INTRODUCCIÓN
Todos los suelos contienen una cierta cantidad de sales solubles, muchas de las cuales actúan como fuente de nutrientes esenciales para el crecimiento de las plantas (Alarcón y Tanaka, 2003). Sin embargo, el tipo y cantidad de sales tiene un efecto directo en el crecimiento, el rendimiento o la calidad de la mayoría de los cultivos. Por lo tanto, el suelo que contiene exceso de sales de tal manera que disminuya su productividad se llama suelo afectados por sales o suelos salinos (Burgess y Claude, 1960). En las zonas de riego el agotamiento continuo de los nutrientes de los suelos así como, el anegamiento y salinización secundaria se presentan como las principales amenazas de la sostenibilidad de los cultivos, degradando grandes extensiones de tierras productivas que han dejado de producir o están produciendo rendimientos inferiores a su potencial (FAO, ISSS and ISRIC, 1998).
De modo conceptual el drenaje es la eliminación de un exceso de agua y las sales del suelo a un ritmo que permita el desarrollo normal de la planta, su diseño y construcción se presentan como una tecnología alterna para un adecuado control de la salinidad y la alcalinidad. Una buena técnica implica, generalmente establecer un sistema considerando drenaje superficial y subterráneo en debidas proporciones, la eficacia del drenaje subterráneo depende de un buen diseño del sistema de drenaje y del cultivo a establecer para una adecuada distribución del agua superficial en el terreno (Klippart, 1867).
El drenaje de tierras de riego tiene dos objetivos: el primero es el de reducir el exceso de agua y el segundo el de controlar y reducir la salinización o acidificación en los suelos que inevitablemente acompaña a las tierras que tienen drenaje natural insuficiente en las regiones áridas, semiáridas y húmedas.Los fines específicos del drenaje de tierras agrícolas son tres en la mayoría de las ocasiones: aprovechamiento y mejora del terreno, protección contra el anegamiento y seguridad contra la infiltración desde las zanjas de irrigación, o para controlar o prevenir la formación de álcali.
Muchos escritores romanos hacen mención de canales y operación de drenaje, en alguna de sus fases. La irrigación y el drenaje eran bien entendidos y aplicados; así, hoy en día los actuales persas poseen sistemas eficaces, aunque hayan olvidado su arte desde hace mucho tiempo (Klippart, 1867). Dos de las realizaciones espectaculares del antiguo continente fueron el Fens en Inglaterra, y el lago Haarlem de Holanda, a ellos se les atañe su influencia en la iniciación de empresas similares en América. Las marismas del Pontino de Italia, los proyectos de La Gironda y Forez en Francia, se incluyen como otros proyectos europeos de menor magnitud a los mencionados. Además, durante los años 1936 a 1938, los alemanes gastaron 320 millones de dólares para ganar nuevos terrenos al agua, y en 1938 anunciaron que se invertirían otros 400 millones de dólares en la recuperación de nuevos terrenos y en un incremento en el empleo de fertilizantes.
En Estados Unidos las primeras cañerías de drenaje, fueron de baldosas (mosaico de pasta hecho a mano, resistente al peso, a la tracción, a los golpes, usado tanto en muros como en pisos), desde estas primitivas instalaciones se extendió rápidamente el drenaje de terrenos, primero en dirección oeste a través de los estados centrales del este y los medios del oeste, pero cubriendo más tarde toda la región húmeda del norte, este y medio oeste y sur, y alcanzando finalmente las extensas regiones irrigadas del árido oeste (Roe et al., 1960).
El censo de drenaje de 1940 de Estados Unidos de América registro 87 millones de acres (35 200 000 ha). El censo de 1950 se registró 103 millones de acres (41 700 000 ha), lo cual representa un incremento del 18,4% durante la correspondiente década (Gover Prinnting Office, 1952). Ninguno de los censos federales de drenaje incluye áreas individuales de drenaje menores de 200 ha.
Con respecto a la información del deterioro de los suelos agrícolas no está disponible para todos los países, pero una serie de estimaciones se han realizado sobre una base global, por ejemplo: Dregne (1977), estima que 2,0 y 2,1 millones de hectáreas fueron afectadas por salinización y drenaje deficiente, respectivamente. Masoud (1974), hizo una estimación de 932 millones de hectáreas, de las cuales 316 millones de hectáreas localizables en países en desarrollo. Balba (1980), ha estimado una superficie total sometida a la salinización y sodificación de aproximadamente 600 millones de hectáreas.
La superficie instalada a nivel mundial prácticamente se ha duplicado en los últimos veinte años, existen países como Holanda, con prácticamente cuatro millones de hectáreas en agricultura ,y con un poco más del 50% con infraestructura de drenaje agrícola subterráneo (Agriculture Organization for the United Nations y Agriculture Organization, 1998; Juan y Juan, 2015). La disponibilidad de sistemas de predicción del rendimiento incorporados a las cosechadoras de granos ha evidenciado directamente a los productores que cuando pasan sobre una línea de drenaje subterráneo, la cifra predicha de rendimiento aumenta mientras que entre las líneas de drenaje el rendimiento baja (Deckers y Nachtergaele, 1998). Esto ha traído como resultado que los productores estén instalando hileras de drenaje en espaciamientos intermedios, con espaciamientos de 10 a 15 m para cultivos como maíz y trigo, en comparación con la instalación previa a la tecnología (Namuche, 1995).
De acuerdo con Tanji y Kielen (2002), estaban salinizadas entre 20 a 30 millones de ha en el mundo, que representa el 10% de las 278 millones de ha de riego a nivel mundial (Siebert et al., 2006). Esta condición de los suelos se presenta como un factor limitante en la producción de alimentos pues los cultivos pierden su potencial de rendimiento en estas condiciones.
En cuanto a México, éste ocupa el sexto lugar en el mundo en superficie con infraestructura hidroagrícola y con usuarios organizados en distritos de riego (DR) y unidades de riego (FAO-SAGARPA, 2001). Del total del agua concesionada para uso agropecuario (59,4 mil millones de metros cúbicos), el 67% corresponde a aguas superficiales (39,7 mil millones de metros cúbicos) y el 33% a aguas subterráneas (19,7 mil millones de metros cúbicos) (Malagón, 2016).
Los distritos de riego comprenden el área geográfica donde se proporciona el servicio de riego mediante obras tales como presas de almacenamiento (144), derivaciones directas (333), plantas de bombeo (714), pozos (4 281), canales (49 515 km), drenes (32 536 km) y caminos (70 745 km), entre otros, y ocupan una superficie que actualmente ronda las 6,5 millones de ha con 86 distritos de riego. Las unidades de riego por otro lado, comprenden al área geográfica de 3,0 millones de hectáreas con agricultura de riego, generalmente por bombeo de pozos o de ríos y la siguiente infraestructura hidroagrícola: presas de almacenamiento 2 034, presas derivadoras 3 776, plantas de bombeo y manantiales 4 576, pozos profundos 39 221, red de canales 40 206 km de las cuales: 31 340 km son en tierra, 7 000 km revestidos y 1 863 entubados; 45 964 km de drenes, 173 937 km de caminos.
Además, del potencial agrícola mexicano de 22 millones de hectáreas, 7,5 millones se localizan en el trópico húmedo y subhúmedo, de las cuales 2,8 millones de hectáreas tienen agricultura de secano o temporal, donde el insumo agua es obtenido de la precipitación pluvial. Su organización operativa es a través de 23 distritos de temporal tecnificado (DTT), conocidos también como distritos de drenaje, con infraestructura hidroagrícola de 3 220 km de drenes, 5 170 km de caminos, 566 km de bordos de protección para las ciudades y tierras de cultivo y más de 7 000 estructuras como alcantarillas, puentes, vados, etc., en las que con el uso de técnicas específicas principalmente de drenes y bordos, se aminoran los daños que causan las lluvias fuertes y prolongadas al desalojar los excesos de agua.
Se estima que un 10% de la superficie total de riego en México (6 500 000 ha) presenta problemas de salinidad y drenaje en diferentes grados, siendo el drenaje superficial y subterráneo la alternativa tecnológica que permite la recuperación de suelos y la incorporación a la producción y el incremento del rendimiento de los cultivos.
En los Distritos de Temporal Tecnificado la superficie con manto freático somero y acidez en los suelos es del orden de 300000 hectáreas. A la fecha en los Distritos de Riego y Temporal Tecnificado se han instalado 100 000 ha con drenaje subterráneo. Ante esta situación se han diseñado y establecido sistemas de drenaje parcelario y subterráneo en algunas zonas obteniendo experiencias en recuperación de suelos e incremento de la productividad agrícola.
El presente trabajo, mediante varios estudios de caso, muestra los resultados de la implementación de sistemas de drenaje controlado parcelario para la recuperación del potencial productivo e incorporación a la producción de suelos agrícolas degradados por problemas de salinidad y drenaje en México, como una alternativa que representa una inversión menor que la necesario para la incorporación de nueva superficie al riego, a lo cual se puede aunar el corto periodo de retorno para la recuperación de las inversiones en materia de rehabilitación de suelos.
MÉTODOS
Se realizó el diseño y construcción del drenaje parcelarioen zonas áridas y semiáridas y en el trópico húmedo (Figura 1), localizadas en áreas circunscritas en los Distritos de Riego y en los distritos de Temporal Tecnificado.
FIGURA 1.
Sitios piloto del diseño e instalación de drenaje superficial y subterráneo.
Distrito de Temporal Tecnificado 002 Zanapa-Tonala
Con la finalidad realizar la operación y manejo del agua de lluvia, se construyeron drenes y estructuras de paso en caminos.
En 1992-1993 con el propósito de aprovechar la infraestructura hidroagrícola, se llevó a cabo el manejo del suelo y agua con drenaje superficial semicontrolado (Namuche, 1993). Para ello se levantó el perfil longitudinal del dren y se diseñaron vertedores con la finalidad de mantener el nivel del agua a 60 cm por debajo del nivel del suelo, permitiendo evacuar sólo los excesos y sin poner en riesgo la infraestructura (Figura 2).
FIGURA 2.
Diseño de los vertedores en el dren, drenaje superficial semicontrolado.
Distrito de Riego 076 Valle del Carrizo, Sinaloa
Con la finalidad de implementar un programa para la rehabilitación de suelos con problemas de salinidad y drenaje deficiente, el Instituto Mexicano de tecnología del Agua (IMTA), la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) y la Asociación de Usuarios de Riego del Valle del Carrizo, Sinaloa en 1995-1996, establecieron una parcela piloto de 40 ha, localizada en el lote 17 del módulo de riego 3 en el DR 076, el sitio de trabajo fue un terreno abandonado por más de 15 años donde se instaló un sistema de drenaje subterráneo con separaciones de 25 y 50 m entre ellos (Figura 3).
La conductividad eléctrica (CE) del suelo de 31 y 41 dS/m, el porciento de sodio intercambiable (PSI) de23 a 19 % y el pH de 7,5 a 9,0 respectivamente. Esto caracteriza a suelos de salino-sódico a suelos sódicos. Por lo tanto, se aplicaron prácticas culturales como: subsolado cruzado, láminas de lavado de 1,1 y 1,2 m, para los espaciamientos respectivos.
En ambos espaciamientos se planteaba como necesaria la aplicación de un mejorador químico debido a que se encontraron valores de PSI mayores de 15, sin embargo, dado que la relación deNa/(Ca+Mg), presentó valores menores de 3, lo que indica que son sales solubles, no fue necesario su uso.
FIGURA 3.
Parcela con suelo salino abandonada por 15 años, lote 17 del DR076.
Distrito de Temporal Tecnificado 018 Huixtla, Chiapas
En esta área la problemática principal fue contar con un manto freático somero o superficial en 35 000 ha., en respuesta en el 2003 se estableció drenaje subterráneo parcelario controlado, en una superficie de 5 ha, con separaciones entre drenes de 10 m y 20 m ,conectados en cada separación a un colector parcelario, que descargó a una estructura de control (con vertedor y compuerta), y posteriormente de ésta estructura se prolongó el colector para descargar las aguas drenadas al dren principal a cielo abierto y 15 metros con descargas directas al dren principal, según (Namuche et al., 2003) (Figura 4).
FIGURA 4.
Diseño de un sistema de drenaje subterráneo controlado, en Huixtla, Chiapas (Namuche et al., 2003).
Asimismo, se realizaron trabajos de diseño, construcción y conservación de drenaje parcelario en los cantones de San Fernando y Tzinacal en Huixtla, Chiapas, sitios donde se obtenía una producción de 30 a 40 t/ha en el cultivo de la caña de azúcar, debido al manto freático somero y a los escurrimientos las áreas agrícolas sembradas para abastecer al ingenio azucarero de Huixtla. Además del diseño, se realizó el mantenimiento y la conservación de 7 km y se construyeron 8 km de drenes a cielo abierto.
Se diseñaron drenes a cielo abierto (Figura 5), para la construcción de 8 km y el mantenimiento y conservación de
7 km, con lo cual quedaron en operación 15 km de drenes superficiales.
FIGURA 5.
Diseño en planta y perfil del dren Tzinacal superficial a cielo abierto.
Distrito de Temporal Tecnificado 035 Los Naranjos, Veracruz
Se estableció un módulo de drenaje subterráneo parcelario controlado en el 2004, en una superficie de 6 ha, con separaciones entre drenes de 20 m, 30 m y 40 m, conectados cada uno a un colector parcelario, dicho colector descargó a una estructura de control (con vertedor y compuerta), posteriormente de ésta estructura se prolongó el colector para descargar las aguas drenadas al dren principal a cielo abierto y 10 metros con descargas directas al dren principal (Figura 6).
FIGURA 6.
Diseño de un sistema de drenaje subterráneo controlado en Los Naranjos, Veracruz.
RESULTADOS
Los resultados más relevantes encontrados en los estudios de caso de diseño e instalación de drenaje superficial y subterráneo realizados en los Distritos de Riego y Distritos de Temporal Tecnificado fueron los siguientes:
Distrito de Temporal Tecnificado 002 Zanapa-Tonala, Tabasco
Se logró mantener un contenido apto de humedad en el suelo para el desarrollo del cultivo de zacate estrella africana (Cynodon plectostachyus) durante 45 días después de haber terminado el periodo de lluvias (Figura 7). Se evaluaron tres sistemas para la construcción de drenes superficiales en una longitud de 10 km, obteniendo los siguientes resultados: Manual 200 m/10 días, con retroexcavadora de llantas (mano de chango) 200m/día y máquina zanjeadora rotativa (Dondi) 200m/hora (Figura 8).
La capacitación en servicio permitió la construcción de 80 km de drenes y la obtención de mejores rendimientos en los cultivos, además de reducir el riesgo de enfermedades en las pezuñas del ganado vacuno propiciadas por el exceso de humedad en el suelo. La CONAGUA con estos resultados adquirió 5 máquinas zanjeadoras tipo Dondi (Namuche, 1993).
FIGURA 7.
Manejo del régimen de humedad en el suelo con drenaje superficial semicontrolado.
FIGURA 8.
Drenaje superficial parcelario con zanjeadora tipo Dondi.
Distrito de Riego 076 Valle del Carrizo, Sinaloa
Se instaló un módulo experimental de drenaje subterráneo parcelario en una superficie de 20 hectáreas con espaciamientos de 25 y 50 m, colocados a una profundidad de 1,0 a 1,2 m con tubería ranurada y sin filtro debido a que la textura del suelo contenía más del 30% de arcilla.
La instalación del sistema de drenaje se realizó con una zanjadora tipo cincel, que tuvo un avance de 250 m/hora, equivalente a 1500 m/día; considerando 6 horas efectivas de trabajo.
Para determinar las sales totales del agua y del suelo (CE, dS/m) se utilizó un equipo Martek. Este equipo es muy práctico y de fácil manejo, permite determinar rápidamente la salinidad mostrando su magnitud a través de una carátula digital. Para el uso de este aparato, se recomienda que el suelo tenga una humedad cercana a capacidad de campo, ya que con valores bajos de humedad se pueden tener problemas de precisión; por el contrario, se tendría que barrenar para operar el equipo sin embargo las paredes no tendrían el contacto necesario para obtener lecturas correctas. Enseguida se describe la información obtenida:
La calidad del agua, en cuanto a sales totales, para los lavados es de 0,17 dS/m y la calidad de dicha agua descargada por las tuberías de drenaje varía desde 16 hasta 30 dS/m.
La cantidad de sales extraídas desde el 16 de agosto hasta el 15 de diciembre fue de 166.4 y 104,9 ton en las líneas de 50 y 25 m, respectivamente.
Para mejorar en parte la conductividad hidráulica y la estructura del suelo, durante el rastreo se incorporó la vegetación existente, la cual aportó 9,2 y 6,8 ton/ha de materia seca en las líneas de 25 y 50 m, respectivamente.
No se existe diferencia entre los espaciamientos de 25 y 50m y el rendimiento obtenido es de 5 ton/ha, superior a 4 ton ha-1 que es la media del distrito de riego.
El sistema de drenaje está funcionando muy bien y no se ha manifestado problema alguno en cuanto a la longitud de las líneas y a la carencia de filtro.
Realizadas las prácticas culturales, se estableció el cultivo de trigo obteniendo una producción promedio de 5 t·ha-1, una tonelada más de la producción media del Distrito de Riego (Figura 9).
FIGURA 9.
Lote 17 del módulo 3 del DR 076 Valle del Carrizo, Sinaloa.
En el módulo demostrativo, Lote 17 del módulo 3 del DR 076 Valle del Carrizo, Sinaloa, sitio con problemas de salinidad y drenaje deficiente; se le dieron siete años de seguimiento, registrando incrementos en el rendimiento del cultivo (Figura 10, Tabla 1). Se sembró el cultivo de trigo en diciembre de 1995 y se cosecho en abril de 1996 obteniendo un rendimiento de 5 ton ha-1 que representa un 20% más que la media del distrito, con el seguimiento se pudieron registrar incrementos productivos entre el 20% y el 40% al obtener rendimientos de 6 y 7 t· ha-1 superiores al rendimiento medio nacional de 4,7 ton ha-1.Con esta experiencia se generó una metodología para la recuperación de suelos salinos con drenaje subterráneo parcelario en zonas áridas de (Namuche, 1995, 1997).
FIGURA 10.
Lote 17, suelo salino recuperado con el drenaje parcelario, con trigo y maíz.
TABLA 1.
Rendimiento en trigo y maíz (t/ha-1) del lote 17, D.R. Valle del Carrizo, Sinaloa
En 1997, se realizaron proyectos ejecutivos para 10 000 ha en los Distritos de Riego: 076 Valle del Carrizo, Sinaloa 2 800 ha, 038 Río Mayo, Navojoa 5 000 ha y en el 018 Colonias Yaqui, Sonora 2 200 ha; superficie que actualmente cuenta con sistema de drenaje parcelario y con buena producción.
En 1999, se realizaron proyectos ejecutivos en 4 000 ha del Distrito de Riego 014 Río Colorado de Mexicali, B.C., según Namuche (1999) y actualmente se encuentran funcionando con drenaje instalado, con un cambio positivo en el rendimiento, resultando que sin drenaje subterráneo y con el cultivo del trigo (Triticum spp),se cosechaban 3,54 t·ha-1, y una vez instalado el sistema de drenaje en el año 2000, se incrementó el rendimiento de hasta el 93% alcanzando hasta 6,85 t·ha-1en el año 2017, se tuvieron años como 2010 y 2011 con el doble de producción cosechada (Figura 11), siempre de modo creciente con respecto al año previo a la instalación del sistema de drenaje en la parcela y con un rendimiento medio en el periodo de seguimiento de 5,95 t·ha-1
FIGURA 11.
Productividad del trigo en el tiempo, con drenaje subterráneo.
Distrito de Temporal Tecnificado 018 Huixtla, Chiapas
En zonas húmedas se identifican dos etapas muy marcadas, una con aproximadamente 6 meses de duración en los que se tienen excedencias de humedad, con ascensos del nivel freático, en algunos lugares, hasta la superficie del suelo; la otra etapa se caracteriza por un déficit de humedad durante los otros 6 meses restantes. En la primera etapa entonces es necesario drenar los excedentes y en la segunda es imperante el riego complementario.
El distrito de temporal tecnificado de Huixtla cuenta con una superficie de 108 mil ha. En esta área se realizó un estudio freatrimétrico en el cual se identificó a través de las isobatas que a una profundidad de 0-0,5 m se tienen 2 050 ha, de 0,5 a 1,0 m fueron 20 000 ha, y de 1,0.1,5 una superficie de 17 500 ha.
El módulo establecido en el área de influencia del Ingenio azucarero de Huixtla, Chiapas, en el 2003, con drenaje subterráneo parcelario controlado en una superficie de 5 ha con el cultivo de la caña de azúcar (Saccharum officinarum),y separación entre drenes de 10 m, 15 m y 20 m. Para determinar el impacto de esta tecnología en cuanto a la rentabilidad económica y la productividad, se usó el rendimiento obtenido y la Relación Beneficio Costo (RBC), obtenida ésta última a partir de relacionar el beneficio entre el costo según Olvera et al. (2014), en valores actualizados al 12%, los valores adimensionales obtenidos fueron menores en las separaciones de 10 m y 15 m, por 0,53 y 0,90 respectivamente y comparados con la parcela con drenes separados a 20 m, en la que se obtuvo una RBC de 2,98. Los mejores rendimientos se obtuvieron en parcela con separación de drenes a 20 m, pasando de 40 t·ha-1, hasta 110 tonha-1en promedio (Figura 12 y Figura 13), con un incremento del 175% en la productividad. Con esta experiencia, se generó una metodología para el manejo del régimen de humedad en el suelo con drenaje subterráneo parcelario controlado (Namuche et al., 2003).
FIGURA 12.
Estructura de control, para el manejo del régimen de humedad en el suelo.
FIGURA 13.
Indicadores productivos y económicos del drenaje subterráneo controlado.
Con respecto a los 15 km construidos de drenes superficiales, localizados en los cantones de San Fernando y Tzinacal, se obtuvieron incrementos en el rendimiento entre el 80 y 100%.
Distrito de Temporal Tecnificado 035 Los Naranjos, Veracruz
Con el establecimiento de un módulo de drenaje subterráneo parcelario controlado en el 2004, en una superficie de 6 ha, con separaciones entre drenes de 10 m, 20 m, 30 m y 40 m, localizado en el Ingenio de Tres Valles, perteneciente al Distrito de Temporal Tecnificado 035 Los Naranjos, Veracruz (Figura 14), se obtuvieron mejores rendimientos en la separación de 20 m.
En el sitio de establecimiento del sistemase tenía un rendimiento medio de 30 ton/ha, el cual aumentó con el drenaje subterráneo hasta 100 t·ha-1, es decir un 233% de incremento en la productividad de la caña de azúcar (Saccharum officinarum).
FIGURA 14.
Parcela con drenaje subterráneo controlado con cultivo de caña de azúcar.
CONCLUSIONES
En las zonas del trópico húmedo se mejoraron los rendimientos de los cultivos estudiados obteniendo de 175% a 233% de incremento en la productividad de la caña de azúcar (Saccharum officinarum), RBC superiores a 2. En drenaje subterráneo yseparación entre drenes de 10 m, 15 m y 20 m, Los mejores rendimientos obtenidos fueron a 20 m, pasando de 40 ton ha-1, hasta 110 ton ha-1.En zonas áridas y semiáridas del país, con el drenaje parcelario en el cultivo del trigo (Triticum spp), se incrementó el rendimiento del 20%al 93% con respecto al rendimiento medio regional
Con los trabajos realizados en zonas áridas y semiáridas al igual que en la zona tropical de México los resultados mostraron que con la tecnología se pueden recuperar suelos e incorporarlos a la producción., mejorar las condiciones productivas del suelo al obtener mejores rendimientos y obtener mayor beneficio económico en consecuencia.
Aparte de los beneficios directos sobre los procesos de transferencia de agua en el suelo que permiten controlar los niveles freáticos someros y abatir los problemas de salinidad, con lo cual se tiene un incremento significativo en el rendimiento de los cultivos, el drenaje agrícola muestra beneficios de tipo social al fomentar el arraigo de los productores a la actividad agrícola, asimismo, tiene impacto directo en la mejora de las condiciones del terreno con fines de extracción de las cosechas de las zonas agrícolas.
Con las bondades obtenidas y demostradas sobre el drenaje agrícola subterráneo parcelario y a pesar de su relación comercial con otros países donde se han instalado millones de hectáreas con drenaje, su transferencia y adopción en México ha sido limitada, se han instalado poco menos de 100000 ha en 20 años, es decir una media de 5 000 ha/año