Introducción

Variables biofísicas, tales como el área foliar, la biomasa vegetal y humedad del suelo deben ser monitoreadas para aplicaciones con fines ecohidro-lógicos, hidrometeorológicos y agrometeorológicos a escala regional y global (^{Zakharova et al., 2012}). Específicamente la humedad del suelo es un elemento determinante en la estimación de la partición de la precipitación en infiltración y escurrimiento; la partición de la energía disponible en calor latente y calor sensible, el drenaje del agua al acuífero o sobre la superficie y el desarrollo de la vegetación, la respiración del suelo y la productividad biológica (^{Teuling et al., 2006}; ^{Williams et al., 2009}; ^{Yepez y Williams, 2009}; ^{Dorigo et al., 2011}). Sin embargo, la humedad es altamente variable en espacio y tiempo como resultado de la heterogeneidad del suelo, tipo de vegetación, topografía, uso de suelo, precipitación y evapotranspiración (^{Bosch et al., 2006}). Por lo tanto el conocimiento de su dinámica es esencial en la modelación hidrometeorológica para un mejor entendimiento de la interacción entre la superficie y la atmósfera (^{Juglea et al., 2010}). Por otra parte el poco entendimiento del acoplamiento entre el ciclo hidrológico y de carbono es mayormente debido a la falta de mediciones de humedad del suelo (^{Rebel et al., 2012}). Siendo México un país en buena medida controlado por la estacionalidad de la lluvia, el monitoreo de la variabilidad de la humedad del suelo a escalas amplias (~40 km) es fundamental para avanzar en el conocimiento en esta área y establecer redes de monitoreo en amplias zonas de flujos ecosistémicos de agua y carbono, a largo plazo (^{Entekhabi et al., 2004}; ^{Vargas et al., 2012}; ²⁰¹³).

La humedad del suelo puede ser estimada mediante sensores colocados bajo la superficie con técnicas electromagnéticas (reflectrometría o capacitancia), dispersor de neutrones, sicrómetros o sensores colocados sobre la superficie, microondas montados sobre vehículo o plataformas satelitales y por conteo de neutrones como es el caso del COsmic-ray Soil Moisture Observing System COSMOS (^{Kerr et al., 2010}; ^{Seneviratne et al., 2010}; ^{Dorigo et al., 2011}). La medición directa de la humedad del suelo con buena resolución temporal es puntual y su espacialización es difícil por el número de mediciones y el tiempo requerido en ambientes heterogéneos. Las estimaciones de humedad mediante la instalación de sensores de humedad automatizados en el suelo permiten resolver el problema de temporalidad y con frecuencia su espacialización, si se conforman redes de medición y el uso de técnicas geoestadísticas para su interpolación. Sin embargo, la medición directa usando sensores bajo la superficie son métodos invasivos que modifican la matriz del suelo y pueden producir sesgos en las mediciones. Los microondas proporcionan información sobre humedad del suelo (SMOS, humedad de suelo y salinidad oceánica) sobre grandes superficies (50 × 50 km) de resolución, ancho de medición de 900 km y periodicidad de revisita de 2 a 3 días, lo cual le permite evaluar la superficie del suelo de manera continua, teniendo como limitación su baja penetración en el suelo (0 a 10 cm) y con una precisión de 4% afectado por la densidad de la vegetación (^{Kerr et al., 2010}).

En el otro extremo de la resolución espacial sobre sensores de medición de humedad en superficies del orden de hectáreas se ubica el sensor COSMOS, método alternativo basado en la técnica de rayos cósmicos, el cual estima la humedad del suelo en campo, en un perfil (0 a 70 cm) a una escala intermedia (~1 km) (^{Franz et al., 2012b}; ^{Zreda et al., 2012}). Este método de rayos cósmicos tiene su principio de funcionamiento en la moderación de neutrones, a través de la desaceleración y la termalización de éstos al interactuar con el hidrógeno del agua en el suelo (^{Zreda et al., 2008}; ^{Desilets et al., 2010}; ^{Zreda et al., 2012}). Al llegar los neutrones cósmicos a la atmósfera terrestre desde el espacio, se introducen en la superficie terrestre generando un espectro de neutrones, los cuales son moderados por el contenido de hidrógeno en el suelo (^{Shuttleworth et al., 2010}). De tal modo que la termalización y emisividad de los neutrones están inversamente correlacionadas con el contenido de humedad del suelo. Este tipo de técnicas permite obtener un gran número de medidas de forma continua y sin perturbar las propiedades del suelo. Sin embargo, requiere de una calibración detallada, sobretodo en suelos con elevada salinidad, elevados contenidos de materia orgánica, o una densidad aparente alta (^{Sentek, 1999}; ²⁰⁰¹).

Por lo anterior, el objetivo de este trabajo fue determinar el parámetro de calibración, tasa de conteo del neutrón sobre suelo seco (No), para un sensor de neutrón de rayo cósmico COSMOS CRS-1000 instalado en una sabana de zacate buffel (Pennisetum ciliare) en la localidad de Rayón Sonora, México.

Materiales y métodos

Sitio de Estudio

Este estudio se realizó en verano de 2012, en una sabana con zacate buffel (Pennisetum ciliare) y palo fierro (Olneya tesota) en la localidad de Rayón Sonora, México (29° 44’ 12” N, 110° 30’ 20” O) a una altitud de 650 m, que se encuentra ubicado sobre la cuenca del Río Sonora en la región del monzón mexicano (Figura 1). Esta área presenta una precipitación media anual de 545 mm, correspondiendo el 66% a verano (julio-septiembre) y una evapotranspiración potencial media anual de 2086 mm, con índice de aridez de 0.26, clasificado como una región semiárida (Safriel et al., 2005); presenta una temperatura media anual de 21.3 °C y temperaturas medias máximas y mínimas anuales de 30.8 y 11.8 °C, respectivamente. La vegetación alrededor del sitio es característica de matorral subtropical. El suelo se caracteriza como un franco arenoso, con contenido de materia orgánica pobre y bajo contenido de salinidad, pero con un grado de compactación fuerte y una densidad aparente de 1.93 g cm^-3 (Cuadro 1).

Figura 1 Localización del sensor COSMOS CRS-1000 en la pradera de buffel, en la localidad de Rayón, sobre la cuenca del Río Sonora, en el Noroeste de México. 

%V = contenido de humedad porcentual base volumétrico.

Cuadro 1 Capacidad de retención de humedad, propiedades físicas e hidráulicas del suelo de una sabana de buffel donde se instaló el sensor COSMOS CRS-1000en Rayón, Sonora, México. 

Muestreo en Campo

Para evaluar el esquema de calibración del sensor COSMOS CRS-1000, contenido de humedad del suelo en términos volumétricos, se realizaron dos muestreos de suelo, siguiendo el procedimiento descrito por ^{Zreda et al. (2012)}. El primer muestreo se hizo en Agosto del 2012, cuando se instaló el COSMOS CRS-1000, y el segundo en Octubre del mismo año. Los muestreos se realizaron en seis transectos a cada 60 grados del 0 al 360 y en distancias radiales de 25, 75, 150 y 300 m, y por estratos a profundidades de 0-10, 10-20, 20-30 y de 30- 40 cm (Figura 2). De esta manera se obtuvieron 56 muestras (14 × 4) en 14 sitios en el primer muestreo y 82 muestras ((24 × 4)-14 inconsistentes) en 24 sitios para el segundo muestreo. A cada una de estas muestras se les determinó el contenido de humedad por gravimetría, mediante el secado de las muestras en horno de convección a 105 °C por 24 h (método estándar). De manera paralela se determinó la densidad aparente para los sitios muestreados, a los estratos señalados previamente, usando cilindros de aluminio de cinco por cinco cm de diámetro y altura respectivamente. Esto permitió calcular el contenido de humedad del suelo del sitio de estudio en términos volumétricos.

Figura 2 Sitios de muestreo de humedad de 0 a 40 cm de profundidad en el pastizal de buffel, donde se localiza el sensor COSMOS CRS-1000 sobre la cuenca del Río Sonora, en el Noroeste de México. 

Calibración del Sensor de Neutrón de Rayo Cósmico (COSMOS CRS-1000)

El sensor COSMOS CRS-1000 mide la interacción y la termalización de neutrones por los átomos de hidrógeno presentes en el sistema suelo-aire, no la humedad del suelo, por lo cual esta intensidad medida por el COSMOS debe convertirse en contenido de humedad a través de la siguiente función de calibración (^{CRS-1000 User’s Guide, 2010}):

(1)

donde: θ_m es el contenido de agua (m m^-3 o kg kg^-1); N es la tasa de conteo del neutrón corregido por variaciones de presión del lugar, latitud geomagnética y vapor de agua en la atmósfera; No es la tasa de conteo del neutrón sobre suelo seco bajo las mismas condiciones. Así mismo, ^{Desilets et al. (2010)} proponen la siguiente ecuación de calibración para el sensor COSMOS, desarrollada a partir de la teoría de física nuclear. Esta ecuación es simple, casi invariable con las propiedades químicas y textura del suelo (contenido de limo, arcilla y arena).

(2)

donde: θ (N) es el contenido de agua (m³ m^-3 o kg kg^-1).

Para calibrar el COSMOS CRS-1000, es necesario determinar la tasa de conteo del neutrón sobre suelo seco (No) que es el parámetro desconocido, bajo las mismas condiciones. Este parámetro varía significativamente de un sitio a otro y en el tiempo, aun en el mismo sitio, debido a la presencia de otras fuentes de hidrógeno (^{Franz et al., 2012b}; ^{Hornbuckle et al., 2012}). Un procedimiento para encontrar el valor de No es proponiendo un valor inicial para No, a un valor conocido de N, usando la Ecuación 1. El resultado obtenido con esta ecuación se compara con el valor del contenido de humedad del suelo obtenido en campo (^{CRS-1000 User’s Guide, 2010}). El valor correcto de No se obtiene cuando este valor está de acuerdo con el contenido de humedad del suelo obtenido en campo.

En este trabajo los valores No se estimaron por aproximación utilizando la Ecuación 1. Se usaron como variables (N) medidos con el COSMOS CRS-1000 y (θ_m) en términos volumétricos, derivado de 138 muestras de 38 sitios del muestreo de campo. Los valores de No se calcularon primero por áreas y por estratos, y luego con el valor de la media general del contenido de humedad de toda el área y el perfil. Se consideró la fecha y hora en que se tomaron las muestras en campo, de tal forma que las condiciones físicas y climáticas del sitio fuesen lo más fielmente representadas en la estimación del parámetro No. Es así que se obtuvo un total de 40 valores para No lo que permitió determinar el valor más apropiado para No en términos estadísticos, el cual se usó para la calibración del COSMOS CRS-1000. La Ecuación 2 se usó como modelo de comparación de los resultados obtenidos con la Ecuación 1; debido al origen de dicha ecuación, que es casi invariable con las propiedades químicas y textura del suelo.

Resultados y discusión

El valor obtenido para la tasa de conteo del neutrón sobre el suelo (No) fue de 4121 conteos por hora, con una desviación estándar de 306. Este valor de No es el promedio de un total de 40 valores que se estimaron con la Ecuación 1. Los valores para No, se obtuvieron de los 38 sitios de muestreo, organizado por áreas y por estratos, y después con el valor de la media general del contenido de humedad de toda el área y el perfil (Cuadro 2).

Cuadro 2 Resumen de los valores de contenido de humedad, base volumétrica, y parámetro No para la calibración del sensor COSMOS. 

Por otro lado, la media general del contenido de humedad del suelo, de toda el área de influencia del sensor COSMOS CRS-1000 en este estudio, a un perfil de 0 a 40 cm de profundidad, fue de 0.0526 m3 m^-3 con una desviación máxima de 0.0172 m3 m^-3 (Cuadro 2). Es decir, que hay una variación del orden de 33% en el contenido de humedad del suelo entre los puntos muestreados con respecto a la media general.

Con el valor de 4121 para No (Cuadro 2) se hizo la corrección a los datos de contenido de humedad estimados por el COSMOS CRS-1000 aun sin calibrar (valor inicial propuesto de 4000 conteos por hora). Esta corrección se aprecia en la Figura 3, donde la línea continua representa los valores obtenidos con el COSMOS CRS-1000 sin calibrar y la línea punteada son los valores del sensor corregidos. Con esta corrección, se observa un incremento en el contenido de humedad de 1 a 2 %, con respecto a los valores estimados con el COSMOS CRS-1000 en todo el tiempo de análisis. Si bien este incremento es pequeño, obedece mucho a la variación del contenido de humedad del primer estrato del suelo. Pues la dinámica de la humedad es mayor y más acelerada, comparada con los otros estratos de mayor profundidad como se muestra en el Cuadro 3 y que está acorde con lo señalado por ^{Meadow et al. (2011)} y ^{Franz et al. (2012a)}. Esta variación en el comportamiento de la humedad se observa en la Figura 4, donde los valores corregidos del COSMOS CRS-1000 fluctúan entre el contenido medio de humedad del primer estrato y el valor promedio del perfil de 0 a 40 cm del área muestreada.

Figura 3 Dinámica del contenido de la humedad del suelo en una pradera de buffel en la localidad de Rayón, Sonora, México. La línea continua representa los valores obtenidos con el sensor COSMOS aun sin calibrar (No = 4000) y la línea punteada son los valores del sensor corregidos con el valor de conteo (intensidad) del neutrón sobre suelo seco (No = 4121). 

Cuadro 3 Resumen de los valores de contenido de humedad del suelo obtenidos en dos muestreos, para la calibración del sensor COSMOS, donde n es el número de sitios muestreados. 

Figura 4 Relación entre los valores de contenido de humedad obtenidos en campo y los valores obtenidos con el parámetro de calibración. Los puntos muestran el contenido de humedad promedio por estratos de toda el área y los cuadrados representan el valor promedio de la humedad del perfil de 0 a 40 cm del área muestreada, durante los días que se tomaron las muestras en campo. La línea punteada representa los valores del sensor corregidos con el valor de conteo (intensidad) del neutrón sobre suelo seco (No = 4121). 

De manera análoga, en la Figura 5 se muestra el modelado del contenido de la humedad del suelo entre los valores del sensor COSMOS CRS-1000 corregidos con el valor de No y los valores que se obtienen con el modelo de calibración propuesta por ^{Desilets et al. (2010)}. La variación absoluta entre ambos valores es del orden de 0.05%, por lo cual no se aprecia diferencia significativa en la tendencia de ambas líneas en esta figura. Sin embargo, es más preciso y recomendable usar el contenido de humedad de muestras de suelo para estimar el valor de conteo (intensidad) del neutrón sobre suelo seco No como se aprecia en el Cuadro 2, y como lo señala ^{Franz et al., (2012a)}.

Figura 5 Modelado del contenido de la humedad del suelo en una pradera buffel en la localidad de Rayón, Sonora, México. La línea punteada representa los valores del sensor COSMOS corregidos con el valor de conteo (intensidad) del neutrón sobre suelo seco (No = 4121). La línea continua son los valores que se obtienen con el modelo de calibración propuesta por ^{Desilets et al., (2010)}. 

La tasa de conteo de neutrón sobre suelo seco que se ha encontrado en este trabajo para calibrar el COSMOS CRS-1000, que corresponde a 4121 conteos por hora, es superior al reportado por ^{Zreda et al. (2008)} para las estaciones de monitoreo de Santa Rita, San Pedro 2 y Lucky Hills en Arizona EUA, con valores 2676 ± 57, 1968 ± 44 y 2475 ± 49 de No respectivamente. Estas estaciones están ubicadas en la región del monzón americano y presentan condiciones climáticas similares a las del sitio de estudio de este trabajo. Sin embargo la densidad aparente de los suelos es de 1.46, 1.42 y 1.44 gr cm^-3, con elevaciones de 989, 1233 y 1367 MNSM respectivamente para estos sitios de monitoreo. Por lo cual hay una variación considerable en la tasa de conteo de neutrón sobre suelo seco (No) que se ha encontrado para calibrar el COSMOS CRS-1000 en este estudio. Debido que la termalización y emisividad de los neutrones están inversamente correlacionadas con el contenido de humedad del suelo y que este contenido de humedad está potencialmente influenciado por la topografía, cobertura vegetal, grado de compactación y la proporción de arena, limo y arcilla en el suelo para cada sitio de muestreo. Por lo cual la tasa de conteo de neutrón sobre suelo seco (No) varía significativamente de un sitio a otro y en el tiempo, aun en el mismo sitio, debido a la presencia de otras fuentes de hidrógeno, como lo señalan ^{Franz et al., (2012b)} y ^{Hornbuckle et al., (2012)}.

Respecto al contenido de humead del suelo de toda el área de influencia del sensor COSMOS CRS-1000, a un perfil de 0 a 40 cm de profundidad, presenta una variación del orden de 33% en el contenido de humedad del suelo entre los puntos muestreados con respecto a la media general. El primer estrato, con una profundidad de 0 a10 cm, es el que presenta mayor variabilidad en el contenido de humedad en las dos fechas de muestreo, como se aprecia en el Cuadro 3. En el primer muestreo la variación en el contenido de humedad, para el primer estrato, fue de alrededor de 51% y para el segundo muestreo fue de 44 %. Lo que contrasta con los estratos de 20 a 30 y 30 a 40 cm que presentan una variación del orden de 29 y 34 %. Esta distribución de la humedad también se puede apreciar en la Figura 4, donde los valores más altos corresponden a la media del primer estrato y los valores más bajos son para el tercer y cuarto estrato, en el caso del primer muestreo. Para el segundo muestreo los valores más bajos corresponden al primer estrato y los más altos al tercer y cuarto estrato. Esta variabilidad de la humedad está potencialmente influenciada por la topografía, cobertura vegetal, grado de compactación y la proporción de arena, limo y arcilla en el suelo para cada sitio de muestreo, como lo señalan ^{García et al. (2005)}.

Conclusiones