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Sistema SWAP-ANIMO para estimar los balances de agua y nitratos en una región de Valencia, España. Aplicaciones iniciales

SWAP-ANIMO system to estimate the balances of water and nitrates in a region of Valencia, Spain. Initial applications

María Elena Ruiz¹, José Miguel de la Paz², Carlos Ramos² y Hanoi Medina¹

RESUMEN. La agricultura intensiva en regadío se caracteriza por el empleo de grandes volúmenes de agua de riego y elevadas dosis de fertilizantes. Este manejo lleva al despilfarro del agua y a la contaminación de las aguas subterráneas por nitrato con la transportación de este libremente. Estos problemas están presentes en la comunidad valenciana, España, donde las aguas empleadas para el riego ya contienen altas concentraciones de nitratos. Por consiguiente, los estudios dedicados a investigar las dosis más apropiadas de fertilizantes nitrogenados resultan frecuentes. Sin embargo, los modelos de simulación para el balance de agua y nitratos pueden constituir herramientas útiles para simular los mejores manejos con el mínimo de experimentos de campo. En este trabajo se aplican los modelos SWAP (balance de agua) y ANIMO (balance de nitrógeno) para el cultivo de la alcachofa, obteniéndose que las simulaciones siguen las mismas variaciones de las variables experimentales asociadas a los balances de agua y nitrógeno. También se reportan los parámetros que resultan más sensibles para ambos modelos con vistas a trabajos futuros.

ABSTRACT. Intensive agriculture is characterized by high irrigation levels and fertilizers applications. This management produces waste of water and nitrate contamination of groundwater. These problems are present in the Community of Valence, Spain, where irrigation waters contain high nitrate concentrations. This causes studies ahead to find proper fertilizer levels application. Nevertheless simulation models for water and nitrogen balances can be used as tools to simulate the best managements with minimum field experiments. In this work models SWAP and ANIMO are applied to artichoke crop. The simulate values obtained with both models mimic the experimental values of variables related with water and nitrogen balances. In addition the more sensitive parameters are reported in view of future research.

La agricultura intensiva en regadío se caracteriza por el empleo de grandes volúmenes de agua de riego y elevadas dosis de fertilizantes. Uno de los problemas ambientales más preocupantes en zonas de agricultura intensiva y regadío es la contaminación de las aguas subterráneas por
nitratos (Addiscott et al., 1991; Neeteson y Carton, 2001). Este tipo de contaminación del agua ocurre por lixiviación de nitratos del suelo agrícola en profundidad, más allá del sistema radicular de las plantas. Debido a que el nitrato es muy móvil una vez alcanzado el acuífero tiende a ser transportado por el agua, sin ninguna atenuación.

¹Dr., Lic., Prof., Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Mecanización Agropecuaria, Grupo de Investigaciones Agrofísicas, La Habana, Cuba, E-mail: mruiz@isch.edu.cu

Según un estudio del Ministerio de Medio Ambiente para la caracterización de las fuentes agrarias de contaminación de las aguas por nitrato (MMA, 2001), en la comunidad valenciana, se observa la existencia de dos zonas en lo referente a los valores de sobrantes de nitrógeno (diferencia entre aportaciones y extracciones globales de nitrógeno). La zona interior con unos valores bastante bajos y la zona costera, donde los sobrantes son bastante elevados, en muchos casos superiores a 100 kg N/ha; esta zona de elevados sobrantes contiene, además, bastantes puntos de muestreo con datos de concentración de nitrato en aguas subterráneas por encima de 50 mg/L. El origen del 62 % de los aportes de nitrógeno en dicha zona provienen de aplicación de fertilizantes minerales, 17 % corresponden al agua de riego y un 9 % a la aplicación de fertilizantes orgánicos (MMA, 2001).

Como se describió en la Parte I de esta serie (Ruiz, et al., 2008), los modelos de simulación pueden emplearse para estudios, tanto de balance de agua como de nitrógeno para diferentes cultivos. En la región valenciana han sido utilizados los modelos GLEAMS (de Paz y Ramos, 2002; 2004), el LEACHM (Paches y Lidón, 2005) y el NLEAP (Abril et al., 1998), no obstante los modelos SWAP para el balance de agua y ANIMO para el balance de nitrógeno no habían sido aplicados, por lo que fueron escogidos en este trabajo para evaluar su comportamiento para la alcachofa, cultivo típico de la región. Los fundamentos de los modelos SWAP y ANIMO fueron descritos por van Dam et al., 1997 y Renaud et al.

Los datos empleados para la evaluación preliminar de los modelos SWAP y ANIMO provienen de la investigación realizada por Khayyo (2004). Los ensayos se efectuaron en una parcela experimental de Valencia situada en la comarca de L'Horta Nord (Huerta Norte) durante el período del cultivo alcachofa entre 2001 y 2003. En la comunidad valenciana el cultivo de la alcachofa es el segundo en superficie ocupada y uno de los que más pueden contribuir a la contaminación por la lixiviación de nitrato. En la Figura 1 se muestra la ubicación geográfica de la zona experimental dentro de la comunidad valenciana.

Se aplicaron diferentes dosis de abonado nitrogenado para conseguir tres niveles de nitrógeno mineral disponible (N_min inicial en la capa de suelo 0-60 cm, más el aportado por el abonado nitrogenado y por el agua de riego y de lluvia). Los tratamientos fueron: N2, donde el N_min disponible = 280 kg N/ha; N1 = 182 (35 % inferior a N2); N3 = 378 (35 % superior a N2). La lixiviación de nitrato a una cierta profundidad se calculó como el producto de la concentración de NO₃^- y el drenaje, este se calculó por balance de agua y balance de cloruro. Para aplicar esta metodología se midieron los aportes de agua y cloruro por riego y lluvia, la extracción de Cl^- y N por la planta, el contenido de agua, Cl^-, NO₃^- y NH₄⁺ en el suelo, la evapotranspiración de referencia y otros datos climáticos a lo largo del período de cultivo.

Teniendo en cuenta los datos experimentales disponibles y los requeridos por SWAP, en la Tabla 1 se muestran las entradas empleadas para llevar a cabo las simulaciones. Los datos meteorológicos diarios fueron obtenidos en la estación situada en el Instituto de Investigaciones Agrarias (IVIA).

FIGURA 1. a) y b) Ubicación geográfica de la región donde fueron realizadas las investigaciones.

Análisis de los datos existentes y los necesarios para el empleo del modelo ANIMO

El modelo ANIMO requiere la preparación de ocho ficheros: 1)"Initial.inp"; 2)"Management.inp"; 3)"Material.inp"; 4)"Plant.inp", 5)"Soil.inp"; 6)"Boundary.inp"; 7)"General.inp" y 8) "Swatre.Unf".

Initial.inp: Contiene la información de la concentración inicial por compartimento del perfil de suelo de nitratos, amonio, exudados radiculares, humus provenientes de los exudados radiculares, humus proveniente de materia orgánica, materia orgánica fresca y materia orgánica disuelta. En nuestro caso se supuso no habían residuos orgánicos en el suelo ni materia orgánica fresca añadida. Solo se consideró el carbono orgánico contenido en el suelo, el cual fue expresado como humus proveniente de materia orgánica fresca.

Management.inp: En este fichero se define el tipo de cultivo, para este trabajo se definió como "1" la alcachofa (el modelo define números para otros cultivos, por ejemplo "2" para maíz y "6" para pastos). Aquí también se define si los materiales añadidos varían su composición en el tiempo. En nuestro caso, el único material a añadir (nitrato de amonio) se supuso constante, pues se trataba de un compuesto inorgánico de composición definida (50 % de NO3-N y 50 % de NH4-N). Por último se definen las fertilizaciones realizadas en tiempo y cantidad (kg/ha). Para la alcachofa, se consideraron tres aplicaciones de nitrato de amonio en cantidades de 60; 60 y 65 kg N/ha.

Management.inp: En este fichero se define el tipo de cultivo, para este trabajo se definió como "1" la alcachofa (el modelo define números para otros cultivos, por ejemplo "2" para maíz y "6" para pastos). Aquí también se define si los materiales añadidos varían su composición en el tiempo. En nuestro caso, el único material a añadir (nitrato de amonio) se supuso constante pues se trataba de un compuesto inorgánico de composición definida (50 % de NO3-N y 50 % de NH4-N). Por último se definen las fertilizaciones realizadas en tiempo y cantidad (kg/ha). Para la alcachofa se consideraron tres aplicaciones de nitrato de amonio en cantidades de 60; 60 y 65 kg N/ha.

Material.inp: En este fichero se definen las características de los materiales añadidos como fertilizantes. En nuestro caso se supuso que el fertilizante era totalmente inorgánico con un 50 % de contenido de amonio y un 50 % de nitratos. También se definen las velocidades de asimilación que en ANIMO se suponen de valor 0,25 para todas las fracciones. Este valor fue asumido por defecto en este trabajo. También se definen las fracciones de nitrógeno en la materia orgánica.

Plant.inp.: Una información requerida aquí es la masa y profundidad de las raíces, según pasa el tiempo. Estas cantidades se emplean para la descomposición posterior de los residuos del cultivo. También se ofrecen las fechas de inicio y fin del cultivo, las absorciones de N por las raíces, como valores acumulativos para dos períodos, las transpiraciones en los dos períodos mencionados, el día en que la absorción máxima de N se altera, el factor de selectividad máxima para el N y el factor para la transpiración real en el cálculo de la absorción por el cultivo. Estos datos se ajustaron de acuerdo con la información reportada por Khayyo (2004).

Soil.inp: En este fichero se definen las características del perfil como son: el número de horizontes, el ancho del compartimento empleado para las adiciones, la profundidad de raíces, entre otros. También se brindan los datos para la función que rige el cambio de la temperatura del suelo, según una función sinusoidal. Los datos pedidos son la amplitud de la sinusoide y la temperatura media. Estos datos fueron calculados para la estación del IVIA en los años 2001 y 2002, resultando una amplitud de 11 C y un valor medio de temperatura de 17 C; el resto de los parámetros de la función se asumieron igual. Otros parámetros pedidos están relacionados con la difusión del oxigeno, las conductividades hidráulicas de los horizontes, la densidad aparente, la relación C/N para cada horizonte (para la zona de raíces se considera una variable muda pues se asume que la fracción de nitrógeno en el humus en esta zona es máximo) y los coeficientes que permiten evaluar la influencia de la temperatura en las transformaciones orgánicas. Por último se brinda información sobre el pH de cada horizonte y los coeficientes sobre la distribución de amonio.

Boundary.inp: Este fichero considera las concentraciones de amonio y nitratos presentes en las precipitaciones y los riegos. También si existe entrada de amonio y nitrato por algún tipo de sistema de drenaje o de la capa inferior al perfil de suelo considerado. En nuestro caso, se introdujeron las concentraciones reportadas por Khayyo (2004) para las lluvias y riegos, según fuesen de pozos o acequias, pues la diferencia en concentración de nitratos es notable entre una fuente y otra de riego (50 mg/L en pozos y 5 mg/L en acequias).

General.inp: En este fichero se ofrece información sobre si serán simulados los ciclos de N y C y el proceso de aireación del suelo y de absorción de N por las raíces. También se establece la duración de la simulación, pero señalando los días julianos en cada año, correspondientes al inicio y final de la simulación. Por último se establecen las características de los balances, en cuanto a capas del suelo, para las que se requiere y número de períodos en cada año que se simula.

Swatre.Unf: Este fichero surge al ejecutar SWAP con las mismas condiciones que se emplean en ANIMO, aquí se brindará la información sobre el balance hídrico al modelo ANIMO.

El modelo SWAP brinda a la salida, entre otros, el balance de agua para las etapas que el usuario defina y también un balance acumulado y diario. Además, ofrece los valores diarios de las variables humedad y potencial matricial para cada uno de los compartimentos del suelo, definidos en la entrada. De acuerdo con los datos disponibles de Khayyo (2004), las salidas de SWAP utilizadas fueron las ofrecidas en el fichero correspondiente al balance de agua y para coincidir con los rangos experimentales reportados se impuso a SWAP la realización de balances parciales entre los períodos 17/7/2001 al 29/10/2001; 30/10/2001 al 5/3/2002 y 6/03/2002 al 4/7/2002.

En la Figura 2 se muestra la lámina de agua contenida en el perfil de suelo (Wc) para cada uno de los momentos en que fueron realizadas mediciones de la humedad del suelo. Como se observa las diferentes entre simulados y calculados por Khayyo (2004) se alejan a medida que aumenta el período simulado. Esto puede estar relacionado con la acumulación de los errores en la simulación, no obstante el modelo es capaz de seguir las variaciones de la lámina en el tiempo.

Dada la importancia del agua drenada, desde el perfil de suelo hacia capas profundas, por su relación con la cantidad de nitratos que pueden lixiviarse del perfil, en la Figura 3 se muestra la comparación entre los valores reportados por Khayyo (2004) calculados por el balance de cloruros (Ramos, 1988; Lidón et al., 1999) y los simulados por SWAP. Se aclara que no se reportan los errores de los métodos experimentales y por eso no aparecen reflejados en la gráfica, no obstante se considera que en los métodos de campo pueden haber errores, tanto en el método de balance, a través del cálculo de la evapotranspiración, como en el método de balance de cloruros, por la gran variabilidad espacial que muestra este elemento en el suelo. Por lo anterior se consideran adecuados los resultados de las simulaciones.

En la Figura 4 se muestra la comparación entre las evapotranspiraciones calculadas por Khayyo (2004) y las estimadas por SWAP. Aquí nuevamente hay semejanza entre los resultados, sobreestimando SWAP los valores.

FIGURA 2. Comparación de los valores de Wc obtenidos por Khayyo (2004) y los simulados por SWAP para el perfil de suelo (0-60 cm).

FIGURA 3. Comparación entre los valores de flujo de agua que abandona el perfil obtenidos por Khayyo (2004) y simulados por SWAP.

FIGURA 4. Comparación entre las evapotranspiraciones acumuladas reportadas por Khayyo (2004) y simuladas por SWAP.

Por último en la Figura 5 se muestra la comparación entre los cambios en los valores de las láminas de agua en el perfil del suelo entre 0 y 60 cm de profundidad, reportado y simulado para las tres etapas.

FIGURA 5. Comparación entre los cambios en las láminas de agua en el perfil del suelo 0-60 cm, reportadas por Khayyo (2004) y simuladas por SWAP.

Khayyo (2004) reporta la información referente a las adiciones de fertilizantes, contenidos de nitratos y amonios en el suelo, la planta, y las aguas de riego, según provenían de pozos o acequias, también de las lluvias. Esta información fue la empleada para completar los ficheros de entrada de ANIMO, aunque muchos parámetros presentes
en los ficheros originales de ANIMO, en sus diferentes ejemplos de aplicación, tuvieron que asumirse como válidos al no disponer de información para las condiciones locales.

Los parámetros de entrada más influyentes en las salidas de ANIMO, según se pudo comprobar en un proceso de análisis de sensibilidad del modelo, se nombran en la Tabla 2.

La comparación entre los resultados obtenidos por Khayyo (2004) para el balance total (17/7/2001 al 4/7/2002) en su investigación y a partir de las simulaciones con ANIMO se muestran en la Tabla 3.

TABLA 3. Comparación entre los contenidos de nitrógenos obtenidos por Khayyo (2004) y simulados por ANIMO (todos expresados en kg N/ha)

En la Tabla 3 pueden observarse las buenas correspondencias obtenidas para los tres primeros aspectos. Para la lixiviación es donde mayor diferencia se observa, no obstante aquí está presente el término de drenaje utilizado para los cálculos, que resulta una de las variables con mayor incertidumbre en su determinación y además muy afectada por las propiedades hidráulicas de los suelos empleadas.

• En el trabajo se han presentado resultados preliminares obtenidos al aplicar los modelos SWAP para el balance de agua y ANIMO, para el balance de nitrógeno y para el cultivo de alcachofa en una región de la comunidad valenciana. Se consideran aceptables, teniendo en cuenta que los modelos de simulación se emplean para realizar experimentos del tipo "qué pasaría si" con vistas a comparar los efectos relativos causados al cambiar variables más influyentes en el balance de agua y nitrógeno en el perfil del suelo.

• A partir del estudio realizado, los siguientes parámetros son los más importantes para la calibración de los modelos con vistas a realizar simulaciones para cualquier otro cultivo o la mejora de los resultados en los ensayados en este trabajo:

b) Condiciones establecidas en la frontera inferior del suelo, en particular en el caso que su suponga la presencia de un manto freático cercano.

d) Los parámetros que definen el desarrollo radicular y foliar del cultivo, en particular si es de interés el análisis del rendimiento del cultivo.

• En el caso del modelo ANIMO los parámetros que fueron detectados en este trabajo como más influyentes en los resultados de las simulaciones fueron:

4. Valores de las extracciones de N esperadas para el cultivo en los dos períodos en que se divide su desarrollo

• Aunque los estudios reportados en este trabajo fueron realizados en España, se consideran importantes para las condiciones cubanas, dado que en los momentos actuales existen mayores disponibilidades de fertilizantes nitrogenados y el interés de lograr mayores rendimientos agrícolas. La modelación agrohidrológica debe constituir una herramienta indispensable para el ensayo de las mejores variantes de manejo de los fertilizantes con vistas a evitar la contaminación de suelos y aguas con excesos de nitratos.

Debe aclararse que estos resultados están referidos al caso simulado, es decir asumiendo un solo tipo de material añadido y de composición constante. Si se añaden otros materiales con diferentes fracciones de contenidos de materia orgánica y nitrógeno, otros factores como son los parámetros que definen la velocidad en los procesos de transformación, también serán importantes.

ADDISCOTT, T.M.; A.P. WHITMORE,.and D.S. POLWSON: Farming, fertilizers and the nitrate problem, pp. 170, CAB International, Wallingford, 1991.

ABRIL, F.; J.M. DE PAZ y C. RAMOS: "El riesgo de lixiviación de nitrato en las principales zones hortícolas de la comunidad valenciana", en: Jornadas sobre la contaminación de las aguas subterráneas: un problema pendiente, pp. 65-71, AIG-GE, Valencia, 1998.

CONSELLERÍA DE MEDIO AMBIENTE: Campaña de nitratos en las redes de distribución de aguas potables de los municipios de la comunidad valenciana, Generalitat valenciana, 1999.

DOORENBOS, A. and H. KASSAM: "Yield Response to Water", Irrigation and Drainage, Paper 33, FAO, 1979.

DE PAZ, J.M.: Acople de un sistema de información geográfica con dos modelos de simulación de lixiviación de nitrato y su aplicación a una zona agrícola, 169 pp. Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Ciencias), Universidad Politécnica de Valencia, 1999.

DE PAZ, J.M. and C. RAMOS:. "Linkage of a geographical information system with the gleams model to assess nitrate leaching in agricultural areas", Environmental Pollution (118): 249-258, 2002.

DE PAZ, J.M. and C. RAMOS:. "Simulation of nitrate leaching for different nitrogen fertilization rates in a region of Valence (Spain) using a GIS-GLEAMS system", Agriculture, Ecosystems and Environment (103): 59-73, 2004.

GROENENDIJK, P. and J.G. KROES: Modelling the nitrogen and phosphorus leaching to groundwater and surface water; ANIMO 3.5, Report 144, DLO Winand Staring Centre, Wageningen, 1999.

GROENENDIJK, P.; L.V. RENAUD and J. ROELSMA:. Prediction of Nitrogen and Phosphorus leaching to groundwater and surface waters; Process descriptions of the ANIMO4.0 model, Alterra Report 983, Alterra, Wageningen, 2005.

HENDRIKS, R. F.A.; K. OOSTINDIE and P. HAMMINGA: "Simulation of bromide tracer and nitrogen transport in a cracked clay soil with the FLOCR/ANIMO model combination", Journal of Hydrology (215): 94115, 1999.

KHAYYO, S.S.: Influencia del nitrógeno mineral disponible sobre la producción y la lixiviación de nitrato en el cultivo de alcachofa. Evaluación de un sistema de recomendación de abonado, Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, España, 2004.

KROES, J.G. and J. ROELSMA: ANIMO 3.5. User's guide for the ANIMO version 3.5 nutrient leaching model, Technical Document 46, DLO Winand Staring Centre, Wageningen, 1998.

LIDÓN, A.L.; C. RAMOS and A. RODRIGO: "Comparison of drainage estimation methods in irrigated citrus orchards", Irrigation science (19): 25-36, 1999.

LÓPEZ, T.: Caracterización del movimiento del agua en suelos irrigados del sur de La Habana: Contribución metodológica al procedimiento actual para la determinación de los balances hídricos, Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Agrícolas),. INIFAT, IIRD, Marzo'02, 2002

MARINOV, D.; E. QUERNER and J. ROELSMA: "Simulation of water flow and nitrogen transport for a Bulgarian experimental plot using SWAP and ANIMO models", Journal of Contaminant Hydrology (77): 145164, 2005.

MEDINA, H.: El ENOS, la variabilidad climática y el patrón de rendimientos de los cultivos, modelación en caña de azúcar, 121 pp., Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Agrícolas), Universidad Agraria de La Habana, Cuba, 2006.

MINISTERIO DE MEDIO AMBIENTE: Calidad y contaminación de las aguas subterráneas en España: Propuestas de protección, 143 pp., Secretaria de Estado de Aguas y Costas, 2001.

NEETESON, J..J. and. O.T. CARTON,.: "The environmental impact of nitrogen in field vegetable production", Acta Horticulturae, (563): 21-28, 2001.

PACHES, M. y A. LIDÓN: "Uso de un modelo de transporte de agua y solutos como apoyo a la recomendación del abonado nitrogenado en cítricos", I, pp. 117-124, en: Jornadas del Grupo de Fertilización de la SECH, Moncada (Valencia), Octubre, 2005.

RAMOS, C.: The use of the chloride balance method for estimating nitrate leaching. In: Nitrogen efficiency in Agricultural soils, pp. 256-268, Jenkinson D.S: and Smith K.A. (eds), Elsevier, Applied science, London, 1988.

RENAUD, L.V.; J. ROELSMA, y P. GROENENDIJK: User's guide of the ANIMO 4.0 nutrient leaching model Alterr, Report 224, Alterra, Wageningen, 2006.

RITJEMA, P.E. and J.G. KROES:. "Some results of nitrogen simulations with the model ANIMO", Fertilizer Research, (27):189-198, 1991.

RUIZ, M.E.: Utilización del modelo SWACROP en la simulación del uso del agua y el rendimiento de la papa (Solanum tuberosum L.c.v. Desiree) en suelos Ferralíticos Rojos, Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Agrícolas). Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA), La Habana, Cuba, 1998.

SANCHIS, E. J.:" La contaminación por nitratos de las aguas subterráneas. El caso de la comunidad valenciana", en: Jornadas sobre "La Contaminación por nitratos de las aguas continentales", 31 marzo-2 abril, Generalitat valenciana, Consellería de Medi Ambient, Valencia, 1993.

SMITH, M.:. "CROPWAT, a computer program for irrigation planning and management", Irrigation and Drainag, Paper 46, FAO, Rome, Italy, 1992.

VAN DAM, J.C.; J. HUYGEN; J.G WESSELING; R.A FEDDES; P. KABAT; VAN P.E.V. WALSUM; P. GROENENDIJK and C.A VAN DIEPEN: Theory of SWAP version 2.0. Simulation of water flow, solute transport and plant growth in the Soil-Water-Atmosphere-Plant environment. Report 71, Subdep, Water Resources, Wageningen University, Technical document 45, Alterra Green World Research, Wageningen, 1997.

WOLF, J.; M.J.D. HACK-TEN BROEKE and R. RÖTTER: "Simulation of nitrogen leaching in sandy soils in The Netherlands with the ANIMO model and the integrated modelling system STONE", Agriculture, Ecosystems and Environment (105): 523540, 2005.

WÖSTEN, J.H.M.; A. LILLY; A. NEMES and C LE BAS: "Development and use of a database of hydraulic properties of European soils", Geoderma (90): 169-185, 1999.