Application of a mathematical model to predict and reduce wind erosion in non-protected arid lands

N. I. Eltaif^¶; M. A. Gharaibeh

Departamento de Recursos Naturales y Medio Ambiente, Facultad de Agricultura, Universidad de Jordania de Ciencia y Tecnología, Apartado Postal: 3030, 22110. Irbid, Jordania. Correo-e: nieltaif@just.edu.jo (^¶Autor para correspondencia).

Recibido: 23 de agosto, 2010 ]]> Aceptado: 4 de octubre, 2011

RESUMEN

La erosión eólica es uno de los problemas más graves de la degradación del suelo en zonas áridas y semiáridas del mundo. El cálculo de la erosión potencial para el área de estudio, es en un promedio de 70.2 mg·ha^-1·año^-1. En un intento por reducir la erosión eólica se utilizó un modelo matemático. Los resultados mostraron que al utilizar longitudes pequeñas subsiguientes predeterminadas, se reduciría en gran medida la erosión eólica, pero no lo suficiente. La erosión eólica tiende a disminuir con la reducción de la distancia del campo; sin embargo, el nivel aceptable de pérdida de suelo no se obtuvo aplicando una longitud pequeña del campo de 50 metros y un valor de cresta de 0.5. El modelo utilizado permite extraer algunas conclusiones preliminares sobre las prácticas de conservación posibles (cubierta vegetal) para mitigar la erosión eólica. Los cálculos indican que el uso de 250 a 500 kg·ha^-1 de residuos vegetales parecen ser suficiente para disminuir la pérdida de suelo a un nivel aceptable (~ 2 mg·ha^-1), independientemente de los valores de K y L.

Palabras clave: Región árida, residuos de cosechas, la longitud del campo, la erosión potencial, la rugosidad del canto.

ABSTRACT

Soil wind erosion is one of the most serious land degradation problems in the arid and semi-arid regions of the world. Calculation of the potential erosion for study area averaged 70.2 Mg·ha^-1·year¹. In an attempt was made to reduce wind erosion using a mathematical model. Results showed that applying short predetermined succeeding lengths reduced wind erosion greatly but not fairly enough. Wind erosion tends to decrease with decreasing field distance; however the tolerable level of soil loss was not achieved by applying a short field length of 50 m and a ridge value of 0.5^. The used model helps to draw some preliminary conclusions about the possible conservation practices (vegetative cover) to mitigate wind erosion. Calculations indicated that using 250 to 500 kg ha^-1 of plant residues seems to be adequate to diminish soil loss to a tolerable level (~ 2 Mg·ha^-1) irrespective of K and L values.

Key words: Arid region, crop residues, field length, potential erosion, ridge roughness.

La erosión eólica, en comparación con la erosión hídrica, es uno de los principales problemas de la degradación del suelo en zonas áridas y semiáridas. Sin embargo, son muy pocas las investigaciones que existen acerca de los procesos de erosión eólica en estos entornos. La desertificación en las regiones áridas de Asia y en la mayoría de la región de Irak se caracteriza por la salinización (Dregne, 1991). Por otra parte, la salinización en áreas de riego del sur de Irak es algo desafiante y difícil de controlar. Los suelos profundos de textura fina combinados con una topografía plana dificultan que se cuente con un drenaje adecuado para mantener un nivel freático profundo y que se evite la acumulación de sales. Se han desarrollado y aprobado con éxito las técnicas de manejo del agua y del suelo adecuadas para las condiciones de Irak, sin embargo los problemas técnicos son menos complicados de solucionar que los problemas sociales (Dougramedji, 1999). Una de las áreas identificada como propensa a erosión eólica se localiza en la parte central y alta de las llanuras sedimentarias al sur de Irak. Estas llanuras, que se extienden entre la parte oriental del río Éufrates y las áreas del sur de Bagdad, son las zonas más afectas por la erosión eólica. Las dunas de seudo arena en esta área, que cubren aproximadamente un millón de hectáreas, se caracterizan por su sequedad y la erosión de la superficie del suelo, y esto en consecuencia limita el nacimiento de plántulas.

Las condiciones áridas y semiáridas prevalecientes, con una precipitación media anual <120 mm impusieron restricciones significativas en la producción agrícola. Estas condiciones incluyen: tierra suelta, seca y finamente dividida; una superficie de suelo liso que carece de una cubierta vegetal; campos grandes y vientos fuertes que producen y aceleran una erosión eólica (FAO, 1994). El régimen de humedad del suelo es notablemente árido, los suelos contienen muy poca materia orgánica, con una textura franco-arenosa a franco-arcillosa y principalmente solución salina.

El singular clima actual, el manejo de la tierra y las escazas prácticas de manejo contribuyen significativamente a la degradación del suelo por erosión eólica. Las prácticas de manejo implican algunos cultivos en hileras utilizando árboles que resistan condiciones secas y que se adapten a los sistemas modernos de riego.

La ecuación de la erosión eólica (WEQ, por sus siglas en inglés) fue desarrollada por Woodruff y Siddoway (1965). Skidmore et al. (1970) aplicó una sencilla solución computacional para resolver la WEQ. La relación funcional general entre la variable dependiente E (el potencial de la pérdida media anual de suelo) y las variables equivalentes o factores principales es: E = f(l,K,C,L,V), donde I es el índice de erodabilidad del suelo, K es el factor de rugosidad, C es el factor climático local, L es la longitud del terreno en la dirección prevaleciente de los vientos y V es el equivalente de cobertura de vegetación.

El sistema de cultivo más común es la rotación tradicional de cebada-barbecho, donde la mayor parte el suelo se deja bajo un periodo largo de barbecho. Además, el sobrepastoreo podría aumentar el riesgo de erosión eólica en tierras barbechadas, principalmente durante los años de sequía cuando los bajos rendimientos del cultivo generan una cobertura de residuos insuficiente. Estos factores se analizaran más adelante con mayor detalle.

El objetivo de este estudio fue determinar la erosión eólica anual en una tierra árida en barbecho con respecto a las condiciones de suelo y clima existentes y evaluar las medidas posibles para reducir la erosión eólica durante los periodos más críticos de barbecho utilizando un valor estimado de pérdida de suelo a partir de la Ecuación de la Erosión Eólica.

MATERIALES Y MÉTODOS

Caracterización del terreno

Las encuestas salinas realizadas en diferentes áreas del proyecto en Irak revelan que los suelos de los llanos del Tigris y Éufrates, al sur de Bagdad, son altamente salinos (EC 15-30 dS·m^-1). Casi 0.5 Mha (>50 % de las áreas cultivadas) tienen una conductividad eléctrica >16 dS·m^-1 (suelos superficiales). Estos suelos no son adecuados para el cultivo ni muy tolerantes a la salinidad y con muy pocas excepciones, algunos son alcalinos. Aunque muy pocas veces el pH de la pasta del suelo sobrepasa el 8.5, es muy común que el porcentaje de sodio intercambiable (ESP, por sus siglas en inglés) se encuentre por arriba de 50. Se estima que el promedio de ESP para todos los suelos salinos (suelos superficiales) se encuentre entre el 20 y 25 %, el carbonato de calcio entre 20 y 30 % y el contenido de yeso en un 0.5%.

Valoración de erodabilidad del suelo (I)

El porcentaje de la fracción de suelo seco se determinó utilizando un tamiz plano convencional (Skidmore, 1994). Se pesó y tamizó 1 kg de capa superficial seca (0-15 cm) utilizando un diámetro de apertura de 0.84 mm hasta que los agregados pasaran por un diámetro menor a los 84 mm. El porcentaje de los agregados del suelo >0.84 mm caracteriza el estado de los agregados del suelo durante el periodo de erosión. La erodabilidad del suelo provocada por el viento, a menudo se calcula utilizando la siguiente ecuación:

Donde I es la erodabilidad del suelo (mg·ha¹), X es el porcentaje de la fracción de suelo seco > 0.84 mm.

Estimación del factor de rugosidad de la cresta (K)

El factor (K) determina la reducción factorial de la erosión ocasionada por los agregados no erosionables y está influenciado por el espaciamiento y la altura de la cresta.

Donde KR es la rugosidad de la cresta (mm), HR es la altura de la cresta (mm) e IR es el intervalo de la cresta (mm). El factor (K) es una función de la rugosidad de la cresta, expresado por la siguiente ecuación.

Sin embargo, Zachar (1982) sugirió que el valor de K para los campos elevados puede ser calculado de la siguiente manera:

Donde R _1:4 es el espaciamiento estándar de la cresta (1:4), R _1:4 es el espaciamiento medido de la cresta (1: X), HR es la altura de la cresta.

Saleh (1994) desarrolló un sencillo método para medir la rugosidad de la superficie del suelo empleando una cadena de rodillos. Este método se basa en los principios cuando una cadena con longitud determinada (L₁) se coloca sobre una superficie, la distancia horizontal entre el final de la cadena (L₂) disminuirá al aumentar la rugosidad. La rugosidad de la superficie del suelo (Cr) se obtiene usando la proporción L₂/L₁ de la siguiente manera:

La orientación de la cresta se determinó con respecto a la dirección predominante del viento.

Estimación de la erosividad del viento (C)

El factor climático se expresó de la siguiente manera:

Donde U es la velocidad media anual del viento corregida a 9.1 m y PE es el índice de efectividad de las precipitaciones de Thornthwaite (Thornthwaite, 1931). El valor 386 es el factor atribuido a las condiciones en Garden City, KS, EE.UU. Así como el índice PE se reduce cuando la precipitación es escaza, como ocurre en las regiones áridas, el factor climático en la ecuación 8 tiende a infinito.

En 1979, la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) modificó el índice de Chepil (Chepil et al., 1962) y propuso un factor climático (C) para determinar la pérdida media anual de suelo para las condiciones climáticas áridas y semiáridas. El factor climático propuesto se considera con un índice para la erosión eólica y es influenciado por la precipitación (P), la evapotranspiración potencial (PE) y la velocidad media de los vientos.

Donde U es la velocidad media mensual del viento a 2 m de altura; m·sec^-1, PE_j es la evapotranspiración potencial mensual (mm), P_i es la cantidad de lluvia mensual (mm) y D es el número de días en el mes correspondiente. A medida que la precipitación se aproxima a cero, la velocidad del viento domina el factor climático. Por el contrario, cuando la precipitación se acerca a la evapotranspiración potencial, el factor climático se aproxima a cero.

Estimación de la longitud del campo

La longitud del campo fue considerada como la longitud del campo en la dirección prevaleciente de la erosión eólica (Woodruff and Siddoway, 1965). No obstante, en algunas ocasiones los vientos provienen de diferentes direcciones, por ello prácticamente no existe dirección de la erosión eólica. En algunos de los esfuerzos de modelación, el procedimiento para determinar L en la ecuación de la erosión eólica fue simplificado haciendo caso omiso a las distribuciones de la dirección del viento.

Determinación de la cobertura vegetal (V)

Donde (SG), es el equivalente de grano pequeño plano (kg/ha), X es la cantidad de residuos o hierbas a convertir y a, b son las constantes que se obtuvieron a partir de los cuadros ya preparados (Lyles and Allison, 1981). Se determinó una ecuación promedio a partir de la agrupación de todos los datos de los cultivos con hileras perpendiculares a la dirección del viento, 8.9 y 0.9 para a y b, respectivamente. Se requiere tanto del equivalente de grano pequeño plano o del factor vegetativo para los distintos procedimientos para estimar la erosión eólica. La relación entre el equivalente de grano pequeño y plano y la cobertura vegetal fue demostrada gráficamente por Woodruff y Siddoway (1965). Williams et al. (1984) creó una ecuación para la relación gráfica:

La cubierta vegetal (V), observada en la ecuación.11, es una función del equivalente de grano pequeño. Si éste se desea para los tallos de altura, la muestra podría ser cortada a una altura adecuada antes de determinar un peso real en seco.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Aplicación de la ecuación de la erosión eólica.

Se han aplicado varios métodos para alcanzar la solución de la WEQ utilizando graficas, figuras, cuadros, reglas de cálculo, computadoras, etc. La interrelación entre las variables es complicada. Las siguientes series de ecuaciones pueden ser utilizadas para resolver la ecuación (Skidmore, 1994).

El primer paso es determinar la erodabilidad del suelo, I.

Representación de la rugosidad de la cresta:

El factor climático

La inclusión de la longitud del campo es la siguiente:

Donde

y

Donde WF es el factor de la longitud del campo y representa la influencia de la longitud en el cálculo de la reducción de la erosión y L₀, es la longitud máxima del campo para calcular la reducción de la erosión eólica.

La función de la cobertura vegetal equivalente se expresa de la siguiente manera:

Los parámetros ψ1 y ψ2 son las funciones del factor Vtal como lo describe Williams et al. (1984).

Donde V esta (mg·ha¹) determinada por la ecuación [11].

Aplicación de la WEQ en el área estudiada para prevenir la pérdida potencial del suelo

Se calculó la erodabilidad del suelo (/) para los seis sitios utilizando la ecuación 1, los valores se presentan en el Cuadro 1. El factor (K) toma en cuenta la resistencia que tienen las crestas a la erosión eólica, este factor está representado por la relación entre la altura y el espacio de la cresta. Debido a que no existían crestas establecidas en el área estudiada, se asigno el valor de 1 al factor K, por ello, el valor de la erodabilidad (/) no deberá verse afectado por la rugosidad provocada por la labranza.

El factor climático (C) fue calculado utilizando la ecuación 9, la cual se presenta en el Cuadro 2. Sin embargo C se basa en la velocidad de la erosión eólica y representa la influencia de la precipitación, la evapotranspiración potencial, y la velocidad del viento.

La erosión eólica esperada anualmente en los campos barbechados con respecto al suelo existente y a las condiciones climáticas se obtuvo a partir de las ecuaciones 13 y 14 para los 6 sitios (Cuadro 2). La erosión eólica potencial osciló entre 24.3 a 159.3 mg·ha^-1·año^-1 con un valor de la media geométrica de 70.2 mg·ha^-1·año ^-1 (Cuadro 2). Los datos indicaron que las regiones que relativamente tenían un factor climático bajo se unieran con los factores altos de erodabilidad del suelo, mientras que las regiones con un factor climático alto se unieran con los valores bajos de erodabilidad.

Eltaif et al. (1989) reportó una erosión eólica potencial de 65 mg·ha^-1·año ^-1 en un sitio diferente con una superficie similar de suelo y con condiciones climáticas similares. De acuerdo con la clasificación establecida por la FAO (FAO, 1994) la erosión eólica prevista fue alta a muy alta en todos los campos en barbecho estudiados en la misma zona que van de 24.3 a 159.3 mg·ha^-1. Los valores altos, de la erosión eólica prevista, son explicados ya sea por la gravedad de los factores climáticos y por la alta erodabilidad de los suelos salinos débilmente agregados que fácilmente pueden ser llevadas por el viento cuando se secan en la superficie. Además, las cantidades pequeñas de los residuos del cultivo junto con los extensos campos desprotegidos podrían definitivamente aumentar el riesgo de erosión en el área de estudio en ausencia de algunas prácticas de control.

Sin embargo, las áreas estudiadas con un valor promedio de 70.2 mg·ha^-1·año^-1 presentaron un alto riesgo de erosión eólica (Mchugh et al., 2005). En general, la pérdida de suelos a partir de la WQE fue sobreestimada en regiones con poca precipitación y subestimada en zonas con altas precipitaciones (Fryrear et al., 2001).

Cabe mencionar que el modelo de erosión eólica perfeccionado (RWEQ) has sido desarrollado utilizando los datos de campo. La estimación de la erosión manejando este modelo, fue más aproximada a los valores medidos para cualquier sistema de cultivo o región climática que la estimación de la erosión con la WEQ (Fryrear et al., 2000). En el presente estudio, la estimación de la erosión a partir de la WEQ se utiliza para designar medidas óptimas para controlar la erosión eólica al determinar cual combinación (K, L y V) es la que se requiere para reducir la pérdida de suelos a un nivel aceptable.

Prácticas de control de erosión eólica para reducir la erosión potencial a un nivel aceptable utilizando un modelo matemático.

Las prácticas sugeridas por la ecuación de la erosión eólica para controlar la pérdida de suelo incluyen: estabilizar la superficie erodible con materiales diferentes, producir una superficie áspera con terrones, reducir la longitud del campo o la distancia por la cual el viento viaja para cruzar un campo sin protección con barreras y cultivos en hileras, y establecer y mantener una cubierta vegetal suficiente (Skidmore, 1994).

En el presente estudio, se realizó un intento para controlar la erosión eólica al determinar cual combinación (K, L y V) es requerida para reducir la pérdida de suelo a un nivel aceptable. Así, para los campos con mayor riesgo a erosión, donde las crestas son utilizadas perpendicularmente a la dirección predominante, una rugosidad del suelo al azar K de 0.5 relacionada con condiciones especificas reduciría la erosión eólica esperada en un 50 %. En este caso, cuando K= 0.5, E1 = 87.7 mg·ha^-1, por ello E2= 87.7*0.5= 43.9 mg·ha^-1. E3= 43.9*0.80 =35.1 mg·ha^-1.

El factor de la rugosidad de la cresta del suelo y la condición de la superficie del campo en un momento determinado durante el análisis de erosión, tal como la cresta y los terrones ocasionados por la labranza y los implementos de siembra, son usualmente descritos por el valor K, el cual es un decimal de 0.1 a 1.0.

En éste estudio las siguientes condiciones fueron consideradas al azar para el valor K.

1. Campos sin rugosidad de las crestas (KR < aproximadamente 2 mm): K=1

2. Campos con rugosidad aleatoria de las crestas (KR=12 mm): K= 0.75

3. Campos con rugosidad al azar de las crestas (KR=60 mm): K= 0.50

No obstante, en las regiones semiáridas como Irak, donde la producción de residuos apropiados es limitada; la rugosidad de la superficie del suelo mediante la labranza es el principal medio para un control eficaz de la erosión eólica. En los campos erosionables desprotegidos, la tasa de flujo del suelo es de cero en el borde de barlovento y aumenta con la distancia hasta alcanzar un valor máximo. Sin embargo, un campo con una longitud aproximada de 300 m podría necesitar en muchos casos aproximarse a la capacidad de transporte para la saltación de flujo en los campos de cultivo al descubierto (Zobeck et al., 2003). Por ello, esta investigación propone campos con longitudes diferentes (50, 100, 200, 300, 400 and 500 m) para evaluar la erosión eólica con la ayuda de las ecuaciones 15, 16, y 17. La pérdida de suelo por viento cuando K=1, 0.75 y 0.5 se observa en el Cuadro 3.

Las soluciones de la WEQ muestran la cantidad de erosión eólica esperada anualmente (E4) para las diferentes longitudes de los campos agrícolas. En todos los valores de K, se mostró una tendencia creciente en la pérdida de suelos al adoptar campos con longitudes más cortas. Mchugh et al., (2005) indicó que la erosión es un proceso implícito natural que no puede ser evitado pero que puede ser controlado a un índice aceptable. Dado que se sabe poco acerca del índice de formación del suelo, salvo que son extremadamente lentos, en algunas ocasiones se acepta un valor de 1 mg·ha^-1 (equivalente a 0.1 mm·año^-1) como la tasa media anual para la temperatura de las áreas. En un enfoque más pragmático, se considera que puede ocurrir un daño ambiental si no se toman medidas de control en el lugar. No obstante, aún cuando se usó el campo con la longitud más pequeñas (50 m) y con el valor más bajo de la cresta (0.5), la pérdida del suelo fue de 7.59 mg·ha^-1·año^-1, mientras que el nivel aceptable fue de ~2 mg·ha^-1 (Cuadro 3).

La vegetación es utilizada ampliamente para controlar la erosión eólica. Al ejercer una carga para el flujo del aire, la vegetación puede reducir la velocidad del viento debajo de lo requerido para iniciar la erosión y puede mejorar la deposición del suelo que se lleva el aire. Los cultivos de cobertura, dondequiera cultivados, dan una protección eficaz contra la erosión eólica y su valor protector y las variaciones pueden ser estimadas utilizando las ecuaciones del 15 al 20.

No obstante, el USDA (Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, por sus siglas en inglés) (1993) señaló que tanto el 30 % de la cubierta vegetal del suelo o los 450 kg·ha^-1 son considerados como suficientes para que exista un control de la erosión eólica. Nuestros cálculos con respecto a las condiciones que prevalecen en Irak, al utilizar de 250 a 500 kg·ha^-1 de residuos de plantas parecen ser adecuados para disminuir la pérdida de suelo. Lyles & Allison (1981) aseguraron que no existe riesgo de erosión eólica sí la cantidad de pastos en el campo sobrepasa los 2 Mg·ha^-1. Una evaluación de más de 50 años sobre la investigación de cultivos de cobertura en el control de la erosión del suelo sugirió su rol esencial en la reducción de los peligros de erosión. Los residuos de plantas sobre la superficie protegen el suelo del impacto directo de la erosión ocasionada por el viento y ayuda a conservar la humedad en el suelo reduciendo la evaporación al mínimo.

El peso de los cultivos y los residuos juegan un papel importante en la reducción de la fuerza del viento y para controlar la erosión del suelo. La protección ofrecida por un cultivo en particular depende del tipo de cultivo, el peso de la cubierta (el cultivo en crecimiento y sus residuos o sus residuos por si solos) y la orientación de sus residuos (en pie).

CONCLUSIONES

La erosión eólica es un gran problema en las zonas áridas y semiáridas, especialmente durante el periodo de barbecho de la tierra. Los dos objetivos principales del presente estudio fueron evaluar el riesgo de erosión eólica en una zona árida y comprobar de forma matemática las prácticas que se tienen que adoptar para disminuir la pérdida de suelo a un nivel aceptable (~ 2 Mg·ha^-1). Cada práctica de conservación para controlar la erosión eólica tienen un ventaja y una aplicación, pero estableciendo y manteniendo la cubierta, cuando sea económicamente viable, esa sigue siendo la mejor protección contra la erosión eólica. De acuerdo con nuestros resultados, el mejor control contra la erosión eólica es establecer y mantener una cubierta de suelo adecuada. En algunos casos y por distintas motivos no es posible mantener una cubierta vegetal en la superficie del suelo, en estas circunstancias, lo que se podría hacer es reducir la longitud del campo a 50 m o menos y labrar la tierra para mantener el suelo en condiciones ásperas con terrones. Este estudio confirma que los modelos matemáticos pueden ser utilizados con éxito para evaluar algunas de las prácticas de conservación y manejo tal como la rugosidad de la superficie del suelo, la longitud del suelo y el mantenimiento de los residuos de cultivo.

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