Viabilidad del uso del modelo EPIC para estimar

pérdidas de suelo en zona de ladera

J.F. Arroyave, J.A. Tapasco, B. Rivera, F. Obando

Universidad de Caldas

Calle 65 No. 26-10. Manizales

Manuscrito probado para su publicación en

Suelos Tropicales

Summary

Viability of the use of the EPIC model to estimate soil losses in a hillside zone. The EPIC model was developed to simulate impacts of erosion on soil productivity. To prove the viability of the use of the model under extreme rainfall and slope conditions the current research was carried out in the San Antonio river watershed (a sub-watershed of the La Miel river). Five 10m x 2.5m run-off plots were installed: two in maize (M1 and M2), two in cassava (C1 and C2) and one in fallow (F1). Monthly observed soil losses were compared with the results simulated by the EPIC model. The efficiency indicator of the model was the determination coefficient (R²) using a linear regression with intercept zero. The R²´s were 0.68, 0.62, 0.83, 0.80 and 0.03 for the plots in M1, M2, C1, C2 and F1, respectively. To verify the model sensitivity to rainfall variations, a linear regression between monthly rainfall and the difference between observed and simulated monthly soil losses for each plot was carried out; the R² values ranged between 0.04 and 0.21. It was concluded that the EPIC model is viable to be used in hillside zones with extreme rainfall and slopes to simulate soil losses. Deep studies are required for a better calibration and validation. Besides, the EPIC model was very sensitive to the soil cover and it has constraints to estimate soil losses under fallow due to the lack of available physiological information of this kind of cover.

Keywords: EPIC, erosion, run-off plots, simulation models, hillsides, sedimentation

RESUMEN

El modelo EPIC ha sido desarrollado para simular el impacto de la erosión sobre la productividad de suelo. Con el fin de comprobar la viabilidad del uso del modelo bajo condiciones extremas de precipitación y pendiente se llevó a cabo la presente investigación en una subcuenca del Río La Miel. Se instalaron cinco parcelas de escorrentía de 10 m x 2.5 m: 2 en cobertura de maíz, 2 en yuca y 1 en rastrojo. Las pérdidas mensuales de suelo observadas en las parcelas de escorrentía fueron comparadas con los resultados simulados por el modelo. El indicador de eficiencia del modelo fue el coeficiente de determinación (R²) utilizando una regresión lineal, con intercepto cero. Los R² fueron: 0.68, 0.62, 0.83, 0.80 y 0.03 para las parcelas en maíz1, maíz2, yuca1, yuca2 y rastrojo, respectivamente. Para verificar la sensibilidad del modelo a las variaciones en precipitación, se realizó una regresión lineal por parcela entre la precipitación mensual y la diferencia entre las pérdidas mensuales de suelo observadas y simuladas; los valores del R² estuvieron entre 0.04 y 0.21. Se concluye que el modelo EPIC es viable para ser utilizado en zonas de ladera con valores extremos de precipitación y pendientes para simular pérdida de suelo y se requieren estudios más profundos para su calibración y validación, además resultó altamente sensible a los parámetros de cobertura y no tiene confiabilidad para estimar pérdidas de suelo en rastrojo debido a la escasa información disponible sobre fisiología de esta cobertura.

Palabras claves: EPIC, erosión, parcelas de escorrentía, modelos de simulación, laderas, sedimentación

INTRODUCCIÓN

La simulación computarizada ha sido utilizada para avanzar en el conocimiento agrícola, el desarrollo de políticas socioeconómicas a nivel regional, la asesoría a los productores en la toma de decisiones, y para que los productores mismos puedan experimentar y probar con riesgo mínimo los efectos de varias estrategias alternativas de manejo. El modelo EPIC (Enviromental Policy Integrated Climate, inicialmente llamado Erosion Productivity Impact Calculator) fue desarrollado para simular las pérdidas de suelo bajo distintas situaciones de cobertura, suelo, clima y manejo; evaluar el impacto de la pérdida de suelo sobre la productividad de los cultivos; cuantificar los costos de la erosión del suelo; y estimar los beneficios de la investigación y el control de la erosión del suelo en los Estados Unidos (Mitchell et al. 1993).

Con el fin de comprobar la viabilidad del uso del modelo para simular pérdidas de suelo bajo condiciones de precipitación y pendiente superiores a aquellas bajo las cuales se desarrolló el modelo, se llevó a cabo un estudio en la cuenca del río San Antonio. Esta cuenca posee 3.972 ha, está ubicada en el corregimiento de Florencia, municipio de Samaná (Caldas), y se caracteriza por elevadas precipitaciones en sus registros históricos (6.500 mm/año) y altas pendientes (70 a 120%). Su cauce es uno de los principales afluentes del río la Miel, donde actualmente se lleva a cabo uno de los proyectos de energía eléctrica más ambiciosos del país (Miel I). Para la toma de decisiones en relación con la vida útil de la represa y la definición del volumen muerto sería poco práctico instalar parcelas de escorrentía para estimar la pérdida de suelo bajo las distintas condiciones de suelo, clima y manejo que se tienen en las 77.000 ha que posee la cuenca del río La Miel, razón por la cual se requiere el desarrollo de mejores herramientas de análisis que permitan simular con alta confiabilidad, menores costos y mayor rapidez distintos escenarios de erosión y sedimentación.

MATERIALES Y MÉTODOS

Para medir la pérdida real de suelo se instalaron cinco parcelas de escorrentía de 10 m x 2.5 m, con tres tipos de cobertura (2 en maíz, e en yuca y 1 en rastrojo), manejadas según la metodología descrita por Morales (1996). Las pendientes del terreno en las parcelas fueron 117, 111, 100, 100 y 82%, en las parcelas maíz1, maíz2, yuca1, yuca2 y rastrojo, respectivamente. A partir de la información secundaria (Rivera y Estrada, 1998) se estableció que la pérdida de suelo para la cuenca es de 48 t/ha.año, a partir de mediciones diarias de turbidez y de caudales en el punto de la desembocadura del río San Antonio.

Para simular la pérdida de suelo mediante el modelo EPIC se utilizó la información climática (radiación, humedad relativa, temperatura máxima y mínima, y velocidad del viento) obtenida de los registros históricos (período 1974 - 1990) de la estación del HIMAT con coordenadas 0525 N , 7500 W. La información sobre precipitación se tomó de la Estación Climática de Belén (CHEC) para el mismo período de evaluación de las parcelas (Tabla 1).

Tabla 1. Precipitación mensual registrada en los meses de marzo de 1997 a febrero de 1998 en la estación Belén, ubicada en Florencia- Caldas

La información sobre parámetros fisiológicos fue obtenida del archivo corn (utilcrop) del EPIC e información local para maíz; DSSAT e información local para yuca; del archivo rye grass del EPIC para rastrojo; de CENICAFE para café; del archivo sugar cane del EPIC para caña; del archivo pino del EPIC para bosques; y del archivo bermuda del EPIC para pastos. Los factores cobertura (C) y prácticas de conservación (P) para café fueron tomados de: FAO (1984), Wischmeier y Smith (1978) y Roose, citado por Young, A (1990).

Para el análisis físico y químico de suelo se tomaron muestras a 20 cm de profundidad en 3 repeticiones de 5 cultivos (café, caña, pasto, rastrojo y pancoger) para cada una de las 4 zonas que se tipificaron en la cuenca del río San Antonio: alta, media alta, media baja y baja (Rivera y Estrada, 1998). En cada sitió de muestreo se determinó la pendiente.

Se simuló a través del EPIC la pérdida de suelo ocasionada por las prácticas agrícolas en las parcelas de escorrentía y en toda la cuenca del río San Antonio. Para esta última, se ponderó la pérdida simulada de suelo por el área dedicada a cada cultivo para cada una de las 4 zonas.

Para evaluar la eficiencia de ajuste del modelo de simulación en las parcelas de escorrentía se realizó una comparación entre la pérdida de suelo mensual obtenida en campo (observada) y la simulada por el modelo, utilizando como indicador el coeficiente de determinación (R²) de la correlación lineal con intercepto cero. Con el fin de verificar la sensibilidad del modelo a valores de precipitación que se encuentran fuera del limite superior del rango del modelo, se realizó una regresión entre los valores de precipitación y la diferencia entre los valores observados y simulados (observado menos simulado). Adicionalmente, se realizó un análisis de sensibilidad del modelo al factor cobertura (C) para el cultivo del café ya que la información secundaria reportada por diferentes autores muestra amplias diferencias.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La pérdida promedio de suelo medida en las parcelas de escorrentía fue de 9.0 t/ha. año, con un promedio ligeramente superior en yuca que en maíz (Tabla 2). Las menores pérdidas de suelo se presentaron en los meses de junio, julio y agosto, que corresponden a los meses de menor precipitación.

Tabla 2. Pérdidas de suelo mensuales (t/ha) medidas en las parcelas de escorrentía (cuenca del río San Antonio).

La pérdida promedio de suelo simulada por el modelo EPIC fue de 9.8 t/ha, también con una reducción significativa en los meses de junio, julio y agosto (Tabla 3). Las pérdidas promedio simuladas en el cultivo de yuca fueron igualmente mayores que en el cultivo de maíz.

Tabla 3. Perdidas de suelo (t/ha) simuladas por el modelo EPIC utilizando la información de las parcelas de escorrentía (cuenca del río San Antonio)

Los coeficientes de determinación (R²) de la regresión lineal, con intercepto cero entre los valores observados y simulados fueron: 0.68, 0.62, 0.83, 0.80 y 0.03 para las parcelas en maíz1, maíz2, yuca1, yuca2 y rastrojo, respectivamente, indicando las bondades que tiene el modelo EPIC para simular las pérdidas de suelo en los cultivos de yuca y maíz a través del tiempo (figura 1). En cambio, en la parcela de rastrojo se presenta una enorme discrepancia entre los valores observados y simulados, no obstante que fue evaluada bajo condiciones de precipitación similares a las demás parcelas y la pendiente fue menor. El factor que determina la diferencia guarda relación con el uso de los parámetros fisiológicos del "rye grass" por la falta absoluta de parámetros locales relacionados con la cobertura de rastrojo.

Las regresiones lineales por parcela entre la precipitación mensual y la diferencia entre las pérdidas mensuales de suelo observadas y simuladas indican muy bajos valores de R²: 0.21, 0.04, 0.15 y 0.21 en las parcelas maíz1, maíz2, yuca1 y yuca2, respectivamente. Este hecho significa probablemente que a medida que se incrementan los niveles de precipitación (hasta 817 mm en algunos meses) la eficiencia del ajuste no se reduce; es decir, que la eficiencia del ajuste del modelo es la misma a niveles bajos como altos de precipitación.

Rivera y Estrada (1998) estimaron una pérdida de suelo de 48 t/ha.año en toda la cuenca, a partir de mediciones diarias de turbidez y de caudales en el punto de la desembocadura del río San Antonio. En cambio, la pérdida de suelo simulada por el modelo EPIC para la misma cuenca resultó en 16 t/ha.año (Tabla 4). El café es el cultivo que genera los mayores niveles de sedimentación al lecho del río (29.524 t/año). Los cultivos de pancoger presentan las mayores pérdidas de suelo por hectárea (entre 49 y 108 t/ha.año) en razón a que son los únicos cultivos que presentan baja cobertura en algún período del cultivo, por el sistema tradicional de tumba y quema, pero las áreas sembradas son igualmente pequeñas (174 de 3.972 ha).

Figura 1. Comparación entre las pérdidas de suelo observadas en las parcelas de escorrentía y las simuladas por el modelo EPIC en las coberturas de maíz, yuca y rastrojo.

Resulta lógico que los niveles de sedimentación estimados en la desembocadura del río sean mayores a los que el modelo EPIC predice si se tiene en cuenta que la sedimentación total no es sólo función de las prácticas de cultivo. El modelo EPIC estaría explicando una tercera parte de las pérdidas de suelo, como consecuencia de las prácticas de cultivo. Una segunda tercera parte estaría explicada por los movimientos masales o derrumbes (estimadas por Rivera y Estrada (1998) en 16 t/ha.año). La erosión causada en el cauce por la corriente del río y aquella causada por el pisoteo del ganado explicarían la otra tercera parte de las pérdidas de suelo.

Tabla 4. Pérdidas de suelo (t/ha.año) simuladas por el modelo EPIC para los cultivos más representativos de la cuenca del río San Antonio

El uso de diferentes valores reportados para el factor C, para el mismo cultivo y bajo las mismas condiciones agronómicas, generó cambios sustanciales en las pérdidas de suelo estimadas por el modelo. La pérdida de suelo simulada es 67, 96 y 318 t/ha.año cuando se utilizan los valores de C: 0.07, 0.10 y 0.30, respectivamente (FAO, 1984; Wischmeier, 1978; Roose, citado por Young (1990).

CONCLUSIONES

Los resultados indican que el modelo EPIC es viable para ser utilizado en zonas de ladera para simular la pérdida de suelo en los cultivos de maíz y yuca, no obstante que los niveles de precipitación y pendiente sean superiores a los límites del modelo; se requieren estudios más profundos para la calibración y validación del modelo bajo condiciones locales. El modelo resultó altamente sensible a los parámetros de cobertura y prácticas de conservación, razón por la cual deben ser determinados con mayor precisión. El modelo no tiene confiabilidad para estimar pérdidas de suelo en rastrojo debido a la escasa información disponible sobre fisiología de esta cobertura del suelo y a la alta variabilidad de la composición botánica de los rastrojos.

BIBLIOGRAFÍA

AGRADECIMIENTOS

Los autores desean expresar su agradecimiento al Dr. Fernando Gómez IA, PhD, del convenio CORPOICA-Universidad de Caldas por la revisión y edición del documento.