Capítulo 2. Hidrología, arquitectura del suelo y movimiento del agua

El ciclo hidrológico

Adaptado de Ward, 1975.

La comprensión del ciclo hidrológico es esencial para el manejo eficiente del agua de lluvia y del agua del suelo. El agua ocurre no solo en forma líquida sino también en forma sólida -granizo, nieve- y en forma gaseosa -vapor de agua. La cantidad de agua en el mundo es constante pero el agua está continuamente cambiando de una forma a otra y se mueve a diferentes velocidades. Estas interrelaciones se muestran en forma simplificada a escala regional en la Figura 2.

El calor del sol es la causa de que el agua en la superficie de los océanos, lagos y ríos cambie al estado de vapor en el proceso conocido como evaporación. La transpiración de las plantas es un proceso similar en el cual el agua es absorbida del suelo por las raíces y transportada por el tallo a las hojas de donde pasa -es transpirada- bajo forma de vapor de agua a la atmósfera.

A medida que el vapor de agua producido por la evaporación y la transpiración entra en la atmósfera, su temperatura disminuye y el vapor se convierte en pequeñas gotas -condensación- que se acumulan bajo forma de nubes. Dependiendo de su tamaño, esas gotas se pueden transformar en lluvia.

Una vez que la lluvia llega a la superficie de la tierra se puede infiltrar, correr como flujo sobre la superficie de la tierra o acumularse en las hojas de las plantas o encharcarse, desde donde se evapora nuevamente hacia la atmósfera. Por lo general ocurre una combinación de estos procesos.

La lluvia que se infiltra integra el agua del suelo parte de la cual puede ser usada por las plantas para la transpiración, otra parte vuelve a la atmósfera a través de la evaporación desde la superficie del suelo y otra -si hay suficiente infiltración- puede pasar más abajo de la zona radical como agua subterránea. El Anexo 7 trata del uso de la humedad del suelo bajo diferentes usos de la tierra y vegetación.

El agua subterránea se mueve en forma lateral y lentamente hacia el mar para completar el ciclo hidrológico pero parte de esta en su camino filtrará hacia arroyos, ríos y lagos. De esta forma el agua subterránea mantiene el nivel del agua en los pozos y la continuidad de las corrientes de agua durante los períodos secos (conocidos como flujo de base).

El agua de lluvia que escorre sobre la tierra se mueve rápidamente aguas abajo hacia los cursos de agua contribuyendo a flujos máximos que siempre son motivo de preocupación. La escorrentía no es solamente un desperdicio del agua de lluvia que podía haber contribuido a la producción de cultivos y a reabastecer las aguas subterráneas sino que además, frecuentemente, causa inundaciones o daña los caminos y las tierras agrícolas, erosiona el suelo que a su vez es depositado en el curso de los ríos y estanques aguas abajo.

El agua subterránea deriva del agua de lluvia que se ha infiltrado en el suelo y drenado más abajo de la zona radical; es el agua en exceso de la cantidad necesaria para los cultivos y otra vegetación y sobrepasa la capacidad de almacenamiento de agua del suelo (FAO, 1995; FAO, 2002).

El agua subterránea se mueve muy lentamente a través de los materiales del subsuelo en dirección del curso de drenaje dominante. Si la parte superior de la misma, la capa freática, no se sumerge por debajo del nivel del lecho de la corriente, el agua aparece en surgentes que alimentan las corrientes de agua y sus tributarios. Este proceso ocurre durante todo el año y de esta manera el agua subterránea actúa como amortiguador para mantener el flujo básico de la corriente y los niveles de agua en los pozos durante los períodos secos.

En los suelos con capas de subsuelo relativamente impermeables ubicadas por debajo de capas más o menos permeables, se pueden desarrollar capas de agua por encima del agua subterránea debido a que son retenidas por esas capas impermeables. El agua retenida en esas capas es conocida como interflujo, se mueve lentamente en forma lateral y puede emerger en cursos de agua o en surgentes a menores elevaciones. No contribuye directamente al agua subterránea. La presencia de agua subterránea o de una capa de agua retenida está indicada por suelos saturados, por lo general con una dominancia de suelos de color gris claro, gris azulado, azulado o verdoso. Estos colores son típicos de ciertos compuestos de hierro que solo se encuentran en lugares de aguas estancadas donde falta oxígeno.

La cantidad de agua de lluvia que percola más allá del límite inferior de la zona radical hacia el agua subterránea dependerá de la cantidad de agua usada para la transpiración por los cultivos o la vegetación. En un tipo determinado de suelo y clima, los bosques transpiran más agua que las tierras de pastoreo las cuales, por lo general, usan más agua que los cultivos. El alto consumo de agua de los bosques es debido, en general, a su mayor tasa de transpiración, al período más largo de transpiración en comparación con el de los cultivos y a las raíces más profundas que permiten la absorción de agua desde mayores profundidades. Los cambios en el uso de la tierra pueden, por lo tanto, afectar la cantidad de agua transportada y con ello la cantidad de agua que llega al agua subterránea. El reemplazo de los bosques con pasturas o cultivos anuales puede aumentar el drenaje profundo y de esta manera proporcionar más flujos básicos a las corrientes de agua. Los cambios en el manejo del suelo también pueden afectar la cantidad de drenaje profundo que reabastece el agua subterránea. La introducción de malas prácticas de manejo que aumenten la proporción de agua de lluvia perdida como escorrentía reduce el flujo de base e incrementa los flujos máximos y la incidencia de las inundaciones. Viceversa, un mejoramiento del manejo del suelo y de los nutrientes conducirá a una mayor producción de grano y follaje, mayores tasas de transpiración y, por lo tanto, a menos recarga.

Shaxson, 2001 según FAO, 1995b.

A fin de considerar el aporte de agua de lluvia para las plantas y para el agua subterránea como un hecho secuencial, es importante retener mentalmente sus movimientos. Después de pasar a través de la atmósfera en respuesta a la fuerza de gravedad, el agua de lluvia o de riego viaja a alguno o a todos los siguientes destinos descritos en la Figura 3.

El manejo del suelo puede afectar en forma importante la escorrentía, la evaporación directa de la superficie del suelo, la cantidad de humedad del suelo disponible para las plantas dentro del alcance de sus raíces y la profundidad a la cual pueden penetrar las raíces. La cantidad de agua que llega a cualquiera de esos destinos depende de la condición física del suelo y su influencia sobre la infiltración y la escorrentía y de las condiciones atmosféricas, ya que estas afectan la evaporación y la transpiración.

Microcuencas y cuencas

El agua recogida por una cuenca fluirá hacia el punto de salida más bajo donde puede unirse al agua que emerge de otras Microcuencas. Los límites externos de una cuenca se definen por las crestas a lo largo de las partes más altas de las tierras circundantes. En los lados del valle la escorrentía superficial tiende a fluir perpendicularmente a la pendiente desde la parte más alta de la cresta hacia la corriente.

Una microcuenca es el área de tierra que divide dos corrientes de agua. El agua se mueve desde la línea de la cresta hacia las corrientes, a ambos lados de la cresta. De esta manera la pendiente de una colina puede ser considerada tanto como la pendiente interna de una cuenca o la pendiente externa de otra cuenca. Las Microcuencas y las cuencas están indicadas en los mapas por las líneas de contorno y por el curso de las líneas de drenaje (Figura 4).

Las formaciones geológicas subyacentes, junto con los procesos de meteorización y de levantamiento del suelo, afectan la forma del panorama. Tienen influencia sobre la inclinación o la poca profundidad de las pendientes, sobre la sinuosidad de las corrientes de agua o sus cambios abruptos de dirección. El flujo del agua a lo largo de las corrientes tiende a cortar sus cabeceras hasta llegar a los materiales subyacentes (Lámina 10).

Con el objetivo de permitir que el agua de lluvia sea embebida en el suelo y controle la tasa del flujo y cualquier exceso de escorrentía, es posible subdividir una microcuenca en una jerarquía más detallada de Microcuencas en las cuales las subdivisiones menores pueden ser medidas en centímetros cuadrados, las mayores en hectáreas y todas ellas dentro de Microcuencas de kilómetros cuadrados. La entrada del agua de lluvia en el suelo depende del grado de porosidad mientras que el manejo de la escorrentía y de la erosión a través de la superficie también depende de las obras físicas que puedan ser construidas cuando las lluvias exceden las mejores tasas de infiltración (Figura 5).

La superposición de pares de fotografías aéreas verticales vistas con un estereoscopio proporciona una visión tridimensional del panorama y las características de la superficie (Shaxson et al., 1977; Carver, 1981). La Lámina 11 es un estereograma que muestra el diseño de los caminos a lo largo de las crestas topográficas y de las terrazas de conservación cercanas a los contornos que han sido diseñadas de acuerdo con las Microcuencas naturales del panorama. Este modelo proporciona un marco dentro del cual la siembra en surcos deberá ser alineada en contorno en relación a las terrazas de conservación. El mantenimiento de la porosidad del suelo por la cobertura de residuos permitirá que la mayor parte del agua de lluvia quede disponible para los cultivos bajo forma de humedad del suelo y como agua subterránea para las corrientes de agua.

La corriente de una microcuenca puede ser grande o pequeña, con pendiente pronunciada o llana, y compuesta de sub-microcuencas naturales y de Microcuencas de campo. La Lámina 12 muestra dos de esas Microcuencas las cuales también forman el lado izquierdo de una cuenca cuya cresta corre a lo largo de la divisoria de aguas que se ve arriba a la derecha.

En el caso de los cultivos agrícolas, la siguiente división menor es la microcuenca entre lomos que se encuentra entre un par de terrazas físicas de conservación con sus líneas divisorias y surcos (formales o informales) a lo largo de los surcos de siembra (Lámina 13). Las terrazas físicas de conservación, cubiertas con pastos forrajeros, subdividen la microcuenca de campo y separan los lomos de las Microcuencas. El objetivo de estas estructuras es conservar el agua y el suelo, si bien sus efectos sobre los rendimientos son decepcionantes. Su función principal es ofrecer guías para la siembra de surcos en contorno.

Lámina 10
El repetido flujo de agua corta el cauce de la corriente aguas abajo y hacia atrás en una formación de tipo antiguo; la el lado izquierdo de una cuenca cuya cresta de la misma separa una microcuenca de otra. Paracatú, Brasil

T. F. SHAXSON

La menor subdivisión para capturar el agua de lluvia y permitir que embeba el suelo se encuentra en la micromicrocuenca con su cobertura de residuos (Lámina 14).

En los bosques, dado que los árboles jóvenes están más espaciados, puede ser obtenido el mismo efecto por medio de una serie de microcuencas en forma de media luna, una para cada árbol (Lámina 15).

Dentro de este marco general, el elemento clave para la infiltración es mantener el suelo poroso con una cobertura de residuos lo cual previene el daño de las gotas de agua de lluvia y proporciona un sustrato para los organismos del suelo (Lámina 16).

Los efectos sobre la conservación que originan los bosques son debidos no solo a la presencia de los árboles en si mismos sino a los residuos de las hojas y ramas caídas además de la vegetación de bajo porte. Si la superficie del suelo no ha sido dañada por el pisoteo habrá menos escorrentía y más infiltración de agua (Láminas 17 y 18).

La cantidad de humedad del suelo que permanece disponible un cierto tiempo para las plantas depende de la textura y la porosidad del mismo, su volumen anterior de humedad, el volumen perdido por evaporación directa, la evapotranspiración y el drenaje profundo. El riego (si está disponible) es por lo general necesario cuando dos tercios del agua disponible -entre la capacidad de campo y el punto permanente de marchitez- han sido agotados. Si no existe la posibilidad de riego es necesario manejar el suelo de tal forma de manejarlo para desarrollar y retener la máxima cantidad de poros de varios tamaños posibles. Esto ampliará la capacidad de retención de agua y permitirá que las plantas resistan durante más tiempo a los períodos de sequía. Los suelos de textura franca por lo general tienen la mayor capacidad de agua disponible mientras que los suelos arenosos, en el otro extremo, tienen una capacidad reducida de retención de agua, tal como ocurre con la arcilla en el otro extremo (Figura 6).

Lámina 11
Estereograma de un paisaje.

T. F. SHAXSON

Lámina 12
Dos microcuencas en el campo - partes de la corriente de las microcuencas con la línea de drenaje que corre a la izquierda de la lámina. Santa Catarina, Brasil.

T. F. SHAXSON

Lámina 13
Dos «lomos de microcuencas» intercalados entre «surcos de microcuencas» a lo largo de las líneas de siembra. Caxambú, Brasil.

T. F. SHAXSON

Lámina 14
Un surco de microcuencas: un surco cerrado para retención de agua, el otro surco cubierto con un cultivo de cobertura para facilitar la rápida infiltración del agua; el surco sin cobertura en la estación seca actúa como rompefuego entre los surcos jóvenes de té. Mulanje, Malawi.

T. F. SHAXSON

Lámina 15
Media lunas alrededor de Acacia recién plantada capturan y detienen el agua de lluvia en manera similar a los surcos cerrados de la Lámina 14. Dungarpur, India.

T. F. SHAXSON

La capacidad disponible de agua asociada con la profundidad del suelo determina el volumen de agua utilizable por las plantas en un lugar particular. Esto es ilustrado por la comparación de las características más importantes y las consecuentes cantidades de agua disponible de dos suelos en los que se cultiva té, uno en Timbilil, Kenya y el otro en Marikitanda, Tanzanía (Cuadro 5).

Las aguas de las inundaciones corren hacia los ríos y arroyos que aumentan su nivel rápidamente después de fuertes lluvias. Esas aguas derivan en su mayoría del flujo de agua sobre la tierra y el flujo de las inundaciones es por lo general barroso ya que contienen materiales erosionados. Las aguas de corrientes limpias se originan en el agua de lluvia que se ha infiltrado en el suelo y ha percolado a través de poros de distintos tamaños a velocidades diferentes y más lentas (Figura 7).

Las Láminas 19 a 22 muestran el flujo de agua durante las lluvias de una cuenca cultivada sin medidas efectivas de conservación (Lámina 19) y de una cuenca cercana forestada (Lámina 20), ambas en las laderas de la misma montaña a un kilómetro de distancia una de otra. El agua limpia que corre durante todo el año -en forma más abundante en la estación lluviosa- ha percolado a través de los residuos de las hojas y ramas caídas sobre el suelo del bosque las cuales protegen la superficie del impacto de las gotas de agua de lluvia y alimentan los organismos que mantienen la porosidad del suelo. Esta agua ha viajado lentamente en su camino descendente a través del suelo hasta la capa de agua subterránea la cual se mueve hacia la corriente principal a través de surgentes y filtraciones a lo largo de las orillas de las corrientes de agua.

Dado que los pozos excavados proporcionan a la población acceso directo a las aguas subterráneas poco profundas en las cuales confían muchas comunidades rurales, es importante que una cantidad suficiente de agua de lluvia penetre y pase a través del suelo para reabastecer las capas de agua subterránea (Láminas 23 y 24).

Las lluvias excepcionales, como cuando ocurren tifones o huracanes sobre suelos ya saturados, pueden dar lugar a inundaciones y a procesos erosivos que cambian el panorama sin que el buen cuidado de la tierra y los cultivos, las pasturas y los bosques tengan influencia sobre las mismas (Hamilton, 1986).

Fuente: Según Smith y Ruhe, 1955.

CUADRO 5
Diferencias en la capacidad de agua disponible entre dos suelos de África oriental

Fuente: Tea Research Institute of East Africa, 1973.
Nota: CC = capacidad de campo; PPM = punto permanente de marchitez.

Lámina 16
Cobertura en una microcuenca. Mauá, Brasil.

T. F. SHAXSON

Lámina 17
La capacidad de absorción de agua en esta plantación de Eucalyptus es protegida por los restos de las hojas y ramas: de este modo hay poca escorrentía. Tupanssi, Brasil.

T. F. SHAXSON

Lámina 18
Es probable que la mayor parte del agua de lluvia escorra por encima de esta superficie desnuda, sin protección y tal vez compactada, debajo de árboles del mismo género (Eucalyptus) de la Lámina 17; podrá infiltrarse poca agua y la humedad del suelo será escasa. Potosí, Bolivia.

T. F. SHAXSON

Lámina 19
Escorrentía y pérdida de suelo inmediatamente después de una tormenta de lluvia en la microcuenca de Naisi. Monte Zomba, Malawi.

T. F. SHAXSON

Lámina 20
Corriente de agua limpia de la microcuenca de Mlunguzi. Monte Zomba, Malawi.

T. F. SHAXSON

Lámina 21
Detención de escorrentía cargada de sedimentos por una represa que ha sido usada para formar áreas limitadas de tierra cultivable (aquí, con arroz); este puede haber sido uno de los objetivos de la represa. Sharam, India.

T. F. SHAXSON

Lámina 22
La microcuenca de esta represa está en buen estado: el agua limpia de escorrentía puede ser almacenada para distintos propósitos. Sharam, India.

T. F. SHAXSON

Lámina 23
Pozos como los de la lámina pueden secarse cuando la capa freática cae por debajo del nivel del fondo del pozo. Palampur, India.

T. F. SHAXSON

Arquitectura del suelo e importancia de los espacios de poros en el suelo

Si bien generalmente se concibe el suelo como una estructura de partes sólidas, p. ej., arena, limo, arcilla y materia orgánica, los espacios entre esas partículas sólidas son tan importantes como las partículas mismas. Dentro de los espacios tienen lugar las acciones, como en una casa, donde todas las actividades importantes ocurren en las habitaciones y no en las paredes o los pisos. Por lo tanto, la arquitectura del suelo es realmente importante. Los espacios de poros en un suelo presentan gran variación de acuerdo al tipo de suelo y a la forma en que este ha sido manejado. Los suelos con vegetación natural por lo general exhiben una alta porosidad a causa de la intensa actividad biológica y la falta de interferencia por el ser humano. Por lo tanto, tienen cualidades físicas superiores, cuando se los compara con los suelos usados para los cultivos o para pastoreo. La Lámina 25 ilustra el contraste entre la porosidad de suelo forestal y la de un suelo cultivado.

Los espacios de poros varían en tamaño, y tanto ese tamaño como la continuidad de los poros tienen una influencia importante sobre el tipo de actividades que ocurren dentro de los poros del suelo. El Cuadro 6 muestra las funciones de los poros de diferentes tamaños y su denominación junto con el tamaño de las raíces de los cultivos.

Lámina 24
La escasez de agua significa invertir más trabajo y tiempo por parte de la población. Palampur, India.

T. F. SHAXSON

Los poros que varían entre 0,0002 y 0,05 mm de diámetro retienen agua que puede ser absorbida por los cultivos; se los llama poros de almacenamiento, mientras que los poros más pequeños, o poros residuales, retienen tan fuertemente el agua que las plantas no la pueden extraer de los mismos. Los poros mayores de 0,05 mm de diámetro, conocidos como poros de transmisión, permiten que el agua drene a través del suelo y permita la entrada de aire a los mismos a medida que el agua es drenada.

Los espacios de poros también son necesarios para que las raíces penetren libremente en el suelo a fin de tomar nutrientes y agua. Los tamaños de las raíces varían con el tipo de cultivo; aparte de las barbas absorbentes, tienen diámetros de 0,1 a 0,3 mm y, por lo tanto, los suelos deben tener espacios de poros de al menos este tamaño para permitir la libre penetración de las raíces más pequeñas. En la mayoría de los suelos las raíces crecen parcialmente a través de los poros existentes, de los poros de transmisión y parcialmente moviendo las partículas de suelo. Las raíces pueden forzar su camino a través de los poros más pequeños solamente si los suelos son suficientemente comprimibles; esta capacidad de los suelos para ser comprimidos aumenta con el contenido de agua ya que esta ejerce una cierta lubrificación entre sus partículas.

CUADRO 6
Funciones y tamaños de los poros del suelo

Fuente: Hamblin, 1985.

Lámina 25
Porosidad, compactación y contenido de materia orgánica contrastantes entre la capa superior del suelo (0-20 cm) en un suelo forestal (a la derecha) y en un suelo del mismo tipo, vecino al lugar del bosque, después de cuatro años de cultivos (a la izquierda). Saavedra, Bolivia.

R. G. BARBER

Movimiento del agua en el suelo

La cantidad de agua presente en el suelo que está disponible para la producción de cultivos dependerá de cuanta agua de lluvia permanece en el suelo después de las pérdidas por escorrentía, evaporación y drenaje profundo. La cantidad de lluvia que llega a las capas subterráneas y que contribuye de esa manera a la seguridad hídrica, dependerá de la medida en que la cantidad de agua de lluvia que se infiltra en el suelo sea excesiva para reabastecer la capacidad de retención de agua y satisfacer las necesidades de transpiración de los cultivos. El buen manejo del agua de lluvia está dirigido a maximizar la cantidad de agua que penetra al suelo y el mejor uso que es posible hacer es por medio de los cultivos y la recarga de las aguas subterráneas. Cualquier escorrentía inevitable es conducida en forma segura de modo que no cause problemas erosivos.

Cuando un suelo bien drenado está saturado hasta el límite de su zona radical, el agua de lluvia que no drena fuera de esa zona en un plazo de 48 horas será retenida en los poros del suelos menores de 0,05 mm de diámetro (el tamaño crítico de los poros puede variar entre 0,03 y 0,1 mm de diámetro). La cantidad de agua retenida después de 48 horas corresponde a la capacidad de campo del suelo. Las fuerzas (o succiones) con las cuales esta agua es retenida variará de acuerdo al tamaño de los poros. Los poros más grandes retienen agua a una tensión de cerca de un décimo a un tercio de la presión atmosférica (o 0,1 a 0,33 bar^[1]), dependiendo de que succión corresponde a la capacidad de campo del suelo; esto varía con el tipo de suelo y la profundidad de la capa freática.

La succión máxima que pueden ejercer muchos cultivos para extraer agua del suelo varía con el cultivo pero el valor generalmente aceptado es de cerca de 15 veces la presión atmosférica (o sea, 1,5 Mpa). Esto es aproximadamente equivalente a la presión que sería ejercida por un peso de una tonelada sobre la palma de la mano. Cuando el agua del suelo ha sido agotada hasta 15 bar, el agua que permanece en el suelo será aquella almacenada en los poros menores de 0,0002 mm de diámetro y corresponde al punto de marchitez permanente del suelo. El agua retenida a succiones mayores que el punto permanente de marchitez no está disponible para el crecimiento de las plantas. Por lo tanto, el agua retenida entre la capacidad de campo y el punto permanente de marchitez puede ser usada por los cultivos para la transpiración y es conocida como capacidad disponible de agua. Sin embargo, después de una fuerte lluvia una parte del agua en exceso de la capacidad de campo del suelo puede ser usada por el cultivo mientras que el exceso de agua percola en el suelo a través de la zona radical.

El agua disponible entre la capacidad de campo y el punto permanente de marchitez es retenida con diferentes tensiones y cerca de un tercio de la misma no está fácil o rápidamente disponible para los cultivos, especialmente si los cultivos están transpirando intensamente. Cuanta más alta es la demanda de transpiración, debe haber más agua disponible en el suelo para evitar el estrés de agua en las plantas. En contraste, para un cultivo de transpiración lenta puede ser usada incluso el agua retenida a más altas tensiones sin causar estrés.

La cantidad máxima de agua disponible que puede retener un suelo (o sea la capacidad de agua disponible) varía con la textura del suelo, el contenido de materia orgánica, la profundidad de enraizamiento y la estructura. La materia orgánica del suelo es particularmente importante ya que puede retener agua cerca de 20 veces su peso. Los suelos orgánicos y los suelos francos de textura media con altos contenidos de arena muy fina y sedimentos tienen la capacidad disponible de agua más alta, los suelos arcillosos tienen valores intermedios y los suelos con contenido de arena gruesa tienen la capacidad disponible de agua más baja. El contenido de piedra del suelo también puede ser muy importante dependiendo de la naturaleza y la abundancia de las piedras. Alguna grava de mineral de hierro de diámetro >2 mm puede contener más de 20 por ciento de agua (m³/m³) a capacidad de campo y la cal porosa y el yeso también pueden hacer una contribución importante la capacidad disponible de agua del suelo. En contraste, un alto contenido de piedras no porosas disminuirá fuertemente la capacidad disponible de agua del suelo.

En cualquier tipo de suelo, cuanto mayor es la profundidad de enraizamiento, también mayor será la cantidad de agua disponible para el cultivo. Esto es más importante para los cultivos anuales ya que tienen menos tiempo que las especies perennes para desarrollar raíces profundas y extensas. La capacidad disponible de agua puede tener influencia sobre la duración del período de crecimiento de las plantas que crecen en un suelo determinado. Los suelos con alta capacidad de agua disponible permitirán períodos de crecimiento más extensos en razón de la posibilidad de proporcionar mayores cantidades de agua almacenada durante los períodos secos que los suelos con baja capacidad de agua disponible (FAO, 1995a). Los suelos poco profundos tienen poca agua disponible y aún en los años húmedos pueden ser incapaces de almacenar agua adicional.

Infiltración del agua de lluvia en el suelo

En muchas áreas en las que falta agua, es indispensable maximizar la infiltración del agua de lluvia en el suelo para satisfacer el objetivo de la seguridad alimentaria e hídrica. El buen manejo de la tierra debería favorecer la infiltración en contraposición con la escorrentía. Las excepciones se encuentran donde la captura del agua de lluvia es necesaria para la producción de cultivos y donde la alta infiltración acarrea riesgos de deslizamientos de tierra y otras formas de movimientos masivos.

La cantidad de agua de lluvia que se infiltra será gobernada por la intensidad de la lluvia en relación con la tasa de infiltración del suelo. Una excesiva labranza y la pérdida de materia orgánica del suelo a menudo conducen a una reducción de la tasa de infiltración debido a la pérdida de la porosidad superficial. Cuando la intensidad de la lluvia es mayor que la tasa de infiltración tendrá lugar la escorrentía con el consecuente desperdicio de agua que podría ser usada para la producción de cultivos y para recargar el agua subterránea. La tasa a la cual se infiltra el agua de lluvia en el suelo está influenciada por su abundancia, la estabilidad y tamaño de los poros en la superficie del suelo, su contenido de agua y la continuidad de los poros de transmisión hacia la zona radical. En muchos suelos el número de poros superficiales se reduce rápidamente por el impacto de las gotas de lluvia las cuales rompen los agregados de suelo en partículas más pequeñas que obstruyen los poros superficiales y forman un sellado de la superficie con escasos poros. La acción destructiva de las gotas se lluvia se evita con la protección de una cobertura del suelo por medio del follaje de los cultivos, de residuos vivos o muertos e incluso con malezas en o sobre la superficie del suelo.

Casi toda el agua que los cultivos absorben del suelo pasa a través del tallo hacia las hojas donde se evapora y llega a la atmósfera en el proceso de transpiración. Este proceso utiliza casi toda el agua absorbida por las raíces de las plantas (cerca del 99 por ciento, el restante uno por ciento es usado directamente en procesos celulares). La transpiración es esencialmente el mismo proceso de la evaporación. La evaporación ocurre cuando un recipiente con agua se deja al sol; el agua líquida desaparece a medida que es convertida en vapor de agua y cuanto más alta es la temperatura, más seco es el aire y mayor es la velocidad del viento, mayor será la tasa de evaporación. La evaporación ocurre siempre que el agua está expuesta a la atmósfera, por ejemplo, en lagos, ríos o pantanos y de las gotas de lluvia que se acumulan sobre las hojas de las plantas después de una tormenta.

Para asegurar una absorción eficiente y suficiente de agua por parte de los cultivos es importante que sus raíces estén bien distribuidas y puedan penetrar profundamente en el suelo. A medida que el suelo se seca desde la superficie hacia abajo, las raíces en las capas más profundas tienden a compensar esa diferencia aumentando en número. Cuando el agua del suelo entra en contacto con la superficie de una raíz o de una barba absorbente se mueve a través de la raíz hacia el xilema el cual contiene estrechos canales de comunicación que se extienden a través de los tallos hacia las hojas. Al llegar a las hojas el agua pasa del xilema a las células foliares donde se evapora a los espacios de aire de las hojas. Estos espacios están saturados con vapor de agua y están conectados al externo, normalmente más seco, por medio de pequeñas aperturas de las hojas llamadas estomas. Durante el día las estomas se abren lo que permite que el bióxido de carbono entre en las hojas. La luz solar es utilizada para producir azúcares en la planta: es el proceso conocido como fotosíntesis; parte de los azúcares son usados para producir energía en el proceso conocido como respiración y otra parte es convertida en sustancias que forman los distintos órganos de las plantas.

La fotosíntesis ocurre solamente durante las horas de luz mientras que la respiración ocurre en todo momento. Cuando las estomas se abren para permitir la entrada del bióxido de carbono el vapor de agua escapa hacia el aire más seco en el exterior. Para que ocurra la transpiración debe haber un continuo abastecimiento y movimiento de agua del suelo a la planta y a la atmósfera. La fuerza responsable por este movimiento es la misma de la evaporación y puede ser simplemente indicada como la tendencia del agua a moverse, tanto en forma de líquido como de vapor, desde el punto en que es más abundante hacia el punto en que es menos abundante. En el proceso de transpiración el vapor de agua se mueve desde una parte muy húmeda (o sea con alto contenido de vapor de agua) de espacios de aire dentro de la hoja hacia la atmósfera exterior más seca donde la concentración de vapor de agua es más baja.

El movimiento del vapor de agua fuera de las hojas crea una succión (o «tiraje») sobre el agua de las células foliares, el xilema, las raíces y el suelo, por lo que el agua entra en las raíces y asciende por el xilema hasta las hojas para reemplazar el agua que sido perdida por las hojas. Además, en el proceso de succión que genera la transpiración que causa la entrada del agua del suelo a las raíces, hay otra fuerza que atrae el agua dentro de las raíces conocida como ósmosis. En el caso de la ósmosis el agua se mueve desde el lugar en que es más pura hacia donde es menos pura a través de una membrana semipermeable. La membrana semipermeable tiene una pared muy fina con poros lo suficientemente grandes para permitir el pasaje del agua a través de las raíces pero no lo suficientemente grandes como para que las sales disueltas puedan salir de la raíz.

El agua, por lo tanto, pasa del suelo donde es más pura (o sea, contiene pocas sales disueltas) a través de la superficie de las raíces (una membrana semipermeable) hacia la raíz donde el agua es menos pura (o sea, contiene más sales disueltas).

Estrés hídrico - interacciones de los nutrientes

Muchas áreas con lluvias escasas o erráticas, donde es común que ocurra el estrés hídrico de los cultivos, también son deficientes en nutrientes; esta falta de nutrientes es por lo general el segundo factor limitante del suelo. En estas condiciones ocurre una interacción entre el agua del suelo y los nutrientes, lo que significa que el agua del suelo puede influenciar la disponibilidad de nutrientes la cual a su vez puede influenciar la absorción de agua y la resistencia del cultivo a la sequía. Por lo tanto, ambos factores se pueden influenciar recíprocamente.

Las plantas contienen una cierta cantidad de agua la cual actúa como un amortiguador contra los momentos de escasez de agua en el suelo, pero esta cantidad es muy pequeña, o sea sirve para un período de corta duración. En contraste, las plantas almacenan suficientes cantidades de nutrientes para proporcionar un amortiguador para períodos más largos cuando los nutrientes no son absorbidos. Por lo tanto, las deficiencias de agua se notan más rápidamente y son más perjudiciales que la falta de nutrientes. Esto sugiere que la conservación del agua puede a menudo ser un beneficio más importante y más rápido que intentar conservar las partículas de suelo per se.

Por otra parte, la falta de agua también reduce la absorción de nutrientes por parte del cultivo. Esto se debe sobre todo a que los nutrientes se pueden mover solamente hacia las raíces a través de películas de agua dentro del suelo y, por lo tanto, debe haber una película continua conectando los nutrientes con las raíces. La falta de continuidad del agua del suelo debida, por ejemplo, a una sequía reducirá severamente la tasa de absorción de los nutrientes por parte de los cultivos.

La falta de agua en el suelo también disminuye la disponibilidad de los nutrientes reduciendo la actividad microbiana, la cual es responsable por la liberación de nitrógeno, fósforo y azufre de la materia orgánica del suelo.

Cuando ocurre una sequía, la superficie del suelo (que por lo general contiene la masa de las raíces de las plantas y de los nutrientes del suelo) es el primer elemento que se seca y de esta manera, mientras el cultivo puede todavía ser capaz de absorber agua del subsuelo, puede sufrir la falta de nutrientes.

La falta de nutrientes disponibles en el suelo puede restringir la absorción de agua, especialmente cuando afectan el desarrollo radicular. Esto ocurre frecuentemente en los suelos deficientes en fósforo. La aplicación de fertilizantes fosfatados a los suelos con deficiencia de este elemento por lo general promueve el desarrollo de las raíces y, como consecuencia, la absorción de agua por el cultivo. Por lo tanto, los efectos beneficiosos de la aplicación de fertilizantes fosfatados son relativamente mayores en el caso de lluvias escasas que con lluvias abundantes.

Los efectos de la sequía y de la disponibilidad de nutrientes sobre el rendimiento de los cultivos son difíciles de predecir ya que su efecto depende de cuando ocurre la falta de agua en relación con el estado de crecimiento del cultivo o sus necesidades; a menudo es difícil evaluar la sensibilidad a la falta de agua o nutrientes en ese momento. En general, es difícil evaluar que factor, o sea agua o nutrientes, es el más importante para la limitación de los rendimientos. El factor limitante más importante puede variar de una estación a otra, dependiendo, por ejemplo, del momento en que ocurre la falta de agua; incluso durante una estación habrá probablemente períodos en los que el agua es el principal factor limitante y otros períodos en los que los nutrientes serán más importantes.

La escasez de agua tiene efecto tanto sobre la respuesta positiva o negativa a los fertilizantes y a la cantidad en que deberían ser aplicados. Esto ocurre generalmente con la fertilización nitrogenada que casi siempre presenta una respuesta óptima en las estaciones favorables y no en las estaciones pobres. Por ejemplo, cuando no hay escasez de agua en el suelo, una aplicación de 40 kg/ha de nitrógeno puede ser una dosis óptima; sin embargo, en el caso de falta de agua esa dosis óptima puede ser reducida a 20 kg/ha.

Este problema crea dificultades en la agricultura de secano: dado que no es posible predecir la distribución y la cantidad de agua de lluvia, los agricultores no pueden saber cuanto fertilizante deben aplicar. Un enfoque que puede ayudar a superar este problema es aplicar una cantidad limitada de nitrógeno a media estación, si esta se presenta promisoria.

Causas de un enraizamiento limitado

La causa más común de un enraizamiento pobre son las restricciones físicas debido a la compactación del suelo que da lugar al colapso o disminución de los espacios de poros y a un aumento localizado de la densidad del suelo. Una vez que los poros han sido compactados a diámetros menores de 0,2-0,3 mm la libre penetración de las raíces a través del suelo es más difícil. Si bien la fortaleza de las capas compactadas disminuye con el aumento del agua del suelo, un alto contenido de agua del suelo puede limitar el abastecimiento de oxígeno a las raíces causando un crecimiento restringido. Algunos cultivos, como el algodón y el girasol, parecen ser más susceptibles a la restricción del crecimiento de las raíces causada por las capas compactadas. La compactación a menudo reduce el tamaño de los poros en tal medida que inhibe la penetración de las raíces pero que, sin embargo, no afecta sensiblemente el drenaje de agua del suelo. Los poros de 0,2-0,3 mm de diámetro pueden restringir el crecimiento de las raíces pero el agua puede drenar por efecto de la gravedad a través de poros de solo 0,01 mm de diámetro (Russell, 1973).

En los sistemas de agricultura mecanizada el uso continuo de implementos de labranza, especialmente de arados y rastras de discos, arados de rejas y rotavadores durante períodos prolongados, frecuentemente dan lugar a la formación de «pisos de arado» densos con pocos poros grandes que pueden ser penetrados por las raíces (Lámina 26). Los «pisos de arado» se desarrollan inmediatamente por debajo de la profundidad a la cual el suelo es labrado y a menudo tienen superficies lisas con los poros cerrados causados por la fricción de los arados de rejas. El grado de compactación depende de la presión ejercida por los implementos sobre el suelo.

Lámina 26
Principio de piso de arado formado en un suelo arcillo-arenoso después de ocho años de aradas y rastreadas con discos. Camirí, Bolivia.

R. G. BARBER

La preparación del suelo, cuando los suelos están más húmedos que en el momento ideal para la labranza, promueve la compactación del suelo porque en esas condiciones los suelos son mucho más comprimibles. Esto es muy probable que ocurra en los suelos que tienen un drenaje deficiente o difíciles de labrar en estado seco sin pulverizarlos a causa de su consistencia dura. También es más probable que la compactación ocurra cuando los agricultores trabajan la tierra varias veces para preparar la cama de semillas o cuando tienen una fuerza de tiro del tractor limitada y no pueden usar equipos anchos para reducir proporcionalmente la compactación causada por las ruedas. La compactación también se puede desarrollar en el subsuelo a causa del paso de maquinaria pesada como las cosechadoras o los camiones cargados con grano, sobre todo cuando el suelo está húmedo. El grado de compactación dependerá de la carga total por eje de la maquinaria.

Fuente: adaptado de un dibujo de G. Evers.

La compactación del suelo también puede derivar de la labranza manual. Los «pisos de arado» finos, de 2-3 cm de espesor, se pueden desarrollar por debajo de la superficie de penetración de las azadas y de este modo limitar la penetración de las raíces (Figura 8).Cuando todos los años se hacen surcos o lomos, la combinación del trabajo de las azadas a la misma profundidad y el pasaje de personas dentro de los surcos en condiciones húmedas pueden acentuar la compactación.

Un efecto similar al de la compactación puede ocurrir cuando suelos estructuralmente inestables, o sean suelos susceptibles al endurecimiento, se hunden al saturarse durante fuertes lluvias formando capas densas. Estas capas densas, cuando se secan son sumamente duras y limitan la penetración de las raíces (Lámina 27).

Lámina 27
Fuertes lluvias después de la siembra causaron el hundimiento de un suelo arenoso inestable y el desarrollo de una capa densa que inhibió el crecimiento de las raíces jóvenes de la soja. Las Brechas, Santa Cruz, Bolivia.

R. G. BARBER

Una penetración limitada de las raíces también puede ser causada por horizontes densos naturales que contienen pocos poros grandes. Estos horizontes se pueden encontrar en suelos formados por sedimentos de ríos, lagos o de suelos volcánicos y en áreas semiáridas en las que se forman horizontes químicamente cementados de calcrita y yeso.

En algunas situaciones la restricción al crecimiento de las raíces puede ser causada por una capa de agua freática que fluctúa estacionalmente. Durante la estación de las lluvias las raíces de los cultivos están confinadas a una zona poco profunda, inmediatamente por encima de la capa freática. Si cuando la capa freática desciende durante la estación seca las raíces de los cultivos ya han completado su desarrollo, estas permanecen en el mismo lugar, cercano a la superficie y sin acceso al agua disponible en el subsuelo más profundo. Las raíces también pueden ser limitadas a profundidades menores a causa de factores químicos tóxicos como aluminio o manganeso o por severas deficiencias en el subsuelo. Los problemas de estrés de agua pueden ser el resultado de un enraizamiento limitado combinado con varios factores, tal como se ilustra en el Recuadro 1 (Barber, 1995).

Indicadores del enraizamiento restringido

El indicador más claro de un enraizamiento restringido de las plantas es la distribución de las raíces del mismo. Cuando las raíces están físicamente restringidas por una capa densa que contiene pocos poros adecuados para su penetración a menudo desarrollan formas de crecimiento características por encima de la capa dura como se indica en la Figura 9. La forma más común es un cambio abrupto en la dirección de crecimiento, de vertical a horizontal, y un espesamiento de las raíces que buscan penetrar la capa restrictiva por encima del límite superior de esa capa.

En la agricultura mecanizada, por lo general los «pisos de arado» se forman a una profundidad de 12 a 30 cm, dependiendo del implemento usado y de su profundidad normal de trabajo. Las capas densas de ocurrencia natural pueden surgir a cualquier profundidad. El momento óptimo para observar las raíces es después de la floración del cultivo, cuando la mayor parte de las raíces han completado su crecimiento.

Cuando no hay cultivos es más difícil identificar la existencia de capas duras que puedan potencialmente limitar el crecimiento de las raíces. Sin embargo, la forma de enraizamiento de las malezas maduras que permanecen arraigadas o sobre la tierra después de la cosecha del cultivo, puede ser usada para revelar la existencia de esas capas.

Cuando no hay ni cultivos ni malezas, la presencia de una capa de suelo muy dura y conteniendo pocos poros será un indicador útil. La presencia de capas duras, a menudo se revela al excavar, cuando se encuentra una mayor resistencia en la hoja de la azada. Sin embargo, un incremento repentino de la resistencia del suelo también puede encontrarse cuando el suelo cambia de húmedo a seco. Para evitar este problema, es aconsejable humedecer el suelo a 30 cm de profundidad durante dos días antes de examinar el campo.

Las capas que limitan físicamente el suelo pueden ser identificadas por la escasez de poros visibles. Los poros más pequeños, visibles a ojo desnudo (0,1 mm diámetro), coinciden razonablemente bien con los poros más pequeños en los cuales pueden penetrar las raíces seminales de los cereales (0,1 a 1 mm) y las raíces principales de las leguminosas (0,3 a 10 mm). Cuando la densidad de los poros visibles observados en fragmentos de la capa dura de un suelo es menor de seis en un área de 10 x 10 cm, la restricción a las raíces es severa y es probable que haya respuestas positivas cuando se rompa dicha capa. En la ausencia de cultivos, pueden ser usados otros indicadores de capas restrictivas del crecimiento de las raíces tales como la resistencia del suelo medida por un penetrómetro y la densidad del suelo determinada en muestras de suelo de un volumen conocido de suelo sin disturbar. Los valores a los cuales la resistencia crítica del penetrómetro y la densidad a la cual están restringidas las raíces de los cultivos anuales han sido establecidas para suelos de diferentes texturas.