Introducción

El término evapotranspiración se usa para describir la suma de la evaporación y la transpiración. La primera toma en cuenta las pérdidas de agua del suelo, la intercepción de la vegetación y los cuerpos de agua, mientras que la segunda considera las pérdidas de agua en forma de vapor de la vegetación (^{Allen, Jensen, Wright, & Burman, 1989}; ^{Eslamian, Khordadi, & Abedi-Koupai, 2011}). La estimación de la evapotranspiración de las superficies cultivadas es una tarea esencial en los estudios climáticos e hidrológicos, así como en los proyectos relacionados con la gestión del agua en la agricultura (^{Bakhtiari & Liaghat, 2011}). En esta última, la estimación de la evapotranspiración se basa comúnmente en cuantificar dos parámetros: la demanda atmosférica a través del cálculo de la evapotranspiración de referencia (ETo) y la contribución de la superficie a partir del coeficiente del cultivo (Kc), con lo que se obtiene la evapotranspiración del cultivo (ETc) (^{Allen, Pereira, Raes, & Smith, 1998}; ^{Bakhtiari & Liaghat, 2011}).

La ETo es un parámetro relacionado con el clima, que expresa el poder evaporante de la atmósfera en una localidad y época del año específicas (^{Allen, Pereira, Raes, & Smith, 2006}), y se puede calcular por varios métodos, aunque el de Penman-Monteith es el estándar recomendado por la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) (^{Allen et al., 1998}; ^{Droogers & Allen, 2002}). Sin embargo, una de las principales limitaciones de este método es que requiere información sobre la radiación, temperatura, flujo de calor en el suelo, humedad y velocidad del viento, la cual no siempre está disponible (^{Gong, Xu, Chen, Halldin, & Chen, 2006}). Por ello, es común el uso de métodos empíricos y semi-empíricos para determinar la ETo (^{Chávez-Ramírez et al., 2013}).

En México, los estudios orientados al análisis de la evapotranspiración son pocos, además de ser considerados como estudios puntuales. Esta situación se ha dado principalmente por la carencia de información sobre las variables involucradas en el cálculo de la ETo. No obstante, desde finales de la década de los noventa, el Servicio Meteorológico Nacional (SMN) ha estado promoviendo la instalación de una red de estaciones meteorológicas automáticas, la cual está conformada por 189 estaciones meteorológicas y 87 estaciones sinópticas dedicadas a monitorear y recopilar información de variables como la temperatura, humedad relativa, presión atmosférica, radiación solar, precipitación, y velocidad y dirección del viento (^{SMN, 2016}).

En los últimos años, autores como ^{Goyal (2004)} han señalado que cualquier cambio observado en los parámetros climáticos, de los que depende la evapotranspiración, puede afectar de manera significativa a la misma, y de manera puntual a las necesidades de agua de los cultivos. En este sentido, ^{Bakhtiari y Liaghat (2011)}, ^{Estévez, Gavilán, y Berengena (2009)}, ^{Gong et al. (2006)}, y ^{Tabari y Hosseinzadeh (2014)} encontraron, en estudios realizados con el método de Penman-Monteith, que la ETo es muy sensible a los cambios en la temperatura, radiación y humedad relativa. Además, observaron que el grado de sensibilidad de la ETo varía de acuerdo con la época del año y con la localización geográfica del sitio analizado, lo que puede tener un impacto directo en la agricultura de temporal. ^{Ruiz-Corral, Ramírez-Díaz, Flores-Mendoza, y Sánchez-González (2000)} señalan que los sistemas de cultivo de temporal son los más sensibles a las variaciones climáticas, ya que dependen únicamente del agua de lluvia para la producción. De acuerdo con ^{Rockström (2003)}, un cambio en las condiciones climáticas puede causar serios problemas debido a que, a nivel mundial, alrededor de 80 % de los terrenos de cultivo son de agricultura de temporal.

La cuenca Lerma-Chapala alberga al 11 % de la población del país, y abarca parcialmente el territorio de cinco estados: Estado de México, Querétaro, Michoacán, Guanajuato y Jalisco (^{Diario Oficial de la Federación [DOF], 2006}). Históricamente, esta cuenca ha mantenido a numerosas culturas, las cuales adaptaron sus sistemas de producción a la disponibilidad natural del agua. Actualmente, la cuenca suministra principalmente al sector servicios y comercio, seguido del industrial y el agrícola (^{Sotelo et al., 2005}). No obstante, este último sector ocupa 56 % de la superficie de la cuenca, y es utilizada en su mayoría para la agricultura de temporal (^{DOF, 2006}). Bajo este contexto, y considerando que en estudios realizados en otros países se ha observado un efecto importante en el comportamiento de la evapotranspiración cuando hay cambios significativos en los parámetros climáticos, los objetivos de este trabajo se enfocaron en evaluar la ETo por el método Penman-Monteith utilizando los datos de la red de estaciones meteorológicas automáticas del SMN y analizar el comportamiento de la ETo durante la estación de lluvias de manera diaria, mensual y estacional.

Materiales y métodos

Descripción del área de estudio

La cuenca Lerma-Chapala se ubica en la parte centro occidente de México (Figura 1) y cuenta con un área de 51 887 km², que representa aproximadamente el 3 % de la extensión total del territorio nacional. La precipitación media anual en la zona hidrológica río Lerma-Chapala es de 771 mm, considerando el promedio registrado durante el período 1940-2001, aunque este valor es muy variable en el tiempo y el espacio. Los registros de precipitación disponibles muestran, año con año, un rango amplio de variación que va de 460 a 1 070 mm. La temperatura promedio mensual al interior de la cuenca varía de los 14.6 °C en enero, a los 21.3 °C en mayo (^{DOF, 2006}).

Figura 1 Cuenca Lerma-Chapala y distribución de estaciones meteorológicas. 

Resultados y discusión

Los resultados del cálculo de la ETo a escala diaria mostraron fluctuaciones importantes durante la estación de lluvias en las cinco estaciones analizadas, lo cual puede ser producto de las condiciones climáticas cambiantes de un día a otro debido a la disminución de la radiación recibida en días nublados y el aumento de humedad resultante de los días con lluvias. En dichos resultados se observaron, en promedio, valores superiores a los 6 mm(día^-1 al inicio de la estación lluviosa e inferiores a los 2 mm(día^-1 al final de esta. El comportamiento de la ETo durante la estación de lluvias siguió un patrón decreciente caracterizado por ser no lineal, mostrando el descenso más importante durante los dos primeros meses de la estación (Figura 2). Dicho comportamiento es similar en todas las estaciones, lo que puede ser producto de la presencia de un micro-clima al interior de la cuenca (^{González-Sosa et al., 2010}). A pesar de la similitud señalada, la magnitud observada entre las estaciones presentó diferencias estadísticamente significativas con excepción de las estaciones Chapala y Huimilpan (Cuadro 2 y 3).

Figura 2 Comportamiento de la evapotranspiración de referencia promedio diaria del periodo 2001-2010 en la cuenca Lerma-Chapala. 

En el Cuadro 4 se presentan los estadísticos descriptivos de la ETo de las cinco estaciones analizadas. Los valores reportados en este cuadro se encuentran dentro de los rangos obtenidos por ^{González-Sosa et al. (2010)} y ^{Vásquez-Méndez, Ventura-Ramos, y Acosta-Gallegos (2011)} en investigaciones realizadas en Michoacán y Querétaro, respectivamente, y por ^{Allen et al. (2006)} para climas húmedos y subhúmedos en los trópicos y subtrópicos. Las diferencias más importantes en la ETo se encontraron en las estaciones Atlacomulco, Chapala y Presa Allende, las cuales están instaladas en la parte alta de la cuenca, la parte baja y la parte media, y el valor promedio de la ETo fue el más bajo, intermedio y el más alto, respectivamente. Estos resultados muestran que la ETo no depende de la altitud del sitio estudiado, pero puede jugar un papel importante en la demanda evaporativa, ya que al disminuir la altura aumenta la temperatura, con lo que también incrementa la capacidad que tiene el aire para retener vapor de agua (^{Goyal, 2004}). ^{Chávez-Ramírez et al. (2013)} reportaron resultados similares en la cuenca del río Nazas al obtener valores mayores de la ETo en la parte baja de la cuenca que en la parte media.

En el Cuadro 5 se presentan los estadísticos descriptivos de las variables utilizadas para el cálculo de la ETo. En este cuadro, se observa que la radiación y la temperatura presentan una relación inversamente proporcional con la altitud del sitio en estudio. En el caso de la temperatura, esta condición se conoce como gradiente térmico vertical (^{Comino, 2013}). De acuerdo con estos resultados, se puede esperar que la parte media y la parte baja de la cuenca sean las regiones donde se encuentra la mayor cantidad de energía disponible para dirigir el proceso de evapotranspiración.

El Cuadro 6 muestra que los coeficientes de correlación lineal de Pearson más altos se encontraron al relacionar la ETo con la humedad relativa y la radiación. En cuatro de las cinco estaciones analizadas, el parámetro climático que presentó el mayor coeficiente de correlación fue la humedad relativa, lo que indica que este parámetro es dominante en el proceso de evapotranspiración en los sitios estudiados. Estos resultados coinciden con lo reportado por ^{Eslamian et al. (2011)} y ^{Gong et al. (2006)}, en Irán y China, respectivamente.

En la Figura 3 se puede apreciar que el comportamiento del promedio diario a nivel mensual de la ETo presenta un patrón decreciente conforme avanza la temporada de lluvias, además, se observan las diferencias encontradas en cada sitio analizado. La ETo en la estación Chapala es, en promedio, 30 % mayor que la de Atlacomulco, mientras que la Presa Allende exhibe una ETo 52 % mayor que la de Atlacomulco. En la misma figura se puede observar el comportamiento similar de la ETo en las estaciones Huimilpan y Chapala, las cuales no presentaron diferencias estadísticamente significativas en cuanto a la magnitud promedio diaria de la ETo (Cuadro 3).

Figura 3 Comportamiento del promedio diario mensual de la evapotranspiración de referencia. 

De acuerdo con el promedio a nivel mensual, se encontró que el porcentaje de disminución de la ETo durante los dos primeros meses de la estación de lluvias está dentro del rango de 40 a 50 % del valor calculado al inicio del periodo de lluvias. Este comportamiento se puede considerar normal si se toma en cuenta que, para que ocurra la evapotranspiración, se necesita que haya disponibilidad de agua, disponibilidad de energía para llevar a cabo el cambio de fase del agua y un déficit de humedad en el aire (^{Allen et al., 2006}). De esta manera, es de esperarse que al inicio de la temporada de lluvias la disponibilidad de energía presente sus valores máximos y la humedad relativa tenga valores bajos, lo que produce niveles altos de la ETo. Conforme avanza la temporada de lluvias, la energía disponible disminuye debido a la presencia de nubosidad y la humedad relativa aumenta como resultado de las precipitaciones ocurridas, esto propicia una disminución en la magnitud de la ETo.

En el comportamiento interanual de la ETo diaria, promediada estacionalmente, se puede apreciar que durante los diez años analizados se mantuvo el valor de la ETo más bajo en la estación Atlacomulco, intermedio en Chapala y alto en Presa Allende (Figura 4). En la misma figura se observa que todas las estaciones exhiben fluctuaciones importantes en los valores calculados de un año a otro, las cuales van desde -19 a 38 % respecto del valor calculado el año anterior en el caso de Atlacomulco, entre -12 y 26 % en Huimilpan, entre -9 y 12 % en Presa Allende, entre -12 y 28 % en Angamacutiro y entre -31 y 42 % en Chapala.

Figura 4 Comportamiento del promedio diario estacional de la evapotranspiración de referencia. 

En la Figura 4 también se observa que las fluctuaciones más bajas se dan en la estación Presa Allende, lo que sugiere la presencia de un clima homogéneo en esta parte de la cuenca. Las fluctuaciones más altas se encontraron en la estación Chapala, donde se tiene la mayor disponibilidad de energía (Cuadro 5), además de la presencia del lago de Chapala, el cual puede influir de manera significativa en el comportamiento de la ETo. Entre las fluctuaciones observadas en la ETo destacan los años 2005 y 2009, ya que en el primero se observaron incrementos importantes (22 a 42 %) respecto del valor observado el año anterior en tres de las cinco estaciones analizadas, mientras que en el segundo el incremento señalado (7 a 38 %) se observó en todas las estaciones (Figura 4).

Por otro lado, el comportamiento interanual de la radiación y la humedad relativa se presenta en la Figura 5. En 2005 se tuvieron incrementos en el nivel de radiación que van de 1.8 a 4.2 % de los valores observados el año anterior, mientras que en la humedad relativa se presentaron disminuciones en el rango de 8.7 a 24 % respecto de 2004. En 2009, los incrementos en la radiación estuvieron en el rango de 3.4 a 7 %, y la disminución en la humedad relativa entre 3.6 y 8.5 %, ambos parámetros respecto de los valores medidos el año anterior. En estos resultados se puede apreciar que el pico observado en la ETo en 2005 estuvo influenciado, principalmente, por la disminución de la humedad relativa, mientras que en 2009, el incremento señalado en la ETo es producto tanto del incremento en la radiación como del descenso en la humedad relativa. Lo anterior muestra que los sitios estudiados han experimentado aumentos significativos en los niveles de la ETo ocasionados, probablemente, por el comportamiento de la radiación y la humedad relativa.

Figura 5 Comportamiento del promedio diario de la radiación y la humedad relativa durante el periodo de lluvias. 

^{Goyal (2004)} plantea que los cambios en los parámetros climáticos pueden afectar la evapotranspiración, lo que concuerda con lo reportado en este trabajo, y de manera puntual puede afectar las necesidades de agua de los cultivos, especialmente en el caso de la agricultura de temporal. Este tipo de agricultura tiene como factor limitante la carencia de fuentes adicionales a la lluvia para llevar a cabo el riego de los cultivos, lo que trae como consecuencia una baja productividad que incluso puede conducir a pérdidas económicas (^{Eslamian et al., 2011}).

Conclusiones

Durante la estación de lluvias, la ETo sigue un patrón decreciente que se caracteriza por ser no lineal, mostrando el descenso más importante durante los dos primeros meses, lo cual es producto de la alta disponibilidad de energía y de la baja humedad relativa observada al inicio de dicha estación. Además, la ETo presentó un comportamiento similar entre los sitios estudiados, que se diferenció únicamente por la magnitud observada, la cual tuvo diferencias estadísticamente significativas en la mayoría de las estaciones. Los valores observados en este parámetro se encuentran dentro de los rangos reportados internacionalmente para climas húmedos y subhúmedos, en los trópicos y subtrópicos.

El comportamiento de la ETo, en las estaciones analizadas, no depende de la altitud del sitio; sin embargo, se observó que la altitud del lugar puede tener un efecto importante en la magnitud de la demanda evaporativa. Los resultados del análisis de correlación, con las variables climatológicas utilizadas, muestran que en los sitios estudiados el comportamiento de la ETo depende, principalmente, de los valores observados en la humedad relativa y la radiación solar.

Los resultados obtenidos pueden servir como base para determinar los requerimientos de agua de los cultivos de temporal en las zonas cercanas a los sitios de estudio. Además, los valores obtenidos muestran la necesidad de planificar estrategias encaminadas a disminuir la probabilidad de pérdidas de los cultivos debido a las fluctuaciones que se pueden presentar en la ETo, y con ello cumplir con las necesidades de agua de los cultivos.