Impacto del cambio climático en el desarrollo y requerimientos hídricos de los cultivos

Climate change impact on crop development and water requirements

Waldo Ojeda–Bustamante^1*, Ernesto Sifuentes–Ibarra², Mauro Íñiguez–Covarrubias¹, Martín J. Montero–Martínez¹

¹ Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA). 62550. Paseo Cuauhnáhuac 8532, Colonia Progreso. Jiutepec, Morelos, México. * Autor responsable: (wojeda@tlaloc.imta.mx).

² INIFAP–CIRNO–Campo Experimental Valle del Fuerte. Km. 1609. Carretera Internacional México–Nogales. Juan José Ríos, Sinaloa, México.

Recibido: Julio, 2010.
Aprobado: Noviembre, 2010.

Resumen

Debido al impacto del cambio climático la modificación de los componentes del ciclo hidrológico, principalmente la evapotranspiración y la precipitación, tendrá un efecto radical en las demandas de riego y en la gestión de los sistemas de riego. Las proyecciones del cambio climático indican un incremento de la temperatura ambiental, con variabilidad en el espacio y en el tiempo. En este trabajo se analizó el impacto esperado del cambio climático en las demandas hídricas y en el desarrollo de los cultivos usando proyecciones de cambio climático para el escenario de emisiones medio moderado (A1B), para las condiciones del Distrito de Riego 075, Río Fuerte, Sinaloa, México. Se estimó que para finales de siglo el aumento anual de la evapotranspiración de referencia será 10 % respecto a los valores actuales. La demanda hídrica de los cultivos se reducirá 13 % para el ciclo otoño–invierno, 6 % para el ciclo primavera–verano e incrementará 7 % en el ciclo de perennes para fines de siglo. Lo anterior se atribuye a que a pesar de que la evapotranspiración de referencia se incrementará, el mayor impacto por incremento de la temperatura será en la reducción del ciclo fenológico de los cultivos anuales. Por tanto es necesario implantar acciones de adaptación: en primer lugar el uso de híbridos o variedades de ciclo más largo que las actuales, con resistencia al estrés térmico, y en segundo lugar, la compactación del periodo de siembra hacia los meses más fríos.

Palabras clave: evapotranspiración, requerimientos hídricos, adaptación, distrito de riego.

Abstract

Due to the impact of climate change, the modification of water cycle processes, mainly evapotranspiration and precipitation, will have a radical effect on irrigation water demands and management of irrigation systems. Climate change projections indicate an increase in air temperature, with spatial and temporal variability. In this study, we analyzed the expected impact of climate change on water demands and crop development, by using climate change projections for the moderate–medium emissions scenario (A1B), for the conditions of Irrigation District 075, Río Fuerte, Sinaloa, México. It was estimated that by the end of the century, the annual increase of reference evapotranspiration will be 10 % compared to current values. Water demand for crops will be reduced by 13 % for the Autumn–Winter season and 6 % for the Spring–Summer season, and it will increase by 7 % for the Perennial season by the end of the century. This can be attributed to the fact that although reference evapotranspiration will increase, the greatest impact from a temperature increase will be in shortening the growing season of annual crops. Therefore, it is necessary to implement adaptation actions: in the first place, using longer season cultivars than those cultivated today, with resistance to thermal stress; and in the second place, compacting the planting season toward the colder months.

INTRODUCCIÓN

Como parte del cambio climático proyectado, los flujos térmicos y dinámicos de la atmósfera se modificarán debido a un incremento en la acumulación atmosférica de varios gases que intervienen en el efecto invernadero, cuyo origen es antrópico (Panel Intergubernamental de Cambio Climático; IPCC, por sus siglas en inglés, 2007). Así, las proyecciones de los Modelos de Circulación General Acoplados (MCGA) indican un incremento global significativo de la temperatura y del bióxido de carbono (CO₂) durante el presente siglo. Respecto a México, dichos modelos proyectan un decremento de la precipitación en la mayor parte de su territorio (Montero y Pérez, 2008).

La temperatura actúa en el desarrollo de los cultivos y el incremento de la temperatura ambiental puede afectar su tasa de crecimiento, limitar su actividad fotosintética y aumentar su respiración (Ellis et al., 1990; Lawlor, 2005). El acortamiento del ciclo fenológico puede reducir el rendimiento potencial de los cultivos, al disminuir el periodo de intercepción de la radiación, que es uno de los principales determinantes de la acumulación de materia seca y rendimiento (Monteith, 1981).

Se ha reportado un incremento de las demandas hídricas de los cultivos por efecto del cambio climático (Rodríguez et al., 2007) sin considerar el efecto de la temperatura en la duración del ciclo fenológico. Alien et al. (1991) muestran que estos cambios en los requerimientos de riego se derivan del efecto de la disminución de la precipitación, del impacto del incremento de la temperatura en la evapotranspiración de referencia (ET_o) y del acortamiento del ciclo fenológico.

Para las grandes planicies de Estados Unidos, Alien et al. (1991) indican una reducción del ciclo fenológico del maíz de hasta 80 d, y de 36 a 48 d en el trigo, y para la alfalfa señalan una iniciación temprana de su crecimiento y retraso de su latencia, lo cual resulta en un mayor número de cortes, mayor tasa de crecimiento y un mayor consumo de agua por año agrícola.

Los cambios en los patrones climáticos actuales afectarán el desarrollo y los procesos fisiológicos de los cultivos. Se espera un impacto diferencial en las demandas hídricas de los cultivos por efecto del cambio climático. Aunque existe la metodología general para estudiar dichos impactos con resultados para varias zonas agrícolas, se requiere analizarlos localmente con información validada en campo, dada la variabilidad espacial y temporal en las proyecciones de cambio climático esperadas (Rosenzweig y Daniel, 1989; Goyal, 2004). Ante la falta de estudios que cuantifiquen para México los posibles cambios en las demandas hídricas y en el desarrollo de los cultivos por efecto del cambio climático, el objetivo del presente trabajo fue cuantificar dichos impactos y las posibles acciones de adaptación, para las condiciones del Distrito de Riego 075, Río Fuerte, Sinaloa, México.

MATERIALES Y MÉTODOS

El DR–075 cuenta con una base de datos con información parcelaria de los últimos 10 años agrícolas, que ha sido generada con el sistema de pronóstico de riego en tiempo real (Spriter) (Ojeda–Bustamante et al., 2007). Dicha base se usó para obtener el plan de cultivos de un año agrícola típico. Un año agrícola se consideró del 1 de octubre (día juliano 274) al 31 de septiembre del año siguiente.

El plan de cultivos típico del DR–075 indica que 11.7 % de la superficie tiene cultivos perennes (PER) y 88.3 % cultivos anuales, de estos 80 % es de ciclo otoño–invierno (OI) y 20 % de segundos cultivos de ciclo primavera–verano (PV). El porcentaje de la superficie sembrada por cultivo y por ciclo es 65.9 % Zea mays (maíz), 19.5 % Phaseolus vulgaris (frijol), 6.7 % Solanum tuberosum (papa), 4.1 % Solanum lycopersicum (jitomate) y 3.9 % con otros cultivos en el OI. En el ciclo PV, hay segundos cultivos de superficie sembrada en OI: Sorghum bicolor (sorgo, 64.6 %), maíz (33.8 %) y otros cultivos (1.6 %). Los cultivos perennes son Saccharum officinarum L. (caña de azúcar) con 62.3 %, forrajes (principalmente Medicago sativa, alfalfa) con 19.8 %, y frutales (principalmente Mangifera indica, mango) con 17.9 %.

Los datos climáticos del periodo de 1961 a 1990 fueron obtenidos de la estación "Los Mochis" (25.82° N, 109.0° O, y altitud de 14 m). La temperatura media anual es de 24.6° C y la precipitación acumulada de 340 mm, concentrada de julio a octubre, que corresponden a los meses más calientes del año. La ET_o tiene un valor medio anual de 4.2 mm d^–1, con intervalo de 2.3 a 6 mm d^–1.

Actualmente las herramientas mejores para estimar proyecciones de cambio climático son los MGCA (IPCC, 2007). Sin embargo, debido a diferencias en su conceptualización y parametrización de la física y la dinámica de la atmósfera, estos modelos presentan una incertidumbre en la evolución proyectada del clima. El IPCC en su Cuarto Reporte de Evaluación considera 23 MGCA que incluyen algunos de los seis diferentes escenarios de emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) conocidos como SRES: B1, B2, A1T, A1B, A1FI, y A2 (IPCC, 2007). En este trabajo se utilizó el escenario de emisiones medio moderado A1B, el escenario más utilizado en estudios de cambio climático, que considera que la sociedad usará en forma balanceada todas las fuentes energéticas renovables y agotables, e incluyen las de origen fósil (IPCC, 2007).

En el presente estudio se utilizaron proyecciones mensuales para el periodo 2011–2098 con una malla regular de 0.5°X0.5° (~50X50 km) obtenida por técnicas estadísticas de reducción de escala a partir de datos de modelos MCGA. La base de datos de precipitación y temperatura de superficie (media, máxima y mínima) fue obtenida a través de promedios ponderados de las proyecciones de los 23 MCGA, disponible en del centro de distribución de datos del IPCC (http://www.ipcc–data.org), según la metodología usada por Montero y Pérez (2008).

Con el objeto de estudiar el impacto del cambio climático en el desarrollo y requerimientos hídricos de los cultivos de importancia del DR–075, se generaron valores promedio de las variables climáticas temperatura y precipitación, para cuatro periodos de tiempo: P₀, P₁, P₂ y P₃. El primero, P₀, se relaciona con el pasado reciente y corresponde al promedio de las variables climáticas para el periodo base de 1961 a 1990. Los escenarios P₁, P₂ y P₃ definen el promedio de valores mensuales de los periodos entre 2011 y 2040, 2041 y 2070 y 2071 y 2098, respectivamente.

Se usó el concepto de días grado de desarrollo (°D) para predecir la duración de las etapas fenológicas de los cultivos de la zona de estudio, el cual requiere del conocimiento de la temperatura media ambiental diaria (Ta). Aunque existen varias alternativas para calcular los °D (McMaster y Wilhelm, 1997), en este trabajo se siguió la utilizada por Ojeda–Bustamante et al. (2006) debido a que había sido calibrada para la zona de estudio. Se usaron datos experimentales de Mendoza et al. (2003) para estimar el efecto actual de la fecha de siembra y duración del ciclo fenológico en el rendimiento del maíz.

Los requerimientos hídricos de los cultivos se calcularon de acuerdo con la metodología de la FAO (Alien et al., 2006) en la forma de ET_c = K_cET_o, donde K_c es el coeficiente de cultivo expresado en función de los °D de acuerdo a las ecuaciones propuestas por Ojeda–Bustamante et al. (2006). Los cálculos de ET_c de los cultivos, para los tres ciclos de un año agrícola típico del DR–075, se realizaron mediante un programa computacional equivalente al CropWat (Clarke et al., 1998). El uso de este programa facilitó la estimación de la duración de las fases fenológicas de los cultivos en función de la temperatura en el ciclo fenológico, al tenerse implícito un modelo de desarrollo de los cultivos basado en °D, y sus parámetros fueron calibrados para los cultivos de la zona como lo hizo Ojeda–Bustamante et al. (2006) para el cultivo de maíz.

La ET_o fue calculada con la ecuación de Penman–Monteith con los promedios diarios mensuales como lo realiza el programa CropWat. Con los porcentajes de la superficie de los cultivos establecidos por ciclo agrícola se obtuvieron las curvas de las demandas hídricas de los cultivos de los tres ciclos agrícolas de un año agrícola típico para el DR–075 de los cuatro periodos estudiados.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Proyecciones de cambio climático

La línea de tendencia promedio proyectada por los modelos MCGA indica un incremento anual en la temperatura media de 0.03 °C por año en el periodo de 2010 a 2098 para el DR–075, en el escenario de emisiones A1B. La temperatura media diaria mensual, respecto al periodo P₀, se incrementará en promedio 1.0, 2.2 y 3.0 °C durante los periodos P₁, P₂, y P₃, respectivamente. La variación anual de la precipitación disminuirá menos de 30 % para finales del siglo, respecto al valor promedio de P₀. La lluvia anual disminuirá en promedio 62, 70 y 110 mm durante los periodos P₁, P₂, y P₃.

Se calculó un valor anual acumulado de la ET_o de 1554 mm para el periodo base P₀. Al introducir las proyecciones en los valores de las variables meteorológicas para el escenario de emisiones A1B, con respecto a P₀ se estimó un incremento en la ET_o anual del 3, 6 y 10 % en los periodos P₁, P₂, y P₃.

Requerimientos hídricos actuales de los cultivos

En el DR–075 existe un periodo amplio de siembra de los cultivos de un año agrícola típico. La mayor superficie establecida con los cuatro principales cultivos del ciclo otoño–invierno (OI) se presenta en el periodo juliano del día 280 al día 15 del siguiente año (inicios de octubre y hasta mediados de enero) (Figura 1A). Con excepción del jitomate, que tiene periodo de siembra amplio, el periodo de cosecha de los cultivos de OI se concentra en el periodo del día juliano 1 al día 140 (de inicios de enero a mediados de mayo).

Los requerimientos hídricos de los cultivos dependen principalmente de la especie, variedad, etapa fenológica, fecha de siembra y condiciones ambientales del ciclo fenológico (Alien et al., 2006). Las demandas hídricas máxima de los cultivos no se presentan en el mismo periodo (Figura 1B), debido a la variabilidad del periodo de siembra de cada cultivo, condiciones ambientales del DR–075 y diferencias en el consumo de agua, intrínsecas a los cultivos, dadas por su K_c y duración de las fases fenológicas.

La Figura 2 presenta las curvas de los tres ciclos agrícolas del periodo base P_o, obtenidas al integrar la aportación ponderada de las demandas hídricas de los cultivos por ciclo. Las demandas hídricas máxima del ciclo PV es mayor que las del ciclo OI, debido a su temporada de siembra y cosecha más corta y a que su ciclo fenológico coincide con el periodo más caliente del año. El ciclo de perennes (PER) es el ciclo con mayor demanda hídrica diaria: acumulada y máxima por lo que su superficie es restringida en el DR–075. Lo anterior presenta la misma tendencia que la observada por Alien et al. (1991) con el incremento de las demandas hídricas de los cultivos perennes y el decremento de los cultivos anuales con respecto al periodo base.

Actualmente el maíz en el DR–075 presenta la mayor duración del ciclo fenológico en OI, específicamente para siembras de la segunda quincena de noviembre (juliano 330 a 335). La duración del ciclo fenológico de 16, 30 y 42 días páralos periodos P_1; P₂ y P₃, respectivamente, muestra un decremento comparado con la duración del ciclo para el periodo P₀, en el que la variación no es significativa (Figura 3A).

Ojeda–Bustamante et al. (2006) señalaron una variación actual en el DR–075 de la duración del ciclo de maíz de hasta 15 días en el intervalo amplio de fechas de siembra (de día juliano 274 al 350). La reducción del ciclo fenológico de los cultivos se traducirá en reducción del rendimiento, al reducirse los periodos de absorción de nutrientes, de intercepción de energía solar y de actividad metabólica (Monteith, 1981). Para contrarrestar el efecto de reducción del ciclo del maíz, será necesario usar variedades con mayores requerimientos de calor (ciclo más largo) para mantener periodos equivalentes en el desarrollo de los cultivos. Se estimaron incrementos de 200, 340 y 440 °D en las nuevas variedades de maíz que serán demandadas para los periodos P_1; P₂ y P₃, lo que implica el incremento en días–grado acumulados del 13, 21 y 28 % respecto a las variedades intermedias de maíz usadas actualmente en el DR–075.

Temperaturas ambientales superiores a las óptimas pueden disminuir la tasa fotosintética, incrementar las tasa respiratoria, acelerar el desarrollo y crecimiento de los cultivos y acortar la duración del ciclo fenológico (Lawlor, 2005). Los resultados muestran (Figura 3B) que los rendimientos del maíz se reducirán a medida que se incremente la temperatura y acortarán su ciclo fenológico por cambio climático (Figura 3A), tal como lo reportaron Rosenzweig y Daniel (1989). Para mantener en 10 % la reducción máxima de los rendimientos futuros, la temporada de siembra debería reducirse 6, 21 y 38 % para los periodos P_1; P₂ y P₃, respectivamente, respecto a la temporada actual del periodo base (P₀), entre el día 258 juliano al 15 (mediados de septiembre a mediados de enero).

Durante el ciclo PV, principalmente del día juliano 121 al 243, entre mayo y agosto, se presentarán con mayor frecuencia, durante el día, temperaturas ambientales superiores a la óptima de los cultivos. Esto puede disminur el rendimiento del maíz, debido a problemas en la polinización, incremento de la respiración y disminución de la fotosíntesis (Lawlor, 2005). El incremento en la temperatura acortará el ciclo fenológico de todos los cultivos, lo que genera su desfasamiento (adelanto) tanto en los cultivos del ciclo OI como en los de PV, menor en los últimos.

Impacto proyectado del cambio climático en los requerimientos hídricos de los cultivos

Se anticipa una disminución en los valores de la ET_c diaria: máxima y acumulada del año agrícola para la zona de riego (ET_c–ZR) para los cuatro períodos analizados. El periodo más caliente (P₃, Figura 4) presenta la mayor reducción de ET_c, respecto al periodo actual (P₀). Lo anterior se debe a la mayor superficie sembrada con cultivos del ciclo OI en el DR–075, al acortamiento futuro de los ciclos anuales y a la tasa mayor de su desarrollo, respecto al periodo actual, que anula el incremento esperado de la ET_o. Los días en los que se presenta la máxima ET_c–ZR actualmente (P₀) son cálidos (periodo juliano 100–110, abril); sin embargo, a medida que el cambio climático se manifieste con mayor intensidad, esos valores máximos se presentarán en los meses más fríos (Figura 4), lo que anulará el efecto del incremento en ET_o debido al incremento de la temperatura.

Se obtuvieron tendencias similares a las reportadas por Alien et al. (1991) para cambios de ET_c por impacto del cambio climático, disminución de ET_c para cultivos anuales y su incremento para cultivos perennes. Los cambios de la ET_c de los cultivos OI se reducen casi al doble que los valores estimados para el ciclo PV, con respecto a los valores actuales (P₀) en los tres periodos proyectados (Cuadro 1). Sólo el ciclo de perennes muestra incremento de ET_c en el transcurso del presente siglo, respecto al periodo base P₀ (Cuadro 1). La ET_c–ZR del año agrícola disminuye 2, 6 y 8 % la evapotranspiración de la zona de riego en los periodos P₁, P₂ y P₃, respectivamente, respecto al periodo actual P₀. El análisis anterior se realizó asumiendo que los cultivos y variedades usadas actualmente se mantendrán, se consideraron también proyecciones climáticas promedio ponderadas de varios modelos de simulación climática en el escenario de emisiones A1B. Los cambios de las demandas hídricas de los cultivos podrían ser mayores si se usan otros escenarios de emisiones o proyecciones climáticas de otros modelos MCGA.

El uso de variedades de ciclo largo y resistente al estrés térmico, así como la compactación del periodo de siembra, para contrarrestar los efectos del cambio climático en el rendimiento de los cultivos, pueden incrementar las demandas hídricas por arriba de los valores mostrados en el Cuadro 1. Además, un incremento proyectado en las concentraciones de CO₂, puede causar un incremento en la productividad neta de los cultivos y una disminución de sus tasas de transpiración al inducir un cierre parcial de los estomas por enriquecimiento carbónico (Alien et al., 1991).

Los cambios en los patrones actuales de la temperatura podrían ocasionar grandes efectos en la demanda hídrica de los cultivos, en el manejo de los cultivos y en la planeación de los recursos hídricos de las zonas de riego. Potencialmente, el incremento de la temperatura ambiental, por efecto del cambio climático, provocará reducción de las demandas hídricas acumuladas por acortamiento del ciclo fenológico de los cultivos del ciclo OI, y en menor grado para los cultivos del ciclo PV, mismo que anulará el incremento de la ET_o. Sin embargo, en los cultivos perennes se presentará un efecto opuesto, las demandas hídricas se incrementarán.

Las posibles acciones de adaptación al cambio climático para contrarrestar la reducción en el ciclo fenológico de los cultivos anuales, y en consecuencia de su rendimiento, son: restringir el periodo de siembra a los periodos fríos para que generen mayor duración del ciclo de cultivo, y usar variedades de ciclo largo resistentes al estrés térmico e hídrico, y soporten temperaturas mayores a las que se presentan actualmente.

LITERATURA CITADA

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