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Introducción
El nogal pecanero (Carya illinoensis Koch) es un frutal de gran importancia a nivel mundial, ya que se tiene establecida una superficie aproximada de 307 000 ha. Los principales países productores son: Estados Unidos (72%) y México (25%). En México la superficie de nogal sembrada aumentó de 48 000 ha en 1980 a 84 000 ha en 2009 (75%), de las cuales se tienen establecidas 820 00l ha en condiciones de riego (SAGARPA-SIAP, 2009).
En México, los estados de Chihuahua, Coahuila, Sonora, Durango y Nuevo León, representan el 97.39% del total de la producción nogalera (SAGARPA-SIACON, 2013). El estado de Coahuila tiene una superficie de 14 mil ha, que corresponde al 16.9% de la superficie total nacional, con una producción de 19 433 Mg y un rendimiento de 1.53 Mg ha-1. (SAGARPA-SIAP, 2009).
El riego por aspersión simula una lluvia donde la tasa de precipitación y de infiltración es constante. Se ha demostrado que el rendimiento y la eficiencia del uso del agua de los cultivos es mayor con riego por aspersión que el obtenido con riego por gravedad (Yang et al., 2000; Liu y Kang, 2006) debido a que el riego por aspersión puede producir un microclima favorable para el crecimiento de los cultivos. Sin embargo, Chávez et al. (2008) reportaron una mayor eficiencia del uso del agua de una huerta de nogal pecanero bajo riego por goteo con relación a la eficiencia con riego por aspersión y microaspersión.
En el riego por goteo subsuperficial se aplican bajos volúmenes de agua con alta frecuencia, con el propósito de mantener el contenido de humedad en el suelo en un nivel que permita un crecimiento óptimo de la planta; el sistema consiste en una serie de tuberías, principales y secundarias, que conducen el agua hasta llegar a la planta mediante mangueras colocadas en hileras, a una profundidad promedio de 20 a 40 cm (Burt et al., 1999). El agua llega a las raíces en forma subsuperficial, de manera que se evitan las pérdidas directas por la evaporación de la superficie del suelo, al mantener un régimen de humedad más alto y uniforme en la zona de mayor actividad radicular, se reduce la evaporación de la superficie del suelo y se incrementa la tasa de transpiración, mejorando la apertura de los estomas y la actividad fotosintética, lo que resulta en una mayor eficiencia intrínseca del uso del agua. El empleo de esta técnica es una alternativa favorable en las regiones semiáridas ya que se mejora la eficiencia en el uso del agua (Romero et al., 2004). Estudios realizados por Godoy-Ávila et al. (2004) indicaron un ahorro del 48.5 % en el agua de riego y un incremento del rendimiento de 37% en huertas de nogal con riego por goteo subsuperficial respecto a las huertas regadas por inundación. Estudios realizados en otros cultivos mostraron las ventajas del riego por goteo subsuperficial respecto al riego por goteo, aspersión, y superficial. Por ejemplo, Bryla et al. (2003) reportaron un mayor rendimiento y eficiencia del uso del agua en árboles de durazno regados con un sistema de riego por goteo superficial y por goteo subsuperficial, que los árboles regados con riego por aspersión. El sistema de riego por goteo subsuperficial ofrece beneficios significativos en el ahorro de agua para riego ya que tiene mayor eficiencia del uso del agua en comparación con el riego superficial (Bhattarai et al., 2005). De manera similar Al-Omran et al. (2005) demostraron que la eficiencia del uso del agua y el rendimiento de un cultivo fue significativamente mayor con el riego por goteo subsuperficial que el obtenido con el sistema de riego por goteo superficial.
La eficiencia intrínseca del uso del agua es una importante característica de la productividad de un ecosistema vegetal, al relacionar la tasa de asimilación de CO2 con la tasa de evapotranspiración (Blum, 2005; Kuglitsch et al., 2008). Picon et al. (1997), encontraron que el aumento en la eficiencia intrínseca del uso del agua depende de un aumento en la concentración de CO2, independiente de los distintos niveles de humedad en que se encuentren las plantas. Estudios previos indican que la eficiencia intrínseca del uso del agua es mayor en cultivos de cobertura completa en condiciones de riego (Baldocchi, 1994; Zhao et al., 2007).
Las condiciones climáticas de una determinada localidad, afectan la eficiencia intrínseca del uso del agua de los ecosistemas vegetales por su efecto en la tasa de evapotranspiración (Law et al., 2002; Yu et al., 2008). La eficiencia del uso del agua puede ser mayor en días con abundante nubosidad debido a una menor radiación solar hacia la superficie, menor temperatura de las hojas, y menor déficit de presión de vapor (DPV), que reduce la tasa de evapotranspiración (Freedman et al., 2001). Por ejemplo, Wang et al. (2007) reportaron que la eficiencia del uso del agua del nogal pecanero fue mayor a niveles bajos del déficit de presión de vapor.
Por lo anterior, se establece que la eficiencia intrínseca del uso del agua del nogal pecanero puede ser afectada por las condiciones climáticas de la localidad y por el sistema de riego utilizado. Por lo que el objetivo de este estudio fue comparar la eficiencia del uso del agua entre localidades y su relación con las condiciones climáticas y el sistema de riego (aspersión y goteo subsuperficial) utilizado en las huertas de nogal pecanero.
Materiales y métodos
Ubicación y Características del Sitio de Estudio
El estudio se realizó de mayo a julio de 2008, en dos huertas de nogal pecanero (Carya illinoensis Koch) del estado de Coahuila, México. Una de la huertas se ubica en la propiedad Tierra Blanca, del ejido Mieleras, municipio de Matamoros, Coahuila, México, cuyas coordenadas geográficas son 25° 25' N, 103° 18' O con una elevación de 1200 m. Las dimensiones del área de estudio dentro de la huerta fueron 1120 m en la dirección norte-sur por 400 m este-oeste. La huerta está formada por árboles de los cultivares Wichita y Western Schley, de 50 años de edad y altura promedio de 14 m. La distribución de los árboles en la huerta es en tresbolillo con una separación de 15 m. La huerta se riega diariamente entre marzo y noviembre con un sistema de riego por goteo subsuperficial, aplicando una lámina promedio diaria de 5 mm.
La otra huerta se encuentra en la propiedad Las Tres Marías, del municipio de Zaragoza, Coahuila; las coordenadas geográficas del sitio son: 28º 28' 31" N, 100º 55' 10" O a una elevación de 360 m. Las dimensiones promedio del área de estudio fueron 660 m norte-sur por 600 m este-oeste. Los árboles de la huerta son de los cultivares Wichita, Western Schley y Pawnee, de 28 años de edad y una altura promedio de 12 m, la distribución de los árboles es en marco real a una distancia de 15 m entre árboles, y se riega con un sistema de aspersión fijo, aplicando láminas promedio de 55 mm a intervalos de 10 días.
Instrumentación y Mediciones
Los flujos de calor latente (LE), calor sensible (H) y de CO2 (FCO2), entre el dosel de la vegetación y la atmósfera se obtuvieron con el método de la covarianza eddy, utilizando las siguientes ecuaciones: (Ham y Heilman, 2003):
(1)
(2)
(3)donde: ρa y Cp son la densidad y capacidad calorífica del aire respectivamente, L es el calor de vaporización del agua, Ta es la temperatura del aire, los productos w'ρco2', w'ρww' y w'Ts', representan la covarianza entre la velocidad vertical del viento (w) y la densidad del CO2 (ρ CO2 ), densidad del vapor de agua (ρ ww ) y la temperatura sónica (Ts), respectivamente. La barra horizontal representa el valor medio del producto de las desviaciones en un segmento de tiempo de 30 min.
La velocidad vertical del viento y la temperatura sónica se midieron con un anemómetro sónico tridimensional (CSI-CSAT3, Campbell, Sci, Inc, Logan, Utah, USA), mientras que ρwv y ρco2 con un analizador de CO2 y vapor de agua de sendero abierto (open path CO2, H2O analyzer, LI-7500, LI-COR; Lincoln, NE, USA). Ambos sensores se montaron en una torre (Figura 1) de 16 m de altura (Mieleras) y 14 m (Zaragoza) para lograr una distancia vertical mínima de 2 m sobre el dosel de los árboles.
Figura. 1 Sistema de covarianza de remolinos sobre el dosel de un cultivo de nogal pecanero para medir el flujo de calor, vapor de agua y CO2.
El anemómetro sónico tridimensional se orientó hacia el noreste (Mieleras) y sureste (Zaragoza), para obtener una distancia horizontal desde la ubicación de los sensores al límite del área de estudio (fetch) de 200 m en un ángulo de 90° respecto a la orientación del anemómetro sónico tridimensional. La velocidad vertical del viento, la temperatura sónica, la densidad del vapor de agua y del CO2 se midieron a una frecuencia de 10 Hz, y las covarianzas se calcularon cada 30 min.
Para evaluar la precisión de las mediciones del flujo de calor latente (flujo de vapor de agua) y CO2 (frecuencias de 10 Hz y promedios de 30 min) que se realizaron en las huerta de las dos localidades de mayo a julio de 2008, se obtuvieron todos los componentes del balance de energía sobre una superficie vegetal utilizando la Ecuación 4, (Turnipseed et al., 2002):
(4)
donde: Rn es la radiación neta, H y LE definidos anteriormente, G es el flujo de calor en la superficie del suelo (que se obtiene agregando al flujo de calor medido a 8 cm bajo la superficie del suelo, los cambios de temperatura del suelo entre la superficie y 8 cm de profundidad), PH es la energía utilizada en la fijación de CO2 (que corresponde al equivalente en términos de energía de la Ecuación 3) y S es la energía almacenada por cambios de temperatura del aire, la vegetación y por cambios en la humedad especifica de la capa del aire a la altura de los árboles (se obtiene con mediciones de temperatura utilizando termopares y mediciones de humedad relativa a diferentes elevaciones del dosel de la vegetación); las unidades de todos los términos de la Ecuación 4 son W m-2.
Los flujos de vapor de agua y CO2 se corrigieron por efectos de densidad (Webb et al., 1980). Posteriormente, los flujos de H y LE se corrigieron para cerrar el balance de energía, considerando que el método de la covarianza eddy proporciona una buena determinación de la relación Bowen (H/LE). El flujo de CO2 se corrigió con el mismo factor (Ham y Heilman, 2003).
Intercambio Neto de CO 2 y la Eficiencia Intrínseca del Uso del Agua
El intercambio neto de CO2 del ecosistema (NEE) formado por el suelo y los árboles de la huerta se obtuvo con la siguiente relación (Martens et al., 2004):
(5)
donde: FCO2, es el flujo de CO2 medido con el método de la covarianza eddy, ΔρCO2 es el cambio en la densidad del CO2 medido a la misma altura a la que se midió el flujo de CO2, en el intervalo de tiempo considerado (Δt = 30 min) y Δz es la altura a la que se realizaron las mediciones (14 m en la huerta de Zaragoza y 16 m en la de Mieleras). La retención neta diaria de CO2 por el ecosistema se estimó con la diferencia entre la integración de los valores negativos (durante el día) y positivos (durante la noche) de NEE obtenido cada 30 min.
La eficiencia intrínseca diaria del uso del agua (Ef_H2O) por el ecosistema, se obtuvo con la relación de los valores integrados entre las 8:00 y 20:00 h de los flujos (promedios de 30 min) de NEE y el agua evapotranspirada (ET) en el mismo intervalo de tiempo.
(6)
Para evaluar la relación del sistema de riego y las diferencias de clima de las localidades en la eficiencia del uso del agua, se realizó una comparación estadística entre localidades de los valores promedio y totales diarios (entre las 8:00 y las 20:00 h; de mayo a julio) de la temperatura del aire, la radiación neta, el déficit de presión de vapor, la evapotranspiración, tasa de asimilación de CO2 y la eficiencia del uso del agua. Utilizando la prueba t-student (α ≤ 0.05) para muestras apareadas.
Resultados y discusión
Balance de Energía Sobre el Dosel de los Árboles de las Huertas
Al aplicar la ecuación del balance de energía sobre el dosel de los árboles de las huertas de nogal pecanero se observó que la suma de los flujos de calor sensible, calor latente, la energía utilizada en la fijación de CO2 y la energía almacenada por cambios de temperatura del aire, vegetación y cambios en la humedad específica de la capa del aire (H+LE+PH+S) fueron en promedio 17 y 14.5% menores que la energía disponible (Rn-G) en la huerta de Mieleras y de Zaragoza, respectivamente (Figura 2), lo que concuerda con lo expuesto por Twine et al. (2000), quienes después de realizar varias pruebas en el cierre del balance de energía en diferentes sitios, afirmaron que los flujos por turbulencia son sistemáticamente de 10% a 30% menores que la energía disponible. Investigaciones amplias y detalladas realizadas por Wilson et al. (2002), en 22 sitios de la red de FLUXNET de los Estados Unidos, sobre varios tipos de vegetación y condiciones climáticas, reportaron que la suma de los flujos por turbulencia (H+LE) fueron en promedio 20% menores que la energía disponible (Rn-G). De manera similar Foken (2008), en una revisión de 20 años de investigaciones relacionadas con el problema del cierre del balance de energía sobre superficies vegetales, demostró que la suma de los flujos por turbulencia son aproximadamente 20% menores que la energía disponible. Para cerrar el balance de energía, Ham y Heilman (2003), consideran que la energía disponible (Rn-G) es correcta y que los flujos por turbulencia son subestimados, por lo que se deben corregir asumiendo que la relación Bowen (H/LE) es bien determinada con el método de la covarianza de remolinos. Al realizar esta corrección se cierra el balance de energía. Este procedimiento se aplicó a los datos de las dos huertas para cerrar el balance de energía de cada segmento de 30 min.
Figura 2 Relación entre la energía disponible (Rn-G) y la suma de los flujos por turbulencia (H+LE+S+PH) sobre el dosel de los árboles de la huerta de nogal pecanero en Mieleras y Zaragoza, Coahuila.
Tanto en la huerta de Mieleras como en la de Zaragoza, los valores de las tasas instantáneas de asimilación máxima de CO2 en los diferentes días evaluados, se presentaron sistemáticamente entre las 11 y las 16 h, (Figuras 3 y 4) esto correspondió con las horas de la máxima incidencia de radiación solar y las máximas tasas de evapotranspiración. El promedio de las tasas de asimilación instantáneas máximas de CO2 en los árboles de la huerta de Mieleras fue 17.028 µmol m-2 s-1 (Figura 3), y fue similar (17.957 µmol m-2 s-1) a la observada en los árboles de la huerta de Zaragoza (Figura 4). Estos valores mostraron el potencial de asimilación de CO2 que tienen las huertas de nogal pecanero, ya que fueron mayores que la tasa de asimilación de CO2 reportadas para otros frutales. Por ejemplo, Rossi et al. (2007) observaron una tasa de 14 µmol m-2 s-1 en una huerta de kiwi [Actinidia deliciosa (A. Chev)], mientras que Ramírez y Pimienta (2003) reportaron una tasa de 10.7 µmol m-2 s-1 para una huerta de ciruelo (Spondias purpurea L.).
Figura 3 Tasas instantáneas de intercambio neto de CO2 por el dosel de los árboles de la huerta de Mieleras, Matamoros, Coahuila, observados entre el 26 de mayo y el 15 de junio de 2008.
Figura 4 Tasas instantáneas de intercambio neto de CO2 por el dosel de los árboles de la huerta de Zaragoza, Coahuila, observados entre el 9 y el 24 de mayo de 2008.
Durante la noche, la liberación de CO2 instantánea máxima promedio fue menor (P ≤ 0.05) en la huerta de Mieleras (4.606 µmol m-2 s-1) (Figura 3), que en la huerta de Zaragoza (6.66 µmol m-2 s-1) (Figura 4). La frecuencia del riego en la huerta de Zaragoza fue de aproximadamente 10 días, (riego por aspersión), mientras que en la huerta de Mieleras fue diario (riego por goteo subsuperficial), los árboles de la huerta de Zaragoza en los días previos a la aplicación del siguiente riego probablemente estuvieron bajo estrés hídrico. Esto incrementó la temperatura foliar, de tal forma que al llegar la noche, la temperatura de las hojas en los árboles de la huerta de Zaragoza fue mayor, resultando en una mayor tasa de respiración nocturna. Estudios previos han mostrado relaciones directas entre la tasa de respiración y la temperatura foliar (Atkin y Tjoelker, 2003; Tcherkez et al., 2003).
La retención promedio diaria de CO2 por los árboles de las huertas observadas en los intervalos de tiempo de las Figuras 3 y 4, se obtuvo con la diferencia entre el intercambio neto integrado diurno de CO2 (números negativos dentro de las Figuras 3 y 4) y el intercambio neto integrado nocturno (números positivos dentro de las mismas figuras). La retención promedio diaria de CO2 fue mayor en la huerta de Mieleras con 389.19 mmol m-2, que en la huerta de Zaragoza (281.92 mmol CO2 m-2), debido a una mayor tasa de respiración nocturna por los árboles de la huerta de Zaragoza.
Eficiencia Intrínseca del Uso del Agua por las Huertas de Nogal Pecanero
El déficit de presión de vapor en las localidades tuvo un efecto mayor en la eficiencia del uso del agua, que el método de riego utilizado en las huertas. La eficiencia promedio diaria del uso del agua en la huerta de Zaragoza (1.82 mmol CO2/mol H2O) fue mayor (P ≤ 0.05) que la eficiencia observada en la huerta de Mieleras (1.42 mmol CO2/mol H2O) (Cuadro 1). La eficiencia de aplicación del sistema de riego por goteo subsuperficial utilizado en la huerta de Mieleras es mayor que la del sistema de riego por aspersión fijo utilizado en la huerta de Zaragoza, ya que el agua se aplica directamente a la profundidad del suelo de mayor actividad del sistema radicular de las plantas y se evita la evaporación del agua de la superficie del suelo (Romero et al., 2004; Bhattarai et al., 2005). Sin embargo, aunque los valores promedio diarios durante el tiempo del estudio (mayo a julio) de radiación neta (Rn) y temperatura del aire (Ta), fueron iguales en las dos localidades (P ≤ 0.05), que resultaron en valores iguales (P ≤ 0.05) del intercambio neto de CO2 diurno (NEE); el déficit de presión de vapor fue mayor (P ≤ 0.05) en la localidad de Mieleras, que resultó en una mayor tasa de evapotranspiración promedio diaria (P ≤ 0.05), por lo que hubo una menor eficiencia del uso del agua por los árboles de la huerta de Mieleras (Cuadro 1). Estudios previos (Freedman et al., 2001; Wang et al., 2007) muestran que la eficiencia intrínseca del uso del agua de las superficies vegetales es mayor a valores bajos de déficit de presión de vapor, ya que se reduce la tasa de evapotranspiración.
Cuadro 1 Valores totales y promedio diarios de radiación neta (Rn), déficit de presión de vapor (Δe), temperatura del aire (Ta), intercambio neto diurno de CO2 (NEE), evapotranspiración (ET) y eficiencia intrínseca del uso del agua (EF_H2O), observadas en una huerta de nogal pecanero en Mieleras, Matamoros, Coahuila (M) y en Zaragoza, Coahuila (Z), entre mayo y julio de 2008.
Medias con letra diferente en las columnas de la misma variable son estadísticamente diferentes, de acuerdo con la prueba de T-student (P ≤ 0.05).
Conclusiones
El efecto del déficit de presión de vapor en la eficiencia del uso del agua, fue mayor que el efecto del sistema de riego por goteo subsuperficial, comparado con el riego por aspersión. La eficiencia del uso del agua fue mayor en la huerta de Zaragoza (riego por aspersión) que en la huerta de Mieleras (riego por goteo subsuperficial). Esto se debió a un mayor déficit de presión de vapor en la localidad de Mieleras, que resultó en una mayor tasa de evapotranspiración y una menor eficiencia del uso del agua.
El déficit de presión de vapor es la variable del clima que más efecto tiene en la eficiencia del uso del agua del nogal pecanero en una determinada localidad.
