Estimación de los escurrimientos superficiales en las Zonas de Ladera de Oaxaca1

M. R. Martínez Ménez

Resumen

Los bosques y las selvas en condiciones naturales protegen los suelos de la erosión, reducen los escurrimientos superficiales, aumentan los escurrimientos subsuperficiales, reducen la producción de sedimentos, tienen un alto potencial de captura y almacenamiento de carbono en el suelo y en la vegetación. La fuerte presión de la creciente población sobre la tierra, ha propiciando cambios de uso del suelo que se supone han ocasionado la degradación de los ecosistemas naturales (deforestación - escurrimiento - erosión).

Para estimar los impactos del hombre en los sistemas naturales, se seleccionaron tres microcuencas en las regiones Mazateca, Cuicateca y Mixe del Estado de Oaxaca, donde se caracterizaron los sistemas de drenaje, se utilizaron modelos para la estimación de perdidas de suelo, producción de escurrimientos y sedimentos y se establecieron unidades de medición de estas variables al nivel de pequeñas parcelas. Así mismo, se planteo una metodología para el escalamiento de los resultados de obtenidos en las microcuencas bajos estudio a las grandes regiones de ladera de Oaxaca.

Las estimaciones de pérdidas de suelos y escurriminetos fueron realizadas utilizando el modelo SWRRB (Simulator for Water Resources in Rural Basins) para la tres microcuencas para los escenarios actual, de producción de maíz y de conversión a una zona de bosque, generando datos de pérdidas de suelo que variaron de 0.86 a 160 t/ha por año en las diferentes usos del suelo en las microcuencas. Las pérdidas de suelo en los diferentes sistemas de manejo de los suelos de las microcuencas medidos en los lotes de escurrimiento variaron de 1 kg/ha año a más de 1 t/ha por año y los coeficientes de escurrimientos son muy bajos (< 0.1).

1 Proyecto apoyado por el Programa de Manejo Sustentable de Laderas (PMSL), auspiciado por el Banco Mundial, el GEF, el Gobierno del Estado de Oaxaca, la SAGARPA y el Colegio de Postgraduados.

Introducción

Las zonas de ladera cubiertas de bosques y selvas protegen los suelos de la erosión, reducen los escurrimientos superficiales, aumentan los escurrimientos subsuperficiales, reducen la producción de sedimentos, la degradación de los suelos y tienen un alto potencial de captura y almacenamiento de carbono en el suelo y en la vegetación. Cuando prevalecen las condiciones naturales se tiene casi un equilibrio que solo puede ser modificado cuando la creciente población genera una presión sobre la tierra, propiciando un cambio de uso del suelo y transformando las selvas y bosques en zonas agrícolas, ganaderas y degradas. La contraparte es mantener la productividad de la tierra y la conservación de la biodiversidad para un manejo sostenible lo que da origen a la Agricultura Sustentable de Laderas.

El Proyecto de Manejo Sostenible de Laderas (PMSL) busca una estrategia participativa al nivel de microcuencas para el manejo sustentable de los sistemas productivos que tienen los productores en los terrenos de ladera. Además, realiza estudios para conocer si los sistemas se encuentran en equilibrio o si existe una degradación continua de los recursos naturales que impacte las condiciones de vida de los productores rurales de las zonas de montaña de Oaxaca. Para determinar el impacto de la acción del hombre se seleccionaron en las tres regiones del estado de Oaxaca, donde se estableció en el Programa de Manejo Sustentable de Laderas y una parte de este proyecto fue la estimación de la erosión y de los escurrimientos superficiales.

Se seleccionaron tres microcuencas en las regiones Mazateca, Cuicateca y Mixe del Estado de Oaxaca, para estimar los impactos del hombre en los cambios en los sistemas naturales. Para ello, se caracterizaron los sistemas de drenaje, se utilizaron modelos para estimar de perdidas de suelo, producción de escurrimientos y sedimentos y se establecieron lotes para medir erosión y escurrimiento.

Caracterización regional

Las regiones Mazateca, Cuicateca y Mixe se localizan en la Sierra Madre de Oaxaca y cubren una superficie de mas de 929 mil hectárea. Para su caracterización se utilizo la información topográfica escala 1:250,000, usos del suelo y vegetación escala 1:1,000,000. Con el extractor de rápido de información climática ERIC se obtuvieron las variables regionales de precipitación, temperatura, humedad relativa y radiación solar. Con el modelo de elevación digital Gema del INEGI y con los paquetes de computo SURFER e IDRIS se realizaron las extrapolaciones necesarias para obtener la toponimia, los limites municipales, la localización de las microcuencas, las unidades de suelos, usos del suelo y la vegetación y rangos de elevaciones por región (Cuadro1).

Caracterización de microcuencas

En cada región se localizo una microcuencas (Santa Catarina en la Mazateca, Concepción Pápalo en la Cuicateca y Zompantle en la Mixe) y para su caracterización se realizaron recorridos de campo, se utilizaron fotografías áreas escala 1:50,000, se georeferenciaron las microcuencas utilizando un geo - posicionador y fotografías áreas, se realizo una fotointerpetación, se

definieron los parteaguas, los sistemas de drenaje, los usos del suelo y se tomaron muestras de suelos. La información sobresaliente de cada una de las microcuencas se presenta en el Cuadro 2.

Cuadro 1. Características generales de las regiones bajo estudioCaracterísticas Región

Mazateca - Ciucateca MixeArea (ha) 437,454 492,814Tipo de suelos Luvisol, Rendzina, Feozem y Acrisol Acrisoles y CambisolesUso del suelo Agricultura, bosque (pino-encino) y

selva altaAgricultura, selva baja, pastizal y

bosqueAltitud (mnsm) 200-3,250 200-3,200Pendiente (%) >15 (25-45) >25Precipitación (mm) 500-4,500 1,500-2,500Temperatura (°C) 16-27 17-27

Cuadro 2. Características de las microcuencas de la zona de estudio

Región Microcuenca Uso del suelo Superficie(ha)

Características generales

Mazateca Santa Catarina

Milpa sin fertilizar 14.9 Elevación (1,379 a 1,910 msnsm)Pendiente (<30% el 36% y >30% el 64%)Suelos franco arcillosos; M.O (3.2 a 6.5%); Dap 1.07 t/m3; Conductividad Hidráulica (0.4 a 1.0 cm/hr); Porosidad 60%; Humedad aprovechable 33% y carbono orgánico 2.43%.

Milpa fertilizada 26.1Pastizal 16.5Encino 14.8Elite 5.5Café 169.1Acahual 72.3Subtotal 319.2

CuicatecaConcepción Pápalo

Encino 30.2 Elevación (1,700 a 2,200 msnm)Pendiente (<30% el 66% y >30% el 34%)Suelos franco a franco arenoso; M.O. 2.6 a 4.1%); Dap 1.53 t/m3; Conductividad Hidráulica (2.0 cm/hr); Porosidad 42%; Humedad aprovechable 19% y carbono orgánico 1.05%

Pino 18.8Pastizal 27.6Maíz 55.3Matorral espinoso 5.2Milpa-frutal 9.9Subtotal 147.0

Mixe Zompantle

Café 8.4 Elevación (1,287 a 1,528 msnm)Pendiente (<30% el 34% y >30% el 66%)Suelo arcilloso; M.O. (4.2 a 5.5%); Dap 1.06 t/m3; porosidad 60%; Humedad aprovechable 25% y carbono orgánico 6%

Bosque 0.5Maíz 3.0Acahual 20.8Subtotal 32.7

Localización de lotes de escurrimiento.

En la Región Mazateca dentro de la microcuenca de Santa Catarina se establecieron 8 lotes de escurrimiento, en la región Cuicateca dentro de la microcuenca de Concepción Pápalo se colocaron 6 lotes y en la microcuenca de Zompantle de la región Mixe se establecieron 4 lotes en diferentes usos del suelo y para diferentes condiciones de pendiente (Figura 1). Debe señalarse

que los usos del suelo considerados fueron los terrenos con vegetación natural (bosque, pasto y acahual), con cultivos permanentes (café y frutales) y maíz tradicional y maíz con barreras vivas de durazno que se considera la tecnología de alternativa para reducir la erosión. En cada sitio se instalo un lote de escurrimiento de 2 x 25 m delimitado por lamina corrugada de fibra de vidrio y en la parte baja se coloco un tinaco con registro visible de carga, para colectar los escurrimientos superficiales y los sedimentos acarreados en cada evento, así como un pluviómetro de cuña. Las muestras de agua y suelo colectadas fueron procesadas en el laboratorio para determainr los sólidos en suspensión en g/l. Figura 2.

Sistema Pendiente (%) Sistema Pendiente (%) Sistema Pendiente (%)

1 Café 2 Maíz tradicional 3 Maíz-Durazno 4 Roza-Tumba y Quema 5 Pastizal 6 Acahual 7 Maíz tradicional 8 Maíz-Durazno

55.2 14.7 31.0 35.2 39.5 43.2 40.0 35.6

1 Maíz tradicional 2 Maíz-Durazno 3 Nogal 4 Encino 5 Maíz-Durazno 6 Pastizal

35.054.029.045.038.624.7

1 Café 2 Maíz-Café 3 Roza-Tumba y Quema 4 Acahual

45.051.553.244.3

a) Santa Catarina b) Concepción Pápalo c) Zompantle

Figura 1. Localización de lotes de escurrimiento y sistemas evaluados en las tres microcuencas: a) Región Mazateca, b) Región Cuicateca y c) Región Mixe.

Figura 2. Lotes de escurrimientos en las tres microcuencas (Santa Catarina, Concepción Pápalo y Zompantle)

Predicción de perdidas de suelos.

De acuerdo a la información colectada en las microcuencas de propiedades físicas de los suelos, los factores fisiotécnicos (factor de conversión de biomasa, rugosidad del terreno, curva numérica, factor de estrés hídrico, índice de cosecha, factor de cobertura y área foliar máxima) y la información climática (temperatura máxima y mínima, coeficiente de variación de temperatura, radiación y lluvia), se corrió el modelo SWRRB al nivel de microcuenca para las condiciones actuales y previendo cambios en los patrones de cultivo para llegar a café, acahual y milpa. Cuadro 3.

Las tasas de producción de sedimentos son similares en las tres microcuencas en los escenarios actuales, café o frutal y acahual y se incrementan cuando el uso del suelo se convierte a milpa reportándose producciones de sedimentos que varían de 36 a 159 t/ha por año. La producción de biomasa par cada escenario fue similar en las tres microcuencas y la producción de escurrimientos y la percolación profunda es mayor en la microcuenca Zompantle y en el uso del suelo de milpa, seguida de la microcuenca de Santa Catarina y Concepción Pápalo.

Cuadro 3. Predicción de variables hidrológicas para varios escenarios en las tres microcuencas.

Microcuenca Condición Precipitación(mm)

Escurrimiento (mm)

Coef Esc. Percolación(mm)

Sedimentos(t/ha)

Biomasa(t/ha)

SantaCatarina

Actual 1506.4 278.8 0.18 193.8 0.86 26.6Café 1506.4 270.2 0.18 225.0 0.06 24.1Acahual 1506.4 335.5 0.22 144.4 0.33 25.9Milpa 1506.4 553.5 0.37 108.5 85.65 32.4

ConcepciónPápalo

Actual 805.1 51.8 0.07 29.7 2.15 22.9Frutal 805.1 47.7 0.06 36.2 1.15 13.3Acahual 805.1 52.9 0.07 29.3 0.08 18.4Milpa 805.1 110.2 0.14 20.6 36.72 28.2

ZompantleActual 1922.2 461.5 0.24 340.0 2.61 28.1Café 1922.2 428.3 0.22 386.0 0.13 25.2Acahual 1922.2 530.1 0.28 276.3 1.02 27.0Milpa 1922.2 831.8 0.43 181.1 159.89 29.6

En la microcuenca de Zompantle se estimo la máxima precipitación (1922.2 mm), altos coeficientes de escurrimiento (0.22 a 0.43) y una alta tasa de producción de sedimentos estimada de mas de 150 t/ha para la condición de maíz, que es muy superior a las estimadas (0.13 a 2.61 t/ha) con las otras condiciones. En la microcuenca de Santa Catarina la precipitación predicha fue de 1506.4 mm y las perdidas de suelo para el cultivo de maíz fue de mas de 85 t/ha/año y para los otros usos del suelo fueron menores de una 1 t/ha/año. La menor degradación de los suelo se reportó en la microcuenca de Concepción Pápalo con una producción de sedimentos de 36 t/ha/año y de menos de 2 t/ha/año en los otros usos del suelo.

Medición de la erosión y los escurrimientos

La medición de las tasas de erosión y los escurrimientos en los diferentes usos del suelo de las tres microcuencas pra el 2000, se presentan en el Cuadro 4.

Los resultados obtenidos de los lotes escurrimiento indican que la precipitación vario de 1,359 mm en la microcuenca de Santa Catarina, disminuyendo en la microcuenca de Zompantle y siendo las mas baja en la microcuenca de Concepción Pápalo. En todos los lotes de escurrimientos y para todos los usos del suelo considerados, la erosión medida fue menor de 1.3 t/ha/año, con valores de menos de 1 kg/ha/año que es inapreciable. Los escurrimientos captados fueron muy bajos en todos los usos del suelo estudiados, así como los coeficientes de escurrimiento medio anual, lo que indica que la mayor parte de los escurrimientos son subsuperficiales y que remoción de partículas del suelo por la lluvia y el escurrimiento es mínima a pesar de utilizar el cultivo de maíz tradicional.

Estas pérdidas de suelo son menores a las tasas de formación de los suelos (10 t/ha/año) por lo que se puede inferir que en este año de observación y para los eventos que se presentaron en el 2000, no existió degradación sino formación de suelo, pero debe señalarse que existe un alto riesgo de erosión, especialmente para eventos extraordinarios en épocas de siembra de los cultivos.

En la microcuenca de Santa Catarina, la precipitación fue de mas de 1,000 mm anuales, la erosión de los suelos fue menor de 100 kg/ha /año en los lotes de pastizales, acahual, café y roza tumba y quema. Destaca que para el cultivo de maíz con durazno en la parte alta se obtuvo una pérdida de suelo de 149 kg/ha/año, que fue las mas alta, pero que es muy baja si se compara con los datos obtenidos en otras con condiciones de pendientes similares. Los escurrimientos superficiales medidos y los coeficientes de escurrimientos fueron muy bajos comparados con los reportados para los modelos de predicción de escurrimientos.

Cuadro 4. Pérdidas de suelo, volúmenes escurridos y coeficientes de escurrimiento obtenidos en los diferentes usos del suelo de las tres microcuencas del PMSL (2000).

Microcuenca Uso del suelo Precipitación(mm)

Escurrimiento (mm)

Coef Esc. Erosion (kg/ha)

SantaCatarina

Café 1,390.05 3.01 0.0022 47.66Maíz Tradicional (Parte baja) 1,110.60 3.41 0.0031 52.59Maíz Durazno (Parte baja) 1,351.40 3.38 0.0025 93.67Roza Tumba y Quema 1,354.73 6.45 0.0048 74.91Pastizal 1,375.88 24.41 0.0177 95.00Acahual 1,359.45 2.67 0.0020 12.87Maíz Tradicional (Parte alta) 1,074.15 2.01 0.0019 18.59Maíz Durazno (Parte alta) 1,363.05 12.44 0.0091 149.17

ConcepciónPápalo

Maíz Tradicional 323.74 4.24 0.0131 164.50Maíz Durazno ( Parte alta) 311.68 2.42 0.0078 3.56Nogal 315.68 0.17 0.0005 0.78Encino 318.40 0.66 0.0021 3.56Maíz Durazno (Parte baja) 395.30 2.75 0.0070 404.53Pastizal 339.96 21.32 0.0627 183.37

ZompantleCafé 881.95 10.78 0.0122 1,369.23Café + maíz 891.45 0.33 0.0004 3.66Roza Tumba y Quema 905.21 2.75 0.0030 7.41Acahual 900.81 2.31 0.0026 25.79

En la microcuenca de Concepción Pápalo la precipitación medida (318 mm) fue menor que la media de la región y la erosión vario de menos de 1 kg/ha a mas de 400 kg/ha en los lotes de nogal y maíz - durazno respectivamente. Destaca que el maíz tradicional que se siembra en surcos perpendiculares a la pendiente la pérdida de suelo reportadas es de 164 kg/ha, que es muy bajo si se considera que el lote tenia una pendiente de 35%. Los volúmenes escurridos son muy bajos y solo en el caso del pastizal se reporto el mayor coeficiente de escurrimiento de la microcuencas (0.06).

Para la microcuenca de Zompantle, las pérdidas de suelo estimadas en el cultivo de café fueron altas (1.3 t/ha), lo cual se explica porque el cultivo se sembró en hileras perpendiculares a la pendiente y no existían cultivos intercalados entre las hileras. En el sistema de roza tumba y quema la pérdida de suelo fue mas baja que para el propio acahual, lo que se explica por la presencia de una buena cubierta vegetal en el desarrollo del cultivo. Los escurrimientos fueron bajos en todo el ciclo.

Es importante analizar que las pérdidas de suelo observadas fueron muy bajas en todos los sistemas de producción y en condiciones naturales en las tres microcuencas, a pesar de las altas pendientes de estas zonas de ladera. La posible explicación es que la precipitación es de baja intensidad y larga duración, existe una buena cobertura vegetal una vez que se inicia la temporada de lluvia, la resistencia del suelo a la erosión es alta dado por los contenidos de materia orgánica (>3.0%), y por los valores de conductividad hidráulica a saturación de los suelos de mas de 10 mm/hr.

Si las pérdidas de suelo estimadas en los diferentes sistemas de producción se comparan con la producción de sedimentos obtenidos con el modelo se observa que para los diferentes cultivos y escenarios planteados, el modelo sobre estima la erosión ya que estima producción de sedimentos mayores de 35 t/ha/año en el caso de maíz. Esto es mas critico si se considera que la erosión es mayor que la producción de sedimentos ya que la erosión toma en cuenta la deposición de partículas a lo largo de la pendiente. Los coeficientes de escurrimientos observados y estimados son muy distintos y el modelo hace una sobre predicción de los escurrimientos (Cuadro 5).

Cuadro 5. Comparación entre la erosión y escurrimeintos estimados y observados en las tres microcuencas.2

Microcuenca Uso del suelo

Erosión (kg/ha) Escurrimiento (mm) Coef de escurrimientoEstimada Observada Estimado Observado Estimada Observado

SantaCatarina

Maíz 85,650 52.59 553.5 3.43 0.37 0.0031Acahual 330 12.87 335.5 2.67 0.22 0.0020

ConcepciónPápalo

Maíz 36,720 164.50 110.0 4.24 0.14 0.0131Acahual1 80 3.56 52.9 0.66 0.07 0.0021

ZompantleMaíz2 159,890 3.66 831.8 0.33 0.43 0.0004Acahual 1,020 25.79 530.1 2.31 0.28 0.0026

1 Se considero el lote de encino2 Se considero maíz + café

Las diferencias entre las variables observadas y predichas en los usos del suelo (maíz y acahual) en las tres microcuencas son significativas, pero debe señalarse que no son comparables ya que el 2 Debe señalarse que el modelo SWRRB se utilizo como predicción considerando la información existente y los características generales de las microcuencas, pero se realizo una calibración del modelo.

modelo predice la producción de sedimentos y en los lotes de escurrimiento se mide la erosión del suelo y que el modelo no se corrió utilizando la información climatológica del año de observación. Para calibarar el modelo debería compararse con los escurrimientos y sedimentos de cada microcuenca por evento o grupos de eventos y los datos de erosión deberían calibarse para los diferentes usos del suelo y ajustar los parámetros.

Esto indica la necesidad de calibrar el modelo de predicción al nivel de cuenca para ajustar los parámetros que se obtengan de los lotes de escurrimeintos y se espera realizarlo con la información que se colecte en el periodo de lluvias del 2001.

Es necesario señalar que los datos de pérdidas de suelo medidos en los diferentes usos del suelo en las tres microcuencas son muy bajos a pesar de que se realicen los desmontes como es el caso de los sistemas de roza - tumba y quema. Esto debe destacarse ya que se tiene el concepto que este sistema de cultivo produce una gran degradación de la vegetación y de los suelos. Sin embargo no debe destacarse que existe el riesgo de que en un evento extraordinario de alta intensidad pueda provocar mayor degradación en cientos de ellos y esto, es el riesgo de la agricultura de ladera.

Conclusiones

Los sistemas de producción evaluados en las tres microcuencas (bosque, pastizal, acahual, sistemas de cultivo de café, frutales, maíz tradicional y asociado con barreras vivas de durazno) reportan bajas perdidas de suelo menores de 1.3 t/ha/año y muy bajos escurrimientos en las zonas de ladera de la sierra de Oaxaca.

Existe la posibilidad de aplicar modelos de estimación de producción de sedimentos y escurrimientos calibrando los parámetros con los trabajos de investigación de campo.

Es posible establecer estaciones de aforo al nivel de microcuenca para estimar los hidrogramas que representen en forma gráfica la variación de los escurrimientos por evento.

Referencias

Arnold, J.G. and J.R. Williams. 1987. Validation of SWRRB: Simulator for water resources in rural basins. J. Water Resources Planning and Management, ASCE, 113 (2): 243-256

PMSL 2001. Informe de los avances del Programa de Manejo Sustentable de Laderas del 2000. Documento interno.