5 mm h^-1, pastizal 56.6 mm h^-1, agricultura 347.9 mm h^-1 y una plantación de eucaliptus 269.0 mm h^-1, mencionan que las actividades antropogénicas determinan el funcionamiento del sistema del suelo.

Figura 1 Curvas de infiltración observada en las parcelas evaluadas (a. convencional= aguacate convencional y a. orgánico= aguacate orgánico). 

^{Moro et al. (2005}), evaluaron en Argentina la infiltración de un suelo Argiustol údico bajo distintos sistemas de uso, en un monte natural y diferentes sistemas de manejo, observando que la tasa de infiltración disminuye desde el monte natural 324.2 mm h^-1 a labranza convencional con 90.5 mm h^-1. ^{Leyva et al. (2018}) midieron la infiltración en Cuba sobre un Luvisol bajo distintos sistemas de uso arboleda (natural), pastos natural y cultivado y silvopastoril, encontrando una infiltración de 680, 590, 450 y 750 mm h^-1, respectivamente. Lo anterior, demuestra el impacto negativo que genera el manejo convencional y la conversión de terrenos forestales a sistemas agrícolas sobre cualquier tipo de suelo, disminuyendo la capacidad de la infiltración en los mismos.

Modelos de infiltración

De los modelos comparados, Kostiakov es el que predice en mejor medida la tasa de infiltración. En general presentó valores para R² de 0.98, caso contrario al modelo de Horton que presentó R² de 0.8 a 0.92 (Cuadro 5). De acuerdo con ^{Haghighi et al. (2010}), el modelo de Horton comúnmente presenta los mayores errores en el cálculo de la tasa de infiltración, y Kostiakov es el que mejor se ajusta en suelos con altos contenidos de arena y limo. ^{Zakwan et al. (2016}), emplearon diversos modelos para la determinación de la infiltración con la herramienta gradiente reducido generalizado (GRG) de Solver en suelos francos arenosos en Umuahia, Nigeria y documentan que el modelo con el mejor ajuste es Kostiakov basados en los datos obtenidos de campo. Los suelos andosoles generalmente presenta altos contenido de arenas y limos, por lo tanto, el ajuste del modelo de Kostiakov concuerda con lo antes expuesto.

La Fb de los datos observados para el uso forestal en la repetición I, II y III fueron de 804.6, 907.5 y 945.6 mm h^-1, los estimados con Horton presentaron valores de 893.9, 935.2 y 1010.9 mm h^-1, apreciándose que el modelo sobreestima dichos valores, el modelo de Mezencev emplea variables tanto predictivas, como valores constantes, en este caso el valor de Fb utilizada para el cálculo de la infiltración fue la determinada por los datos observados.

De acuerdo con los resultados, los tres modelos pueden predecir el proceso de infiltración, ajustándose de manera significativa; sin embargo, en el modelo de Kostiakov sobresale el estadístico del coeficiente de determinación (R²) en todas las pruebas de infiltración, con valores cercanos a 1. Es notable que el modelo de Kostiakov es el que predice una mejor tasa de infiltración, ya que representa los valores más aproximados a la infiltración real, mientras tanto Horton y Mezencev sobreestiman dichos valores. Lo anterior coincide con ^{Luna et al. (2020}), quienes ajustaron los mismos modelos a un suelo tipo Umbrisol sometido a manejo forestal, obteniendo coeficientes de determinación similares a las del presente estudio. Diversos autores emplean indicadores estadísticos como objeto de validación de modelos de simulación para la evaluación de la infiltración (^{Alega et al., 2016}; ^{Sihag y Singh, 2018}; ^{Suryoputro et al., 2018}).

Los índices NSE y r alcanzaron valores superiores a 0.9 para todos los modelos al igual que usos de suelo, mientras que el MAE fue alto para todos los modelos, indicando un buen ajuste de los datos observados respecto a los simulados. El rango en el que se encuentra el estadístico NSE es considerado como óptimo de acuerdo con ^{Zakwan et al. (2016}). Por otra parte, el modelo de Kostiakov presentó los NSE y r más elevados y el menor MAE lo cual lo hace el mejor modelo de predicción para la infiltración de agua en suelos Andosoles (Cuadro 6).

^{Alega et al. (2016}) mencionan que los índices estadísticos permiten evaluar la exactitud de los modelos de infiltración. ^{Suryoputro et al. (2018}) evaluaron la eficiencia del ajuste de modelos de infiltración en distintos usos de suelo: asentamientos, plantación, cultivo de arroz y bosque, encontrando un NSE de 0.68, 0.73, 0.91 y 0.49, respectivamente, empleando los modelos Kostiakov, Kostiakov-Lewis y Green-Ampt, con R² de 0.52 a 0.94.

En general, los resultados del presente estudio arrojaron estadísticos que permiten establecer la eficacia de los modelos para la predicción de la infiltración aplicados al suelo tipo andosol. ^{Sihag y Singh (2018}) determinaron que el modelo de Kostiakov presenta el mejor ajuste y NSE (0.99), coincidiendo con los valores del presente estudio. Por otra parte, ^{Bayabil et al. (2019}), encontraron que los modelos de Horton y Kostiakov predicen de manera más eficiente la infiltración hallando valores de ajuste de R² y NSE de 0.97, comparado con la presente investigación, los valores obtenidos son similares.

Conclusiones

Los cambios de uso de suelo forestal a usos agrícolas provocaron cambios en las variables hidrológicas del recurso suelo. Dichos cambios se encuentran influenciados con las distintas prácticas agrícolas empleadas y las características edáficas de las parcelas evaluadas. En este sentido, las clases de textura para las dos parcelas orgánicas y uso forestal fueron franco arenoso, mientras que el uso convencional presentó una clase franco limoso siendo particularmente el área donde se presentó una infiltración baja.

Las variables hidrológicas del proceso de infiltración (Fi, Ff, Fb y Fac) presentaron el mismo orden decreciente siguiente: forestal> macadamia> aguacate orgánico> aguacate convencional. Es importante señalar que el cambio de uso de suelo de cubierta forestal a cultivos agrícolas genera impactos negativos en la infiltración, pero la aplicación de actividades conservacionistas, como el manejo orgánico que representa una alternativa para la mitigación de dicho impacto en la infiltración de agua en el suelo, regulando la interacción suelo-agua-vegetación.

De acuerdo con los resultados obtenidos por los indicadores estadísticos (NSE, r, MAE y R²), el modelo de Kostiakov es altamente eficiente para describir el comportamiento de la infiltración en suelos Andosoles. Sin embargo, Horton y Mezencev también describen adecuadamente dichos parámetros. Los modelos de infiltración pueden ser considerados como una herramienta para la toma de decisiones, ya que los modelos cumplen con un grado de ajuste a los datos reales y pueden ser empleados para la predicción de la infiltración en suelos Andosoles bajo distintas coberturas.