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PRODUCTOS PRINCIPALES CARTOGRÁFICOS DEL PROYECTO
CP – SEMARNAT – CONACYT – 23748 DE NOVIEMBRE DE 2007 A ABRIL DE 2009 SOBRE
EFECTO DE ALTERACIÓN DE LA FERTILIDAD DEL SUELO EN VULNERABILIDAD DE MAÍZ
Y TRIGO DE TEMPORAL Y RIEGO EN MÉXICO AL FINAL DEL SIGLO XXI DEBIDO AL
CAMBIO CLIMÁTICO
Dr. Iourii Nikolskii Gavrilov, Responsable del proyecto CP – SEMARNAT – CONACYT – 23748
Profesor Investigador Titular, Postgrado en Hidrociencias, Campus Montecillo, Colegio de
Postgraduados, 9 de Junio de 2009
La mayoría de los pronósticos de vulnerabilidad de cultivos agrícolas al cambio climático
se realizan considerando únicamente el efecto directo del cambio climático e ignorando
la alteración de la fertilidad del suelo atribuible al mismo cambio climático y su impacto
sobre la productividad agrícola (Reddy y Hodges, 2000; Chang, 2002; Lobell et al.,
2005; Gay et al., 2006; etc.). En algunas investigaciones se intenta considerar la
alteración de reservas solamente de nitrógeno en el suelo en relación con los
escenarios de cambio climático (Bazzaz y Sombroek, 1996; Conde et al., 1998; etc.).
Actualmente, todavía no existen trabajos relacionados con la alteración de varios
componentes de fertilidad del suelo (nitrógeno, potasio, fósforo, etc.), y su papel en el
pronóstico de vulnerabilidad de cultivos agrícolas al cambio climático. Esto se explica
debido a la dificultad para estimar la alteración de la fertilidad del suelo agrícola por el
cambio climático en forma integral.
Durante los últimos años en el Campus Montecillo del Colegio de Postgraduados, México se ha
desarrollado la metodología para estimar la alteración de diferentes componentes de la fertilidad
del suelo agrícola y del índice integral de fertilidad F (adimensional), en función de los escenarios
existentes del cambio climático en el transcurso del siglo XXI (Contreras Benítez, 2000; Nikolskii et
al., 2001; Contreras et al., 2002; Nikolskii et al., 2006; Castillo Álvarez, 2007; Castillo et al., 2007;
Herrera Gómez, 2008). Esta metodología está basada en la aplicación de La Ley Geográfica de
Zonificación de Suelos, según la cual, valores modales regionales de algunas propiedades f y del
índice integral de fertilidad F de suelos vírgenes no usados en agricultura y geomorfológicamente
homogéneos dependen del índice climático local (adimensional) IHT (Volobuyev, 1974):
IHT = Rn/(L Pr) (1)
Donde Rn y Pr son valores promedio anuales de la radiación neta (kJ cm2 año1) y precipitación
(mm año1) respectivamente y L que la constante del calor latente (2.51 kJ cm2 mm1).
Para diferentes regiones de México a una escala de 1:5,000,000 aproximadamente se han
calculado los valores de IHT2000 correspondientes a las condiciones climáticas anuales a principios
del siglo XXI, donde el superíndice 2000 significa que esta variable corresponde a principios del
siglo XXI. También se han establecido las relaciones cuantitativas entre 15 propiedades (f2000), y el
índice integral de suelos vírgenes (F2000) geomorfológicamente homogéneos, ubicados en terrenos
con pendientes menores de 3% y el IHT2000 para las condiciones climáticas a principios del siglo
XXI.
Considerando que el cambio climático global es relativamente lento en comparación con la
intensidad de cambio de los componentes principales de fertilidad del suelo (materia orgánica,
reservas de nitrógeno, potasio y fósforo disponibles para los cultivos agrícolas, pH y algunos otros)
deben conservarse las relaciones f2000(IHT2000) y F2000(IHT2000) en el transcurso del siglo XXI (Arnold,
Szabolcs y Targulian, 1990). Entonces, basándose en los escenarios climáticos existentes, se
pueden conocer las condiciones climáticas a futuro IHTfuturo en el transcurso del siglo XXI en sitios
de referencia, por tanto, se pueden estimar las nuevas propiedades ffuturo y el Índice Integral de
Fertilidad Ffuturo utilizando las relaciones establecidas f2000(IHT2000) y F2000(IHT2000). Conociendo el
índice integral de fertilidad del suelo a inicios de siglo (F2000) y en el transcurso (Ffuturo) del siglo XXI,
se pueden calcular y comparar los rendimientos de los cultivos agrícolas Y2000 y Yfuturo bajo
condiciones de temporal o riego, permitiendo estimar no solamente el factor directo del cambio
climático sobre la productividad de los cultivos agrícolas sino el papel de la alteración del suelo
atribuible al mismo cambio climático. En nuestro trabajo se ha utilizado la metodología de la FAO
(2000):
jjjmax
j FKYY = (2)
Donde: Yj es el rendimiento del cultivo agrícola (en kg ha1) sin considerar las pérdidas de cosecha
por plagas o enfermedades para un año j = 2000 a principios del siglo XXI y j = 2100 (esta
metodología se puede aplicar para cualquier año durante el siglo XXI para el cual existen los
escenarios del cambio climático, por ejemplo, j = 2030, j = 2050, u otro); Ymaxj es el rendimiento
potencial máximo (en kg ha1) correspondiente a los mismos años con el superíndice j y depende
de los valores mensuales de la temperatura del aire, radiación fotosintéticamente activa, contenido
de bióxido de carbono en la atmósfera, ruta fotosintética del cultivo, índice de área foliar e índice
de cosecha; jK es un índice hídrico adimensional que caracteriza la disponibilidad de agua en el
suelo para los cultivos, el cual varía de cero a uno; jF es el Índice Integral de la Fertilidad del
suelo agrícola (adimensional), el cual también varía de cero a uno. El índice jK depende de la
disponibilidad del agua en suelo que se puede calcular a través del balance hídrico del suelo o
través de los valores mensuales del IHTj calculados para cada mes con la fórmula basada en (1)
para el caso de cultivos de temporal. La fórmula (3) se utiliza para cultivos bajo riego:
IHTj = Rnj /[L(Prj + Lrj)] (3)
Donde: Lrj es la lámina de riego mensual en el año con número j (mm).
jF en la fórmula (2), se determina a través de la relación establecida F2000(IHT2000) para un grupo
dado de suelos vírgenes y agrícolas geomorfológicamente homogéneos. En nuestro trabajo, el
índice jF fue calculado en función de la cantidad de materia orgánica, cantidades disponibles
para la planta de fósforo, potasio y del valor de pH (Pegov y Jomyakov, 1991).
Los cálculos de Yj se han realizado para los cultivos de Trigo y Maíz para grano de temporal y bajo
riego en los periodos primavera–verano (PV) y otoñoinvierno (OI). Se han utilizado los modelos
de circulación general de la atmósfera GFDLR30 (de los Estados Unidos) y CCC (de Canadá),
para el escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera al final del siglo XXI (Gay, 2003 y 2008).
Obviamente, los modelos de circulación general de la atmósfera y los escenarios del cambio
climático estarán paulatinamente mejorando y perfeccionándose con diferentes periodos de
predicción del clima. Entonces, las estimaciones hechas de cambio del índice de fertilidad de
suelos jF a finales del siglo XXI y los cálculos de rendimientos de cultivos agrícolas considerando
este índice, pueden considerarse como preliminares. Sin embargo, estos cálculos permitieron
concluir que en los pronósticos de productividad agrícola en función de los escenarios climáticos,
es necesario considerar el factor de la alteración del suelo atribuible al mismo cambio climático
especialmente en cultivos de temporal, ya que al ser ignorado se genera un error de hasta el 60%.
Los detalles de esta metodología están descritos en las publicaciones (Contreras, 2000; Nikolskii
et al., 2001; Contreras et al., 2002; Nikolskii et al., 2006; Castillo, 2007; Castillo et al., 2007;
Herrera, 2008). Lamentablemente en estas publicaciones a excepción de las tesis, las cuales son
poco disponibles para el público, no se muestran los resultados de nuestro trabajo en forma de
mapas.
Por esta razón, a continuación se presentan los mapas a escala 1:5,000,000 aproximadamente
sobre:
Distribución del índice climático promedio anual IHT2000 al principio del siglo XXI en terrenos
agrícolas de temporal y terrenos vírgenes no usados en agricultura con pendiente menor de
3% y ubicados en diferentes partes de la República Mexicana (Figura 1).
Figura 1. Distribución del IHT en México al principio del siglo XXI en los terrenos con pendiente superficial menor de 3% no usados en agricultura (Contreras Benítez, 2000).
Cambio del índice IHT en los mismos terrenos al final del siglo XXI para el caso de duplicación
de CO2 en la atmósfera según los escenarios climáticos publicados en (Gay, 2003) y
correspondientes a los modelos GFDLR30 y CCC (Figuras 2 y 3). En estas Figuras los
cambios del IHT se presentan en la forma siguiente: (IHT2100 – IHT2000)/IHT2000. Esta proporción
se expresa en forma porcentual.
Figura 2. Pronóstico de cambio del IHT en México al final del siglo XXI en los terrenos con pendiente superficial menor de 3% no usados en agricultura o con los cultivos de maíz y trigo de temporal (Balbontín
Nesvara, 2004). Modelo GFDL bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera.
Figura 3. Pronóstico de cambio del IHT en México al final del siglo XXI en los terrenos con pendiente superficial menor de 3% no usados en agricultura o con los cultivos de maíz y trigo de temporal (Balbontín
Nesvara, 2004). Modelo CCC bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera.
Cambio del Índice Integral de Fertilidad de suelos F a finales del siglo XXI en terrenos con
pendiente menor a 3% con cultivos de maíz y trigo de temporal y de riego y en terrenos no
usados en agricultura en diferentes partes de la Republica Mexicana para los escenarios
climáticos mencionados (Figuras 4, 5, 6 y 7). En estas Figuras los cambios del F se presentan
en la forma siguiente: (F2100 – F2000)/F2000. Esta proporción se expresa en forma porcentual.
Figura 4. Cambios del Índice Integral de Fertilidad de suelos con cultivos de maíz y trigo de temporal para el modelo FGDLR30 bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera (Castillo Álvarez, 2007).
Figura 5. Cambios del Índice Integral de Fertilidad de suelos con cultivos de maíz y trigo de temporal para el modelo CCC bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera (Castillo Álvarez, 2007).
Cambio en la productividad de maíz y trigo de temporal considerando la alteración de la
fertilidad integral del suelo jF atribuible al cambio climático en terrenos con pendiente menor a
3% y ubicados en diferentes partes de la Republica Mexicana para ambos escenarios
climáticos (Figuras 6 a 9). En estas Figuras los cambios de la productividad Y se presentan en
la forma siguiente: (Y2100 – Y2000)/Y2000. Esta proporción se expresa en forma porcentual.
Figura 6. Cambios en la productividad de maíz de temporal para el modelo FGDLR30 bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera al final del siglo XXI considerando efecto de alteración de fertilidad
del suelo atribuible a cambio climático (Castillo Álvarez, 2007).
Figura 7. Cambios en la productividad de Maíz de Temporal para el modelo CCC bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera al final del siglo XXI considerando efecto de alteración de fertilidad del
suelo atribuible a cambio climático (Castillo Álvarez, 2007).
Figura 8. Cambios en la productividad de Trigo de Temporal para el modelo FGDLR30 bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera al final del siglo XXI considerando efecto de alteración de fertilidad
del suelo atribuible a cambio climático (Castillo Álvarez, 2007).
Figura 9. Cambios en la productividad de Trigo de Temporal para el modelo CCC bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera al final del siglo XXI considerando efecto de alteración de fertilidad del
suelo atribuible a cambio climático (Castillo Álvarez, 2007).
Cambio en la productividad de maíz y trigo bajo riego tomando en cuenta la alteración de
fertilidad integral del suelo jF atribuible al cambio climático en terrenos con pendiente menor a
3% y ubicados en diferentes partes de la Republica Mexicana para los escenarios climáticos
mencionados (Figuras 10 a 15). En estas Figuras los cambios de la productividad Y se
presentan en la forma siguiente: (Y2100 – Y2000)/Y2000. Esta proporción se expresa en forma
porcentual.
Figura 10. Cambios en la productividad de Maíz PV para el modelo FGDLR30 bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera para algunos distritos de riego de referencia al final del siglo XXI
considerando efecto de alteración de fertilidad del suelo atribuible a cambio climático (Herrera Gómez, 2008).
Sin pronуstico
Figura 11. Cambios en la productividad de Maíz PV para el modelo CCC bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera para algunos distritos de riego de referencia al final del siglo XXI considerando
efecto de alteración de fertilidad del suelo atribuible a cambio climático (Herrera Gómez, 2008).
Figura 12. Cambios en la productividad de Maíz OI para el modelo FGDLR30 bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera para algunos distritos de riego de referencia al final del siglo XXI
Sin pronуstico
Sin pronуstico
considerando efecto de alteración de fertilidad del suelo atribuible a cambio climático (Herrera Gómez, 2008).
Figura 13. Cambios en la productividad de Maíz OI para el modelo CCC bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera para algunos distritos de riego de referencia al final del siglo XXI considerando
efecto de alteración de fertilidad del suelo atribuible a cambio climático (Herrera Gómez, 2008).
Sin pronóstico
Sin pronóstico
Figura 14. Cambios en la productividad de Trigo OI para el modelo FGDLR30 bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera para algunos distritos de riego de referencia al final del siglo XXI
considerando efecto de alteración de fertilidad del suelo atribuible a cambio climático (Herrera Gómez, 2008).
Figura 15. Cambios en la productividad de Trigo OI para el modelo CCC bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera para algunos distritos de riego de referencia al final del siglo XXI considerando
efecto de alteración de fertilidad del suelo atribuible a cambio climático (Herrera Gómez, 2008).
La estimación cuantitativa de papel del Índice Integral de Fertilidad del suelo F en los cálculos de
los rendimientos de los cultivos agrícolas Y en función de los escenarios climáticos debe hacerse
a través de cálculo de la proporción siguiente:
ϕ = ( ) ( )
( )20002100
2000sin
2100sin
20002100
FconFcon
FFFconFcon
YY
YYYY
−−−−
=( )( )20002100
2000sin
2100sin1
FconFcon
FF
YY
YY
−−
− = ( ) ( )11 +∆+∆∆∆
KYYF
maxr (4)
Donde: ϕ = coeficiente que expresa cuantitativamente aportación de la alteración del índice de
fertilidad F en cálculos de rendimientos de los cultivos agrícolas en función de los escenarios del
cambio climático global; | | es símbolo del valor absoluto; Ycon F2100 y Ycon F
2000 son los rendimientos
Sin pronуstico
para inicio y finales del siglo XXI calculados considerando alteración del suelo atribuible al cambio
climático por la fórmula (2); Ysin F2100 y Ysin F
2000 son los rendimientos para inicio y finales del siglo XXI
calculados sin consideración el efecto de alteración del suelo atribuible al mismo cambio climático.
Los valores Ysin F2100 y Ysin F
2000 se calculan tradicionalmente con las fórmulas similares a la
siguiente:
jjmax
jF sin KYY = (5)
Donde los símbolos Ymaxj y Kj son iguales a la fórmula (2).
De (4) se obtiene la observación siguiente. En los casos cuando Ymax2100 = Ymax
2000 y K2100 = K2000, es
decir que no se afecten por el cambio climático, Ysin F2100 = Ysin F
2000. Entonces, de (4) tenemos ϕ =
1, lo que significa que la aportación de la alteración del índice de fertilidad F en cambio del
rendimiento (Ycon F2100 Ycon F
2000) es máximo y es igual a 1 ó 100%. Si (Ymax2100/Ymax
2000) = 0.71, (K2100/
K2000) = 0.7, (Ysin F2100/Ysin F
2000) = 0.5 y (F2100/F2000) = 0.5, entonces ϕ = 0.33 = 33%, es decir que la
aportación del cambio de F al cambio del rendimiento será igual a 0.33. Si (Ymax2100/Ymax
2000) = 0.5,
(K2100/K2000) = 0.5, (Ysin F2100/Ysin F
2000) = 0.25 y (F2100/F2000) = 0.5, entonces ϕ = 0.33, es decir que la
aportación del cambio de F al cambio del rendimiento será igual a 0.20 = 20%.
Los cálculos preliminares muestran que los valores máximos de aportación del índice F en cambio
de los rendimientos de los cultivos agrícolas en algunas partes de la República Mexicana pueden
alcanzar hasta un 80%, lo que significa una gran importancia en la consideración de este efecto en
los estudios de vulnerabilidad de los cultivos agrícolas al cambio climático.
Figura 16. Impacto del índice integral de fertilidad en la productividad de Maíz PV para el modelo GFDL bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera para algunos distritos de riego de referencia al final del siglo XXI considerando efecto de alteración de fertilidad del suelo atribuible a cambio climático
(Herrera Gómez, 2008).
Figura 17. Impacto del índice integral de fertilidad en la productividad de Maíz PV para el modelo CCC bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera para algunos distritos de riego de referencia al final del
siglo XXI considerando efecto de alteración de fertilidad del suelo atribuible a cambio climático (Herrera Gómez, 2008).
Figura 18. Impacto del índice integral de fertilidad en la productividad de Maíz OI para el modelo GFDL bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera para algunos distritos de riego de referencia al final del siglo XXI considerando efecto de alteración de fertilidad del suelo atribuible a cambio climático
(Herrera Gómez, 2008).
Figura 19. Impacto del índice integral de fertilidad en la productividad de Maíz OI para el modelo CCC bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera para algunos distritos de riego de referencia al final del
siglo XXI considerando efecto de alteración de fertilidad del suelo atribuible a cambio climático (Herrera Gómez, 2008).
Figura 20. Impacto del índice integral de fertilidad en la productividad de Trigo OI para el modelo GFDL bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera para algunos distritos de riego de referencia al final del siglo XXI considerando efecto de alteración de fertilidad del suelo atribuible a cambio climático
(Herrera Gómez, 2008).
Figura 21. Impacto del índice integral de fertilidad en la productividad de Trigo OI para el modelo CCC bajo un escenario de duplicación de CO2 en la atmósfera para algunos distritos de riego de referencia al final del
siglo XXI considerando efecto de alteración de fertilidad del suelo atribuible a cambio climático (Herrera Gómez, 2008).
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