Introduction

In Ecuador, Manabí has the largest percentage of agricultural land (1,894,000 ha), followed by Guayas, Loja, Los Ríos, and Esmeraldas, being of vital importance to the Manabí economy (Instituto Nacional de Estadística y Censos, 2021INEC (INSTITUTO NACIONAL DE ESTADÍSTICA Y CENSOS): Encuesta de Superficie y Producción Agropecuaria Continua 2020. Contenido, INEC. Buenas cifras mejores vidas. Ecuador. 2021. Disponible en: https://www.ecuadorencifras.gob.ec/documentos/web-inec/Estadisticas_agropecuarias/espac/espac-2020/Presentacion .). Moreover, the climate has become unpredictable, causing changes in humidity, fog, temperatures, and rainfall, where constant variations in the amount, intensity, and temporal pattern of precipitation are observed (Su et al., 2023SU, Y.; WANG, J.; LI, J.; WANG, L.; WANG, K.; LI, A. GAO, L. Y WANG, Z.: “Cambios espaciotemporales y factores impulsores de la evapotranspiración de referencia y la evapotranspiración del cultivo para la producción de algodón en China desde 1960 hasta 2019” Frente. Reinar. Sci., 11, 11, 2023. ). Therefore, the accuracy of rainfall information is crucial for agronomy, hydrology, and meteorology (Ara, Lewis y Ostendorf, 2018ARA, I.; LEWIS, M. Y OSTENDORF, B.: “Análisis espacio-temporal del impacto del clima, la intensidad de los cultivos y los medios de riego: una evaluación de los determinantes del rendimiento del arroz.” Agricultura y seguridad alimentaria, 5(1),12, 2018. DOI: https://doi.org/10.1186/s40066-016-0061-9 .).

The distribution of water in irrigation systems requires technical and equitable planning, so that water resources are utilized efficiently and timely, and do not result in losses in agricultural production and quality (Zeleke et al., 2023ZELEKE, A.; TESFAYE, K.; TADESSE, T.; ALEM, T; ADEME, D. Y ENYEW, A.: “Análisis espaciotemporal de la variabilidad y tendencias de las precipitaciones y la temperatura para un sistema agrícola de maíz resiliente al clima en las principales zonas agroecológicas del noroeste de Etiopía,” Revista Internacional de Sostenibilidad Agrícola, 21(1), 11, 2023. DOI: https://doi.org/10.1080/14735903.2023.2255450 .). The analysis of precipitation behavior and its spatial and temporal variability constitutes an essential aspect for understanding current and future climatic processes (Liu et al., 2022LIU, Z.; JING, D.; HAN, Y. YU, J.; LU, T. Y ZHANGZHONG, L.: “Características de distribución espaciotemporal y análisis de factores que influyen en la evapotranspiración de referencia en la región de Beijing-Tianjin-Hebei de 1990 a 2019 bajo el cambio climático,” Sostenibilidad, 14(10), 1-12, 2022. DOI: https://doi.org/10.3390/su14106277 .).

It is worth mentioning that climate change has altered weather patterns worldwide, directly affecting agricultural production Variations in temperature, rainfall, and water availability affect crop yields, while the increase in temperatures accelerates soil evaporation, which in the long term causes more frequent and longer-lasting droughts each year (Yin et al., 2023YIN, D. W.; XIAO, N. C.; MING, Z. X.; GUO, H. ; ZHANG, Y. Y ZHANG, Y.: “Análisis espaciotemporal de la variabilidad de la humedad del suelo y su factor determinante.” Sensores Remotos, 15(24), 13, 2023. DOI: https://doi.org/10.3390/rs15245768 .), Additionally, climate variability and water management in agricultural areas require modern techniques that allow for a better understanding of the spatial distribution of precipitation and evapotranspiration, which is essential for irrigation planning (Ashraf et al., 2023ASHRAF, H.; QAMAR, S.; 2 , RIAZ, N.; SHAMSHIRI, R.R.; SULTAN, M.; KHALID, B.; IBRAHIM, S.M.; IMRAN, M. Y KHAN, M.U.: “Estimación espaciotemporal de la evapotranspiración de referencia para Aplicaciones agrícolas en Punjab, Pakistán” Agricultura, 13, 13, 2023. ; Barros de Sousa et al., 2023BARROS DE SOUSA, L.; DE ASSUNCAO M., A.A.; DA SILVA, M.V.; BRITO. A.T.A.; DE CARVALHO, A.A.; DA SILVA, T.G.F. Y PEDROSO DE LIMA, J.L.M.: “Análisis espaciotemporal de las precipitaciones y las sequías en una cuenca semiárida de Brasil: dinámica de uso y cobertura del suelo,” Sensores Remotos., 15(10), 9, 2023. DOI: https://doi.org/10.3390/rs15102550 .). Under arid conditions, the correlation between evapotranspiration and precipitation increases, with evapotranspiration being a determining factor of the water balance (Chakroun et al., 2023CHAKROUN, H.; ZEMNI, N.; BENHMID, A.; DELLALY, V.; SLAMA, F.; BOUKSILA, F. Y BERNDTSSON, R.: “Evapotranspiración en clima semiárido: teledetección versus simulación de agua del suelo,” Sensores, 23(5), 9, 2023. DOI: https://doi.org/10.3390/s23052823 .).

According to Alamri et al., (2023)ALAMRI, Y.; ALRWIS, K.; GHANEM; KAMARA, S.; ALAAGIB, S. Y ALDAWDAHI, N.: “El nexo económico entre la energía, el consumo de agua y la producción de alimentos en Arabia Saudita”. Economías, 11(4), 1-14, 2023 DOI: https://doi.org/10.3390/economies11040113 ., agriculture consumes 70% of the world's freshwater, and it is estimated that by 2050, food production will need to increase by 70% due to population growth and the rise in purchasing power in developing countries. In Ecuador, 80% of the water allocated to agriculture irrigates only one-third of the crops, while the rest depends exclusively on rain (Abbas et al., 2022ABBAS, S.; YASEEN, M.; LATIF, Y.; WASEEM, M.; MUHAMMAD, S.; KEBEDE, L. M.; SHER, S.; ALI, I. M.; ADNAN, M. Y HASSAN, K. T.: “Análisis espaciotemporal de los extremos climáticos en la parte superior Cuenca del Indo, Pakistán,” Agua, 14(11), 17, 2022. DOI: https://doi.org/10.3390/w14111718 .).

In Ecuador, it is estimated that the internal renewable water resources amount to approximately 442 km³ annually, of which about 82% is allocated to agriculture, highlighting the high dependence of the productive sector on available water (Chuncho y Chuncho, 2019CHUNCHO, C. Y CHUNCHO, G. “Páramos del Ecuador, Importancia y afectaciones: Una revisión.” Bosques Latitud Cero, 9(2), 71-83, 2019. ). It is worth mentioning that a precise understanding of hydrological variables, such as effective precipitation, is essential for optimizing water management in agriculture (Wang et al., 2020WANG, T.; DU, C.; NIE, T.; YI, S. Z.; ZHU, S.; FENG, C.; DAI, C.; CHU, L.; LIU, Y. Y LIANG, Q.: “Análisis espaciotemporal de las necesidades de agua del maíz en la provincia de Heilongjiang, China, durante el período 1960-2015.” Agua, 12(9), 10, 2020. DOI: https://doi.org/10.3390/w12092472 .). In the coastal cantons such as Guayaquil, Machala, Portoviejo, Babahoyo, Santa Elena, and Esmeraldas, the influence of the sea causes an increase in rainfall between December and March, followed by a decrease Pérez y Domínguez (2019)PÉREZ, R. Y DOMÍNGUEZ, J.: “Irrigation Regime for Crops in Manabí, Ecuador: Proposal for Five Permanent Crops,” Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 28(4), 63-72, 2019. . Según Villa et al., (2022)VILLA, C. A. O.; ONTIVEROS, C. R. E.; RUIZ, A. O.; GONZÁLEZ, S. A.; QUEVEDO, T. J. A. Y ORDOÑEZ, H. L. M.: “Variación espacio-temporal de la evapotranspiración de referencia a partir de métodos empíricos en Chihuahua, México,” Ingeniería agrícola y biosistemas, 13(1), 96-115, 2021. , climate change has intensified the effects on agricultural production, manifesting in rising temperatures and regional variations in precipitation, making it difficult to predict the future availability of water for irrigation.

The Sustainable Development Goal 13 highlights the need to act against climate change, due to the increase in extreme weather events, such as storms, floods, and droughts, which affect ecosystems and agricultural production (Organización de las Naciones Unidas, 2023ONU (ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS): En Manabí, Ecuador, la sostenibilidad radica en las tradiciones sagradas. 2023. Disponible en: https://unsdg.un.org/latest/stories/manabi-ecuador-sustainability-lies-sacred-traditions (Accessed: October 6, 2023).). In this context, the use of technological tools such as Geographic Information Systems (GIS) makes it possible to analyze the spatial and temporal variability of water resources, generate high-resolution climate models, and project future scenarios for climate change adaptation, contributing to sustainable water management and resilient agricultural development (Lars, 2021LARS, L. I.: Spatiotemporal Analysis of Variability in Soil Volumetric Water Content and Spatial. Statistical Methods for Management Zone Delineation for Variable Rate Irrigation. Tesis. Maestro en ciencia. Brigham Young University. EE.UU. 2021. Disponible en: https://scholarsarchive.byu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=10393&context=etd .; Koycegiz, 2024KOYCEGIZ, C.: “Análisis espaciotemporal de la variabilidad de las precipitaciones en una cuenca endorreica de Turquía con datos de experimentos regionales coordinados de reducción de escala climática regional.” Revista de ingeniería de Alejyría, 91, 368-381, 2024. DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.aej.2024.02.010 .).

Based on the above, the question arises: What is the spatial and temporal distribution of the variables that affect water deficit in Manabí for irrigation purposes? For this reason, this study aimed to analyze the spatial and temporal distribution of the variables that affect water deficit in Manabí for irrigation purposes.

Materials and methods

The study focused on the province of Manabí, located to the north with Esmeraldas, to the south with Santa Elena and Guayas, to the east with Los Ríos and Santo Domingo de los Tsáchilas, and to the west with the Pacific Ocean (Figure 1). It has elevations of up to 500 meters above sea level and approximate coordinates of 4°40'00" S and 80°05'00" W.

In Manabí, the climate is influenced by the Pacific Ocean and ocean currents. The rainy season, from December to April, presents high temperatures and abundant precipitation typical of the humid tropical forest, while the dry season, influenced by the cold Humboldt current, is milder and with lower humidity, generating microclimates that affect agriculture and local activities. As seen in Figure 2, Manabí has 20 weather stations distributed to monitor climatic variables and support decision-making in agriculture and risk management.

There are 49 weather stations strategically distributed across various cantons, as detailed in Table 1.

The precipitation data (Table 2) and evapotranspiration data (Table 3) were obtained from Pérez et al. (2018)PÉREZ, R. Y DOMÍNGUEZ, J.: “Irrigation Regime for Crops in Manabí, Ecuador: Proposal for Five Permanent Crops,” Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 28(4), 63-72, 2019. and analyzed in this study, from the collection of information from all the meteorological stations in Manabí. However, only 20 of the 49 stations have sufficient statistical support for precipitation studies, and only 2 meet the minimum requirements for evapotranspiration.

The method applied was descriptive, analytical, and deductive, using records from 20 meteorological stations with at least 13 years of observation. The necessary variables to calculate effective precipitation (Pe) and reference crop evapotranspiration (ETo) were analyzed. Using GIS, thematic maps were generated that reflect the spatial and temporal changes in Manabí, in order to support irrigation planning.

The effective precipitation (Pe) was determined using the USDA-SCS method proposed by McCuen (1982), which estimates the portion of the total precipitation (Pt) that is actually utilized by the crops. The formula applied was:

In this equation, Pe corresponds to the effective monthly precipitation in millimeters and Pt represents the total monthly precipitation. The calculations were carried out for each weather station and thirteen maps were generated, one for each month of the year and one general map, in order to visualize the spatial distribution of usable rainfall. The thresholds established by the method were applied to divide the values and thus identify areas with greater or lesser availability of effective water for crops.

The reference crop evapotranspiration (ETo) was calculated using the Hargreaves and Samani method (1985), which allows for the estimation of water loss thru evaporation and transpiration using temperature and solar radiation data. The expression used was:

In this formula, ETo represents the reference evapotranspiration in millimeters per day, Tmean the mean daily temperature, Tmax the maximum temperature, Tmin the minimum temperature, and Ra the extraterrestrial solar radiation. The calculation was performed monthly by season, applying the difference between the extreme temperatures multiplied by solar radiation, thus obtaining the water behavior in different climatic zones.

Finally, the water deficit (Dh) was determined based on the difference between the evapotranspiration of the reference crop and the effective precipitation, using the formula:

The water deficit (mm) represents the amount of water missing in the soil when evapotranspiration exceeds effective precipitation. This parameter allowed the identification of periods and areas with the highest water demand in Manabí.

For the creation of the maps, ArcGIS was used with a base map of Manabí (IGM shapefiles). The meteorological data were incorporated with their UTM coordinates and the Kriging and IDW interpolation methods were applied, which allowed for the representation of spatial variability and the definition of color scales that facilitate climatic interpretation in the province.

Results

The present study presents the results of the spatial analysis of hydrological and climatological variables to determine the water deficit in Manabí, Ecuador. Effective precipitation, reference crop evapotranspiration (ETo), and water deficit were evaluated, applying georeferencing tools that allowed the generation of spatial variability maps.

These maps show how climatic conditions differ between areas, providing key information for agricultural planning, water resource management, and the reduction of climate risks in the province.

Discussion

The results obtained for effective precipitation show that in Manabí there is a clear spatial difference in water availability, with higher values observed between January and April in the northern and central areas, where stations like Chone, Flavio Alfaro, and Santa Ana exceeded 100 mm/month, while coastal areas like Manta and Montecristi recorded values below 70 mm/month and even minimums close to 5 mm/month during the dry months. This behavior coincides with what was described by Pérez y Domínguez (2019)PÉREZ, R. Y DOMÍNGUEZ, J.: “Irrigation Regime for Crops in Manabí, Ecuador: Proposal for Five Permanent Crops,” Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 28(4), 63-72, 2019. , who reported that in Manabí the annual precipitation shows strong contrasts between humid inland areas and drier coastal sectors, which conditioned the need for supplemental irrigation. Similarly, Filgueiras et al., (2019)FILGUEIRAS, R.; REIS, M.M.; LOPES, E.M.; RIBEIRO, R.B. Y RAMOS, M.C.A.: “Dinámica espacio-temporal de variables climatológicas en la ayuda a la toma de decisiones en agricultura de regadío.” Journal of Agricultural Science, 11(6), 1-9, 2019. they demonstrated that in tropical agricultural systems, the spatial variability of rainfall can generate significant productive differences within the same region. Nieto C. et al., (2018)NIETO C., C. PAZMIÑO, C. E.; ROSERO, S. Y QUISHPE, B.: “Estudio del aprovechamiento de agua de riego disponible por unidad de producción agropecuaria, con base en el requerimiento hídrico de cultivos y el área regada, en dos localidades de la Sierra ecuatoriana,” Siembra, 5(1 SE-Artículos originales. Agronomía), 51-70, 2018. DOI: https://doi.org/10.29166/siembra.v5i1.1427 . they also found in the Ecuadorian Sierra that areas with higher natural precipitation show less dependence on artificial irrigation, a situation comparable to the north of Manabí, where the water balance was more favorable. These results confirm that the irregular distribution of rainfall is one of the main factors explaining the provincial agricultural heterogeneity.

Regarding the evapotranspiration of the reference crop (ETo), the obtained values show a higher water demand in the south of Manabí, reaching peaks close to 154 mm/month between May and June in stations like Portoviejo and Jipijapa, while the north presented lower values around 119-132 mm/month. Similar results were reported by Ashraf et al., (2023)ASHRAF, H.; QAMAR, S.; 2 , RIAZ, N.; SHAMSHIRI, R.R.; SULTAN, M.; KHALID, B.; IBRAHIM, S.M.; IMRAN, M. Y KHAN, M.U.: “Estimación espaciotemporal de la evapotranspiración de referencia para Aplicaciones agrícolas en Punjab, Pakistán” Agricultura, 13, 13, 2023. in Punjab, where evapotranspiration ranged between 120 and 160 mm/month, directly associated with the increase in temperature and solar radiation. Zheng et al., (2022)ZHENG, Q.; HE, J.; QIN, M.; LUI, T. Y HUANG, X.: “Variación espaciotemporal de la evapotranspiración potencial y sus factores dominantes durante el período 1970-2020 en la región de Sichuan-Chongqing, China” Más uno, 17(6), 15, 2022. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0268702 . they also identified comparable spatial variations, indicating that areas with lower atmospheric humidity experience greater water losses due to evapotranspiration. At the national level. Ortiz y Chile (2020)ORTIZ, R. Y CHILE, M.: “Métodos de cálculo para estimar la evapotranspiración de referencia para el Valle de Tumbaco.” Siembra, 7(1), 70-79, 2020. they estimated ETo values close to 140 mm/month in the Tumbaco valley, a range very close to those obtained in this study, which supports the consistency of the results. From a productive standpoint, Abanum, Olalekan y Aremu (2023)ABANUM, N.; OLALEKAN, I. Y AREMU, O.: “Tasas de riego y su respuesta al desarrollo del crecimiento de los genotipos del cacao (Theobroma cacao L.).” Revista internacional de ciencias de plantas y suelos, 35(13), 154-164, 2023. demonstrated that crops like cocoa increase their irrigation requirements when evapotranspiration exceeds 130 mm/month, a situation observed in much of southern Manabí. Likewise, Dhaloiya et al., (2022)DHALOIYA, A.; HOODA, R.S.; KUMAR, D.; MALIK, A. Y KUMAR, A.: Evaluación basada en geoinformática de las necesidades brutas de riego de diferentes cultivos cultivos cultivados en la región suroeste de Haryana, India in M. Zakwan et al. (eds.) Direcciones actuales en la investigación sobre la escasez de agua. Elsevier (Current Directions in Water Scarcity Research), 299-316, 2022. DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.1016/B978-0-323-91910-4.00018-2 . they highlight that geospatial analysis allows for the identification of critical water demand areas, which aligns with the spatial patterns evidenced in the generated maps.

Regarding the water deficit, the results indicate that the most critical conditions are concentrated in the southern coastal zone, where stations like Montecristi, Rocafuerte, and Manta reached values close to 146 mm, while the north showed much lower deficits, around 22 mm, and even almost neutral balances in Paján. These values reflect a direct combination of low precipitation and high evapotranspiration. Inzunza et al., (2018)INZUNZA, M. A.; VILLA, C. M.M.; CATALÁN, V. E.A.; LÓPEZ, L. R. Y SIFUENTES, I. E.: “Maize grain yield under soil water deficit at two growing stages,” Revista Fitotecnia Mexicana, 41(3), 283-290, 2018. DOI: https://doi.org/10.35196/rfm.2018.3.283-290 . they reported that deficits exceeding 120 mm cause significant reductions in corn yield, which allows for inferring possible productive impacts in the drier areas of Manabí. Similarly, Ohikhena (2023)OHIKHENA, A.: “Efectos del riego regulado en la estación seca sobre el uso de agua de los árboles, la dinámica de la humedad de la zona de las raíces y el rendimiento del cacao.” Revista de horticultura. 10(1), 13, 2023. observed that during prolonged dry seasons, the use of regulated irrigation allowed for the compensation of similar deficits, improving the efficient use of water in tropical crops. Katerji et al., (2023)KATERJI, N.; VAN HOORN, J.W.; HAMDY, U. Y MASTRORILLI, M.: “Efecto de la salinidad sobre el desarrollo y rendimiento de los cultivos, análisis de la tolerancia a la sal según varios métodos de clasificación,” Gestión del agua para la agricultura, 62(1),. 37-66, 2003. DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S0378-3774(03)00005-2 . they also warn that persistent water deficits can promote soil degradation processes and increased salinity, especially in coastal regions, a condition that coincides with the areas identified in this study.

This comparison with previous studies confirms that the identified spatial pattern corresponds to well-documented regional climatic processes and highlights the need for differentiated water management strategies according to local water availability.

Conclusions

It was determined that the spatial and temporal analysis of the variables associated with water deficit in the province of Manabí reveals significant contrasts between the different areas of the territory. The southern region presents the lowest values of effective precipitation and the highest deficits, reflecting a high water demand, while the northern stations, such as Flavio Alfaro (M0160) and Junín (M0163), show more favorable conditions with higher precipitation and positive balances. The concentration of rainfall in the months of February and March, coupled with high and constant evapotranspiration, shows that water scarcity intensifies between June and November, with demand far exceeding natural supply.

These results confirm that the semi-arid climate of Manabí generates a structural water deficit that requires technical and sustained planning to ensure the efficient use of the resource and the stability of agricultural systems, and highlight the need to strengthen water resource management and conservation strategies in Manabí, promoting sustainable agricultural practices, efficient water use, and the implementation of adaptation measures in response to climate variability.

Introducción

En Ecuador, Manabí tiene el mayor porcentaje de superficie agrícola (1’ 894 000 ha), seguida de Guayas, Loja, Los Ríos y Esmeraldas, siendo de vital importancia para la economía manabita (Instituto Nacional de Estadística y Censos, 2021INEC (INSTITUTO NACIONAL DE ESTADÍSTICA Y CENSOS): Encuesta de Superficie y Producción Agropecuaria Continua 2020. Contenido, INEC. Buenas cifras mejores vidas. Ecuador. 2021. Disponible en: https://www.ecuadorencifras.gob.ec/documentos/web-inec/Estadisticas_agropecuarias/espac/espac-2020/Presentacion .). Además, el clima se ha vuelto impredecible, causó cambios en la humedad, neblina, temperaturas y lluvias, donde se observan variaciones constantes en la cantidad, intensidad y patrón temporal de las precipitaciones (Su et al., 2023SU, Y.; WANG, J.; LI, J.; WANG, L.; WANG, K.; LI, A. GAO, L. Y WANG, Z.: “Cambios espaciotemporales y factores impulsores de la evapotranspiración de referencia y la evapotranspiración del cultivo para la producción de algodón en China desde 1960 hasta 2019” Frente. Reinar. Sci., 11, 11, 2023. ). Por ello, la precisión de la información sobre la lluvia es crucial para la agronomía, la hidrología y la meteorología (Ara, Lewis y Ostendorf, 2018ARA, I.; LEWIS, M. Y OSTENDORF, B.: “Análisis espacio-temporal del impacto del clima, la intensidad de los cultivos y los medios de riego: una evaluación de los determinantes del rendimiento del arroz.” Agricultura y seguridad alimentaria, 5(1),12, 2018. DOI: https://doi.org/10.1186/s40066-016-0061-9 .).

La distribución del agua en los sistemas de riego requiere una planificación técnica y equitativa, de modo que los recursos hídricos sean aprovechados de manera eficiente y oportuna, además que no presentó pérdidas en la producción y calidad agrícola (Zeleke et al., 2023ZELEKE, A.; TESFAYE, K.; TADESSE, T.; ALEM, T; ADEME, D. Y ENYEW, A.: “Análisis espaciotemporal de la variabilidad y tendencias de las precipitaciones y la temperatura para un sistema agrícola de maíz resiliente al clima en las principales zonas agroecológicas del noroeste de Etiopía,” Revista Internacional de Sostenibilidad Agrícola, 21(1), 11, 2023. DOI: https://doi.org/10.1080/14735903.2023.2255450 .). El análisis del comportamiento de las precipitaciones y su variabilidad espacial y temporal constituye un aspecto esencial para comprender los procesos climáticos actuales y futuros (Liu et al., 2022LIU, Z.; JING, D.; HAN, Y. YU, J.; LU, T. Y ZHANGZHONG, L.: “Características de distribución espaciotemporal y análisis de factores que influyen en la evapotranspiración de referencia en la región de Beijing-Tianjin-Hebei de 1990 a 2019 bajo el cambio climático,” Sostenibilidad, 14(10), 1-12, 2022. DOI: https://doi.org/10.3390/su14106277 .).

Cabe mencionar que el cambio climático ha modificado los patrones meteorológicos a nivel mundial, afectó directamente la producción agrícola (Yaryani et al., 2023YARYANI, S.; NOURANI, V.; ABBASNEJAD, H.; KOCH, J.; STISEN, S.; KLOVE, B. Y HAGHIGHI, A.T.: “Su papel en el agotamiento del nivel del agua del lago utilizando un enfoque basado en píxeles y análisis de correlación canónica”. Ciencia del medio ambiente total, 873, 16, 2023. DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162326 .). Las variaciones en temperatura, lluvias y disponibilidad de agua inciden en el rendimiento de los cultivos, mientras que el incremento de las temperaturas acelera la evaporación del suelo, lo cual ocasiona a largo plazo sequías más frecuentes y con mayores duraciones cada año (Yin et al., 2023YIN, D. W.; XIAO, N. C.; MING, Z. X.; GUO, H. ; ZHANG, Y. Y ZHANG, Y.: “Análisis espaciotemporal de la variabilidad de la humedad del suelo y su factor determinante.” Sensores Remotos, 15(24), 13, 2023. DOI: https://doi.org/10.3390/rs15245768 .), además que la variabilidad climática y la gestión del agua en zonas agrícolas requieren técnicas modernas que permitan comprender mejor la distribución espacial de la precipitación y la evapotranspiración, lo que resulta esencial para la planificación de riego (Ashraf et al., 2023ASHRAF, H.; QAMAR, S.; 2 , RIAZ, N.; SHAMSHIRI, R.R.; SULTAN, M.; KHALID, B.; IBRAHIM, S.M.; IMRAN, M. Y KHAN, M.U.: “Estimación espaciotemporal de la evapotranspiración de referencia para Aplicaciones agrícolas en Punjab, Pakistán” Agricultura, 13, 13, 2023. ; Barros de Sousa et al., 2023BARROS DE SOUSA, L.; DE ASSUNCAO M., A.A.; DA SILVA, M.V.; BRITO. A.T.A.; DE CARVALHO, A.A.; DA SILVA, T.G.F. Y PEDROSO DE LIMA, J.L.M.: “Análisis espaciotemporal de las precipitaciones y las sequías en una cuenca semiárida de Brasil: dinámica de uso y cobertura del suelo,” Sensores Remotos., 15(10), 9, 2023. DOI: https://doi.org/10.3390/rs15102550 .). En condiciones de aridez, se incrementa la correlación entre la evapotranspiración y la precipitación, siendo la evapotranspiración un factor determinante del balance hídrico (Chakroun et al., 2023CHAKROUN, H.; ZEMNI, N.; BENHMID, A.; DELLALY, V.; SLAMA, F.; BOUKSILA, F. Y BERNDTSSON, R.: “Evapotranspiración en clima semiárido: teledetección versus simulación de agua del suelo,” Sensores, 23(5), 9, 2023. DOI: https://doi.org/10.3390/s23052823 .).

De acuerdo con el Alamri et al., (2023)ALAMRI, Y.; ALRWIS, K.; GHANEM; KAMARA, S.; ALAAGIB, S. Y ALDAWDAHI, N.: “El nexo económico entre la energía, el consumo de agua y la producción de alimentos en Arabia Saudita”. Economías, 11(4), 1-14, 2023 DOI: https://doi.org/10.3390/economies11040113 ., la agricultura consume el 70% del agua dulce mundial, y se estima que para 2050 la producción de alimentos deberá aumentar en un 70%, debido al crecimiento poblacional y al aumento del poder adquisitivo en países en desarrollo. En Ecuador, el 80% del agua destinada a la agricultura riega solo un tercio de los cultivos, mientras que el resto depende exclusivamente de la lluvia (Abbas et al., 2022ABBAS, S.; YASEEN, M.; LATIF, Y.; WASEEM, M.; MUHAMMAD, S.; KEBEDE, L. M.; SHER, S.; ALI, I. M.; ADNAN, M. Y HASSAN, K. T.: “Análisis espaciotemporal de los extremos climáticos en la parte superior Cuenca del Indo, Pakistán,” Agua, 14(11), 17, 2022. DOI: https://doi.org/10.3390/w14111718 .).

En Ecuador, se estima que los recursos hídricos renovables internos alcanzan aproximadamente los 442 km³ anuales, de los cuales cerca del 82 % se destina a la agricultura, evidenciando la alta dependencia del sector productivo del agua disponible (Chuncho y Chuncho, 2019CHUNCHO, C. Y CHUNCHO, G. “Páramos del Ecuador, Importancia y afectaciones: Una revisión.” Bosques Latitud Cero, 9(2), 71-83, 2019. ). Cabe mencionar que la comprensión precisa de las variables hidrológicas, como la precipitación efectiva, resulta fundamental para optimizar el manejo del agua en la agricultura (Wang et al., 2020WANG, T.; DU, C.; NIE, T.; YI, S. Z.; ZHU, S.; FENG, C.; DAI, C.; CHU, L.; LIU, Y. Y LIANG, Q.: “Análisis espaciotemporal de las necesidades de agua del maíz en la provincia de Heilongjiang, China, durante el período 1960-2015.” Agua, 12(9), 10, 2020. DOI: https://doi.org/10.3390/w12092472 .). En los cantones costeros como Guayaquil, Machala, Portoviejo, Babahoyo, Santa Elena y Esmeraldas, la influencia del mar genera un aumento de las lluvias entre diciembre y marzo, seguido de una disminución Pérez y Domínguez (2019)PÉREZ, R. Y DOMÍNGUEZ, J.: “Irrigation Regime for Crops in Manabí, Ecuador: Proposal for Five Permanent Crops,” Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 28(4), 63-72, 2019. . Según Villa et al., (2022)VILLA, C. A. O.; ONTIVEROS, C. R. E.; RUIZ, A. O.; GONZÁLEZ, S. A.; QUEVEDO, T. J. A. Y ORDOÑEZ, H. L. M.: “Variación espacio-temporal de la evapotranspiración de referencia a partir de métodos empíricos en Chihuahua, México,” Ingeniería agrícola y biosistemas, 13(1), 96-115, 2021. , el cambio climático ha intensificado los efectos sobre la producción agrícola, manifestándose en aumentos de temperatura y variaciones regionales de precipitación, dificultando prever la disponibilidad futura de agua para riego.

El Objetivo de Desarrollo Sostenible 13 destaca la necesidad de actuar frente al cambio climático, debido al aumento de fenómenos meteorológicos extremos, como tormentas, inundaciones y sequías, que afectan los ecosistemas y la producción agrícola (Organización de las Naciones Unidas, 2023ONU (ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS): En Manabí, Ecuador, la sostenibilidad radica en las tradiciones sagradas. 2023. Disponible en: https://unsdg.un.org/latest/stories/manabi-ecuador-sustainability-lies-sacred-traditions (Accessed: October 6, 2023).). En este marco, el uso de herramientas tecnológicas como los Sistemas de Información Geográfica (SIG) posibilita analizar la variabilidad espacial y temporal de los recursos hídricos, generar modelos climáticos de alta resolución y proyectar escenarios futuros de adaptación al cambio climático, contribuyendo a la gestión sostenible del agua y al desarrollo agrícola resiliente (Lars, 2021LARS, L. I.: Spatiotemporal Analysis of Variability in Soil Volumetric Water Content and Spatial. Statistical Methods for Management Zone Delineation for Variable Rate Irrigation. Tesis. Maestro en ciencia. Brigham Young University. EE.UU. 2021. Disponible en: https://scholarsarchive.byu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=10393&context=etd .; Koycegiz, 2024KOYCEGIZ, C.: “Análisis espaciotemporal de la variabilidad de las precipitaciones en una cuenca endorreica de Turquía con datos de experimentos regionales coordinados de reducción de escala climática regional.” Revista de ingeniería de Alejyría, 91, 368-381, 2024. DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.aej.2024.02.010 .).

Con base en lo anterior, surge la interrogante: ¿Cómo es la distribución espacial y temporal de las variables que inciden en el déficit hídrico en Manabí con fines de riego? Por tal motivo, este estudio tuvo como objetivo analizar la distribución espacial y temporal de las variables que inciden en el déficit hídrico en Manabí con fines de riego.

Materiales y métodos

El estudio se enfocó en la provincia de Manabí, ubicada al norte con Esmeraldas, al sur con Santa Elena y Guayas, al este con Los Ríos y Santo Domingo de los Tsáchilas, y al oeste con el océano Pacífico (Figura 1). Presenta elevaciones de hasta 500 msnm y coordenadas aproximadas de 4°40'00" S y 80°05'00" W.

En Manabí, el clima está influenciado por el océano Pacífico y las corrientes marinas. La época lluviosa, de diciembre a abril, presenta altas temperaturas y abundantes precipitaciones propias del bosque tropical húmedo, mientras que la época seca, influida por la corriente fría de Humboldt, es más templada y con menor humedad, generando microclimas que inciden en la agricultura y las actividades locales. Como se observa en la figura 2, Manabí cuenta con 20 estaciones meteorológicas distribuidas para monitorear variables climáticas y apoyar la toma de decisiones en la agricultura y gestión de riesgos.

Se observan 49 estaciones meteorológicas distribuidas estratégicamente a lo largo de diversos cantones, como se detalla en la tabla 1.

Los datos de precipitación (Tabla 2) y evapotranspiración (Tabla 3) fueron obtenidos de Pérez et al. (2018)PÉREZ, R. Y DOMÍNGUEZ, J.: “Irrigation Regime for Crops in Manabí, Ecuador: Proposal for Five Permanent Crops,” Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 28(4), 63-72, 2019. y analizados en este estudio, de la recopilación de información de todas las estaciones meteorológicas de Manabí. Sin embargo, solo 20 de las 49 estaciones cuentan con suficiente respaldo estadístico para estudios de precipitación, y únicamente 2 cumplen los requisitos mínimos para la evapotranspiración.

El método aplicado fue descriptivo, analítico y deductivo, utilizando registros de 20 estaciones meteorológicas con al menos 13 años de observación. Se analizaron las variables necesarias para calcular la precipitación efectiva (Pe) y la evapotranspiración del cultivo de referencia (ETo). Con el uso del SIG se generaron mapas temáticos que reflejan los cambios espaciales y temporales en Manabí, con el fin de apoyar la planificación del riego.

Se determinó la precipitación efectiva (Pe) mediante el método del USDA-SCS propuesto por McCuen (1982), el cual estima la parte de la precipitación total (Pt) que realmente se aprovecha para los cultivos. La fórmula aplicada fue:

En esta ecuación, la Pe corresponde a la precipitación efectiva mensual en milímetros y la Pt representa la precipitación total mensual. Los cálculos se realizaron para cada estación meteorológica y se generaron trece mapas, uno por cada mes del año y uno general, con el fin de visualizar la distribución espacial de la lluvia aprovechable. Se aplicaron los umbrales establecidos por el método para dividir los valores y así identificar las zonas con mayor o menor disponibilidad de agua efectiva para los cultivos.

La evapotranspiración del cultivo de referencia (ETo) se calculó mediante el método de Hargreaves y Samani (1985), que permite estimar la pérdida de agua por evaporación y transpiración utilizando datos de temperatura y radiación solar. La expresión empleada fue:

En esta fórmula, ETo representa la evapotranspiración de referencia en milímetros por día, Tmean la temperatura media diaria, Tmax la temperatura máxima, Tmin la temperatura mínima y Ra la radiación solar extraterrestre. El cálculo se realizó mensualmente por estación, aplicando la diferencia entre las temperaturas extremas multiplicada por la radiación solar, obteniendo así el comportamiento hídrico en distintas zonas climáticas.

Finalmente, se determinó el déficit hídrico (Dh) a partir de la diferencia entre la evapotranspiración del cultivo de referencia y la precipitación efectiva, utilizando la fórmula:

El déficit hídrico (mm) representa la cantidad de agua faltante en el suelo cuando la evapotranspiración supera la precipitación efectiva. Este parámetro permitió identificar los periodos y zonas de mayor demanda hídrica en Manabí.

Para la elaboración de los mapas, se utilizó ArcGIS con un mapa base de Manabí (shapefiles del IGM). Los datos meteorológicos se incorporaron con sus coordenadas UTM y se aplicaron los métodos de interpolación Kriging e IDW, lo que permitió representar la variabilidad espacial y definir escalas de color que facilitan la interpretación climática en la provincia.

Resultados

El presente estudio presenta los resultados del análisis espacial de variables hidrológicas y climatológicas para determinar el déficit hídrico en Manabí, Ecuador. Se evaluaron la precipitación efectiva, la evapotranspiración del cultivo de referencia (ETo) y el déficit hídrico, aplicando herramientas de georreferenciación que permitieron generar mapas de variabilidad espacial.

Estos mapas evidencian cómo las condiciones climáticas difieren entre zonas, proporcionando información clave para la planificación agrícola, la gestión de los recursos hídricos y la reducción de riesgos climáticos en la provincia.

Discusión

Los resultados obtenidos para la precipitación efectiva muestran que en Manabí existe una clara diferencia espacial en la disponibilidad de agua, observándose mayores valores entre enero y abril en las zonas norte y centro, donde estaciones como Chone, Flavio Alfaro y Santa Ana superaron los 100 mm/mes, mientras que áreas costeras como Manta y Montecristi registraron valores inferiores a 70 mm/mes e incluso mínimos cercanos a 5 mm/mes durante los meses secos. Este comportamiento coincide con lo descrito por Pérez y Domínguez (2019)PÉREZ, R. Y DOMÍNGUEZ, J.: “Irrigation Regime for Crops in Manabí, Ecuador: Proposal for Five Permanent Crops,” Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 28(4), 63-72, 2019. , quienes reportaron que en Manabí la precipitación anual presenta fuertes contrastes entre zonas interiores húmedas y sectores costeros más secos, condicionó la necesidad de riego suplementario. De manera similar, Filgueiras et al., (2019)FILGUEIRAS, R.; REIS, M.M.; LOPES, E.M.; RIBEIRO, R.B. Y RAMOS, M.C.A.: “Dinámica espacio-temporal de variables climatológicas en la ayuda a la toma de decisiones en agricultura de regadío.” Journal of Agricultural Science, 11(6), 1-9, 2019. evidenciaron que en sistemas agrícolas tropicales la variabilidad espacial de la lluvia puede generar diferencias productivas significativas dentro de una misma región. Nieto C. et al., (2018)NIETO C., C. PAZMIÑO, C. E.; ROSERO, S. Y QUISHPE, B.: “Estudio del aprovechamiento de agua de riego disponible por unidad de producción agropecuaria, con base en el requerimiento hídrico de cultivos y el área regada, en dos localidades de la Sierra ecuatoriana,” Siembra, 5(1 SE-Artículos originales. Agronomía), 51-70, 2018. DOI: https://doi.org/10.29166/siembra.v5i1.1427 . también encontraron en la Sierra ecuatoriana que áreas con mayor precipitación natural presentan menor dependencia del riego artificial, situación comparable con el norte de Manabí, donde el balance hídrico resultó más favorable. Estos resultados confirman que la distribución irregular de las lluvias constituye uno de los principales factores que explican la heterogeneidad agrícola provincial.

En cuanto a la evapotranspiración del cultivo de referencia (ETo), los valores obtenidos muestran una mayor demanda hídrica en el sur de Manabí, alcanzó máximos cercanos a 154 mm/mes entre mayo y junio en estaciones como Portoviejo y Jipijapa, mientras que el norte presentó valores menores alrededor de 119-132 mm/mes. Resultados similares fueron reportados por Ashraf et al., (2023)ASHRAF, H.; QAMAR, S.; 2 , RIAZ, N.; SHAMSHIRI, R.R.; SULTAN, M.; KHALID, B.; IBRAHIM, S.M.; IMRAN, M. Y KHAN, M.U.: “Estimación espaciotemporal de la evapotranspiración de referencia para Aplicaciones agrícolas en Punjab, Pakistán” Agricultura, 13, 13, 2023. en Punjab, donde la evapotranspiración osciló entre 120 y 160 mm/mes, asociándose directamente con el incremento de temperatura y radiación solar. Zheng et al., (2022)ZHENG, Q.; HE, J.; QIN, M.; LUI, T. Y HUANG, X.: “Variación espaciotemporal de la evapotranspiración potencial y sus factores dominantes durante el período 1970-2020 en la región de Sichuan-Chongqing, China” Más uno, 17(6), 15, 2022. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0268702 . también identificaron variaciones espaciales comparables, indico que las zonas con menor humedad atmosférica presentan mayores pérdidas de agua por evapotranspiración. A nivel nacional, Ortiz y Chile (2020)ORTIZ, R. Y CHILE, M.: “Métodos de cálculo para estimar la evapotranspiración de referencia para el Valle de Tumbaco.” Siembra, 7(1), 70-79, 2020. estimaron valores de ETo cercanos a 140 mm/mes en el valle de Tumbaco, rango muy próximo a los obtenidos en este estudio, lo que respalda la consistencia de los resultados. Desde el punto de vista productivo, Abanum, Olalekan y Aremu (2023)ABANUM, N.; OLALEKAN, I. Y AREMU, O.: “Tasas de riego y su respuesta al desarrollo del crecimiento de los genotipos del cacao (Theobroma cacao L.).” Revista internacional de ciencias de plantas y suelos, 35(13), 154-164, 2023. demostraron que cultivos como el cacao incrementan sus requerimientos de riego cuyo la evapotranspiración supera los 130 mm/mes, situación observada en gran parte del sur manabita. Asimismo, Dhaloiya et al., (2022)DHALOIYA, A.; HOODA, R.S.; KUMAR, D.; MALIK, A. Y KUMAR, A.: Evaluación basada en geoinformática de las necesidades brutas de riego de diferentes cultivos cultivos cultivados en la región suroeste de Haryana, India in M. Zakwan et al. (eds.) Direcciones actuales en la investigación sobre la escasez de agua. Elsevier (Current Directions in Water Scarcity Research), 299-316, 2022. DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.1016/B978-0-323-91910-4.00018-2 . destacan que el análisis geoespacial permite identificar zonas críticas de demanda hídrica, lo cual coincide con los patrones espaciales evidenciados en los mapas generados.

Respecto al déficit hídrico, los resultados indican que las condiciones más críticas se concentran en la zona costera sur, donde estaciones como Montecristi, Rocafuerte y Manta alcanzaron valores cercanos a 146 mm, mientras que el norte presentó déficits mucho menores, alrededor de 22 mm e incluso balances casi neutros en Paján. Estos valores reflejan una combinación directa entre baja precipitación y elevada evapotranspiración. Inzunza et al., (2018)INZUNZA, M. A.; VILLA, C. M.M.; CATALÁN, V. E.A.; LÓPEZ, L. R. Y SIFUENTES, I. E.: “Maize grain yield under soil water deficit at two growing stages,” Revista Fitotecnia Mexicana, 41(3), 283-290, 2018. DOI: https://doi.org/10.35196/rfm.2018.3.283-290 . reportaron que déficits superiores a 120 mm provocan reducciones significativas en el rendimiento del maíz, lo que permite inferir posibles impactos productivos en las zonas más secas de Manabí. De igual forma, Ohikhena (2023)OHIKHENA, A.: “Efectos del riego regulado en la estación seca sobre el uso de agua de los árboles, la dinámica de la humedad de la zona de las raíces y el rendimiento del cacao.” Revista de horticultura. 10(1), 13, 2023. observó que durante estaciones secas prolongadas el uso de riego regulado permitió compensar déficits similares, mejoro el uso eficiente del agua en cultivos tropicales. Katerji et al., (2023)KATERJI, N.; VAN HOORN, J.W.; HAMDY, U. Y MASTRORILLI, M.: “Efecto de la salinidad sobre el desarrollo y rendimiento de los cultivos, análisis de la tolerancia a la sal según varios métodos de clasificación,” Gestión del agua para la agricultura, 62(1),. 37-66, 2003. DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S0378-3774(03)00005-2 . advierten además que déficits hídricos persistentes pueden favorecer procesos de degradación del suelo y aumento de salinidad, especialmente en regiones costeras, condición que coincide con las áreas identificadas en este estudio.

Esta comparación con estudios previos confirma que el patrón espacial identificado responde a procesos climáticos regionales bien documentados y evidencia la necesidad de estrategias diferenciadas de manejo del agua según la disponibilidad hídrica local.

Conclusiones

Se determinó que el análisis espacial y temporal de las variables asociadas al déficit hídrico en la provincia de Manabí revela contrastes significativos entre las diferentes zonas del territorio. La región sur presenta los valores más bajos de precipitación efectiva y los déficits más elevados, reflejando una alta demanda de agua, mientras que las estaciones del norte, como Flavio Alfaro (M0160) y Junín (M0163), muestran condiciones más favorables con mayores precipitaciones y balances positivos. La concentración de lluvias en los meses de febrero y marzo, frente a una evapotranspiración elevada y constante, evidencia que la escasez hídrica se intensifica entre junio y noviembre, cuya demanda supera ampliamente la oferta natural.

Estos resultados confirman que el clima semiárido de Manabí genera un déficit hídrico estructural que requiere planificación técnica y sostenida para garantizar el uso eficiente del recurso y la estabilidad de los sistemas agrícolas, y evidencian la necesidad de fortalecer las estrategias de manejo y conservación del recurso hídrico en Manabí, promoviendo prácticas agrícolas sostenibles, el aprovechamiento eficiente del agua y la implementación de medidas de adaptación frente a la variabilidad climática.