Ubicación geográfica del sitio experimental

El estudio se realizó en el municipio de Mapimí, Durango, México, ubicado a 25° 52’ 26’’ latitud norte y 103° 43’ 29’’ longitud oeste, a los 1 168 m s. n. m (Figura 1). La temperatura máxima registrada en la zona de estudio es 44 °C y la mínima es -10 °C, con un promedio anual de 19.4 °C. La precipitación pluvial promedio anual es de 304.8 mm (^{Medina-García et al., 2005}). Los suelos de la región son calizos, de origen aluvial, color castaño claro obscuro, textura arcillosa con grava y una pendiente del terreno que varía de 0.5 a 8 % (^{García-Gutiérrez et al., 2006}).

Figura 1 a) Localización geográfica del municipio de Mapimí, Durango, en la parte centro-norte de México, b) vista del campo de pastizal y área experimental al inicio del experimento, c) acequia de entrada al área experimental con estadal para medición y d) área experimental con el experimento establecido. 

Descripción del sitio experimental

De acuerdo con el análisis físico-químico, el suelo del sitio experimental es franco arenoso, con 56, 28 y 16 % de arena, limo y arcilla, respectivamente, punto de marchitez permanente (PMP) de 9.6 % y capacidad de campo (CC) de 19.7 %. Los suelos de esta región son pobres en macro y micro elementos, aunque con buenos niveles de potasio (68.4 mg·kg^-1) y calcio (33.7 meq·L^-1), por lo que corresponden a suelos alcalinos con un pH de 8.3.

Diseño experimental y de tratamientos

Se empleó un diseño experimental de bloques al azar con tres repeticiones. Los tratamientos de cobertura superficial del suelo fueron: 1) aplicación de 10 t·ha^-1 de rastrojo de maíz (R), 2) siembra de 10 kg·ha^-1 de semilla de pasto buffel (Cenchrus ciliaris L.) (Z), 3) aplicación de 10 t·ha^-1 de rastrojo de maíz más la siembra de 10 kg·ha^-1 de semilla de pasto buffel (R + Z) y 4) testigo (T), sin ningún tipo de cobertura. Cada unidad experimental (tratamiento) tuvo una dimensión de 5x5 m. La zona experimental, con todos los tratamientos, ocupó un área de 300 m² (20 x 15 m), con una pendiente de 0.7 %.

El estudio se llevó a cabo de julio a septiembre de 2017 en un área sin cobertura vegetal. Previo al experimento, se preparó el suelo del área experimental con un rastrillo a una profundidad de 5 cm en suelo seco. En los tratamientos con pasto, la siembra fue al voleo, procurando que la semilla quedara distribuida de manera homogénea, y se cubrió con una ligera capa de suelo mediante un segundo paso del rastrillo para que la semilla no quedara expuesta. En los tratamientos donde se utilizó rastrojo de maíz seco como cobertura, se colocó inmediatamente después de la siembra en los tratamientos correspondientes.

Variables medidas

La precipitación pluvial ocurrida en el área experimental durante el período de estudio se cuantificó cada minuto mediante una estación microclimática (Heavy Weather Pro WS 2800, La Crosse Technology®, EUA). La escorrentía superficial se determinó por el método de aproximación, el cual sirvió para calcular el volumen de agua del cauce que ingresó a la parcela experimental en cada evento de lluvia. Para ello, cada 5 min se midió la altura (cm) del nivel del agua en dos sitios del cauce, desde el inicio hasta el final del evento de escurrimiento (^{Allen, 2007}; ^{Linsley et al., 1998}). Un sitio de medición fue a 200 m de la entrada de un área de pastizal, y el segundo sitio se ubicó a 100 m del área experimental, correspondiente a una salida de agua a mitad de la superficie de pastizal, de tal manera que el agua de llegada al área experimental fue más o menos homogénea.

De acuerdo con la Figura 2, los datos de escurrimiento se obtuvieron con las Ecuaciones 1 a 3.

Figura 2 Acequia trapezoidal: a) en la entrada al pastizal y b) en la entrada al área experimental. 

El gasto o el volumen por unidad de tiempo se calculó utilizando la siguiente ecuación (^{Weight & Sonderegger, 2001}):

donde Q es el gasto (m³·s^-1), V es la velocidad representativa del flujo (m·s^-1) y A es el área de la sección hidráulica del canal (m²), la cual es perpendicular a la dirección de la V, calculada mediante la fórmula de Manning:

donde r es el radio hidráulico de la sección (m), s es la pendiente de la sección (m·m^-1) y n es el coeficiente de rugosidad (adimensional). Para obtener el r, las mediciones en la sección hidráulica consideran el perímetro de mojado (Pm) y la altura del nivel del agua (h) (Ecuación 3):

Estimación de la curva carga-gasto

Con base en la Ecuación 1, se aforó la sección hidráulica a diferentes alturas, haciéndolas variar cada 2 cm, para obtener la curva carga-gasto con el objetivo de derivar la ecuación de ajuste al comportamiento de los datos de la curva (Cuadro 1).

Con base en los valores obtenidos de Q _i de cada sitio, se generaron las curvas de gasto (Q) que se muestran en la Figura 3, correspondientes a valores de Q = 1.4994h ^1.589 (R² = 0.99) y Q = 1.1955h ^1.548 (R² = 0.99), para los sitios 1 y 2, respectivamente.

Figura 3 Relación carga-gasto con línea de tendencia de regresión ajustada a los datos de Q: a) sitio experimental, b) entrada al campo de pastizal y c) entrada al área experimental. 

Se obtuvieron seis hidrogramas producto de las precipitaciones ocurridas en el sitio durante el periodo de estudio. Con los datos obtenidos y la aproximación analítica, se determinó el volumen de cada hidrograma. Dicha aproximación consiste en la solución exacta que se obtiene al integrar la función matemática que lo describe. Esta función se obtuvo mediante el paquete computacional CurveExpert 1.40, el cual permitió ajustar datos observados a diferentes funciones polinomiales (^{Sánchez-Cohen et al., 2015}).

El modelo polinómico que describe al hidrograma (𝑥) y el volumen total (V) es el siguiente:

Cálculo del flujo laminar

De acuerdo con el volumen dado por cada hidrograma en la sección de aforo a la entrada de área experimental, la lámina escurrida se calculó con la Ecuación 5 (^{Bolaños-González et al., 2001}):

donde LR es la lámina escurrida, V es el volumen escurrido (m³) y A es el área de la parcela (m²). La lámina de riego por hectárea aplicada en cada evento de lluvia se encuentra en el Cuadro 2.

La medición de los procesos de erosión y deposición de partículas de suelo en los puntos de interés se realizó después de los eventos de escurrimiento superficial en cada uno de los tratamientos evaluados. Las mediciones para estimar la pérdida de suelo se llevaron a cabo de julio a septiembre de 2017, periodo en que se presentaron los eventos de escorrentía superficial. Para medir la capa de suelo erosionada o depositada sobre la capa de referencia superficial, se utilizó un método similar al de los clavos con rondanas (^{Anaya, 1991}), el cual consiste en cuantificar el movimiento de las partículas de suelo como erosión (mm) y deposición (mm) sobre una placa de metal de 0.20 x 0. 20 m (Figura 4).

Figura 4 Distribución de tratamientos, placas de metal y puntos de muestreo (X) en cada tratamiento de cobertura. 

Para obtener la magnitud del movimiento del suelo en tres lados de la placa después de un evento de escurrimiento superficial, se midió el espesor de la lámina de suelo erosionada o depositada. Se colocaron tres placas de manera aleatoria por cada tratamiento. La erosión se midió en la pequeña depresión formada entre la placa de metal y el suelo. Para determinar la deposición, se midió la altura del suelo acumulado o depositado sobre la placa de metal.

La conversión de mm a t·ha^-1 del espesor de la lámina erosionada de suelo o de sedimentos depositados se realizó mediante la siguiente ecuación (^{Pizarro-Tapia & Cutiño-Martínez, 2002}):

donde Y es el suelo erosionado o sedimentado (t·ha^-1), X es la altura del suelo erosionado o sedimentado (m), Da es la densidad aparente del suelo (t·m^-3) y 10 es una constante en función del área de la placa. En el caso del sitio experimental, por las características del perfil del suelo, se consideró una Da de 1.3 t·m^-3.

Análisis estadístico

Los datos obtenidos se sometieron a un análisis de varianza y una comparación de medias de Tukey (P ≤ 0.05), para lo cual se utilizó el paquete estadístico Statistical Analysis System (^{SAS, 1991}). Adicionalmente, se utilizaron técnicas de regresión lineal y correlación Pearson para identificar la relación entre variables.

Precipitación pluvial

La precipitación pluvial en 2017 fue de 274.4 mm, lo cual se puede considerar como un año regular de lluvia, ya que el promedio anual histórico en la región es de 304.8 mm (^{Medina-García et al., 2005}). Se presentó lluvia prácticamente durante todo el año, a excepción de los meses de junio y noviembre. El período de mayor precipitación pluvial fue de julio a septiembre, con un total trimestral de 165.5 mm (Figura 5). Los datos anteriores coinciden con el carácter torrencial de lluvia en la región, con los consecuentes riesgos de erosión hídrica de los suelos (^{Velásquez-Valle et al., 2017}).

Figura 5 Comportamiento de la precipitación pluvial durante 2017 en el área de estudio en el municipio de Mapimí, Durango, México. 

Escorrentía superficial

Durante el período de estudio, ocurrieron seis eventos de escorrentía superficial. La mayor escorrentía se registró los días 21 y 28 de septiembre de 2017, con una altura de agua en el cauce de 20 y 44 cm, respectivamente. El resto de los eventos fueron menores a 10 cm. La Figura 6 muestra los hidrogramas obtenidos a partir de la información del aforo de las avenidas en el cauce. Los resultados del cálculo del volumen y la lámina escurrida por evento se presentan en el Cuadro 2. En los hidrogramas se puede observar que las dos primeras avenidas ocurridas en julio se debieron a lluvias torrenciales con diferente intensidad en la cuenca origen del escurrimiento, mientras que el resto del volumen escurrido por las avenidas fue producto de tormentas individuales de alta intensidad.

Figura 6 Hidrogramas de los eventos de lluvia en 2017 en el área experimental del municipio de Mapimí, Durango. Las líneas punteadas son los valores estimados y las líneas sólidas son los valores medidos. 

Erosión y deposición del suelo

La erosión del suelo fue significativamente mayor (P ≤ 0.05) cuando la superficie del suelo no tuvo cobertura (testigo), con un valor estimado de 58.6 t·ha^-1 (Cuadro 3). La cobertura del suelo con R+Z redujo significativamente (P ≤ 0.05) la erosión, al presentar un valor de 26.3 t·ha^-1. Estos resultados confirman que la presencia de residuos de cosecha sobre la superficie del suelo reduce la velocidad del flujo, lo cual disminuye la remoción de partículas (^{Ramos et al., 2016}). La cobertura del suelo con residuos de cosecha actúa como un obstáculo físico que disminuye la velocidad de desplazamiento de los escurrimientos y su esfuerzo critico cortante, además de favorece su infiltración (^{Hillel, 1998}). Los tratamientos Z y R presentaron valores intermedios a los mencionados anteriormente. Con respecto al proceso de deposición de suelo, se encontraron diferencias estadísticas entre los tratamientos R+Z y Z (con valores de 47.6 y 51.7 t·ha^-1, respectivamente), con respecto al testigo (26.1 t·ha^-1) (Cuadro 3).

En términos de erosión neta obtenida por la diferencia entre la erosión y la deposición por tratamiento (^{Khanbilvardi & Rogowski, 1986}), se puede señalar que, bajo las condiciones en las que se realizó el estudio, en los tratamientos con siembra de zacate existió un efecto de trampeo de sedimentos o deposición de los mismos (^{Dadkhah & Gifford, 1980}; ^{Liu et al., 2018}). Por su parte, el tratamiento R redujo notoriamente la erosión neta a 3.8 t·ha^-1, mientras que el testigo presentó un valor de 32.5 t·ha^-1 (Cuadro 3).

Proceso de erosión-deposición de partículas de suelo

El comportamiento de los valores de la lámina escurrida y el espesor de la capa de suelo erosionado y depositado para cada tratamiento se observa en la Figura 7. La efectividad de los tratamientos evaluados para reducir o evitar el trasporte de partículas de suelo (erosión) por flujo laminar es similar en todos ellos. En el caso del desprendimiento y transporte de partículas de suelo, se observa que a una mayor lamina escurrida (4.24 cm) la capa de suelo erosionado es muy similar en todos los tratamientos.

Figura 7 Relación entre la lámina escurrida y el espesor de la capa de suelo erosionada (línea roja) y depositada (línea azul) con diferentes tratamientos de cobertura de la capa superficial del suelo. R+Z = aplicación de 10 t·ha^-1 de rastrojo de maíz en la superficie del suelo más la siembra de 10 kg ha^-1 de semilla de zacate buffel; R = aplicación de 10 t·ha^-1 de rastrojo de maíz; Z = siembra de 10 kg·ha^-1 de zacate buffel; T = testigo (sin aplicación de cobertura al suelo). 

Los resultados obtenidos con el tratamiento R+Z sugieren que la reducción de la capa erosionada se debió a una disminución de la velocidad de los escurrimientos en las parcelas (^{Ramos et al., 2016}). Sin embargo, en el testigo se puede observar que a partir de eventos de escurrimiento de baja magnitud (<1 cm de carga hidráulica), el espesor de la capa de suelo erosionada muestra una tendencia de valores altos (>4.5 cm), lo cual hace suponer que, bajo condiciones de escasa cobertura vegetal, la ocurrencia de una lámina de flujo superficial sobre el suelo, por mínima que sea, ocasionará desprendimiento y transporte de partículas de suelo.

En el caso de la deposición de partículas de suelo, se observa que a la máxima lámina de escurrimiento estimada (4.24 cm) el espesor de la capa depositada varia de un tratamiento a otro (R+Z = 7.9 cm, R = 5.4 cm, Z = 6.2 cm y T = 2.7 cm) (Figura 7). En este sentido, se observa que los mejores tratamientos para retener el suelo corresponden a la siembra de pasto, y mejora si se combina con la aplicación de cubierta vegetal como el rastrojo de maíz (Z y R+Z). Lo anterior sugiere que, con el uso de este tipo de coberturas del suelo se forma una barrera que afecta la velocidad y el esfuerzo critico cortante del flujo, lo cual determina la cantidad de partículas de suelo en movimiento o transporte (^{Hillel, 1998}).

De acuerdo con la Figura 7, se puede observar que, a un mayor incremento en la lámina escurrida, mayor es la deposición de partículas de suelo. Este comportamiento se debe a que en el punto de medición la carga de sedimentos es mayor que la capacidad de transportarlos, por lo que ocurre la deposición (^{Lane & Nearing, 1989}). Aunado a lo anterior, la presencia de zacates en la superficie del suelo es un factor que actúa como berrera física que impide el arrastre de partículas de suelo hacia las partes bajas del terreno.

^{O’Farrell et al. (2009)} señalan que el manejo de la vegetación sobre la superficie del suelo influye en procesos hidrológicos como incremento de la infiltración, así como disminución del escurrimiento y de la conservación de la capa superficial del suelo. ^{Martínez et al. (2017)} indican que, en pequeñas parcelas, las diferencias en el escurrimiento y la producción de sedimentos, con respecto a parcelas largas, son debidas básicamente a la relación suelo/vegetación existente dentro de ella, sin considerar los patrones no uniformes de áreas de suelo sin cobertura.

Por lo anterior, en este tipo de estudios se requiere un enfoque de investigación básica multidisciplinaria con el fin de tener un mejor entendimiento de la relación dinámica entre los factores y procesos involucrados. En condiciones de flujo laminar, es necesario caracterizar el suelo, el sedimento (^{Le Bissonnais et al., 2004}), la vegetación, la cobertura (^{Mankin et al., 2007}; ^{Martínez et al., 2017}), la carga, el radio hidráulico y la velocidad del flujo (^{Ding & Li, 2016}; ^{Wang et al., 2018}), así como los cambios en la micro-topografía o rugosidad superficial (^{Luo et al., 2020}), para conocer con mayor precisión el comportamiento temporal y espacial del proceso erosión-deposición de sedimentos, y la manera en cómo influyen cada uno de estos factores en el desprendimiento, transporte y deposición de partículas de suelo.