Durante sus años en el INTA el Ing. agr. Francisco Damiano fue protagonista de un video de difusión de la técnica agrohidrológica que consideramos interesante para iniciar este capítulo temático.

Esta sección técnica es bastante extensa, lo entendemos. 

Pero es necesaria para explicar dos cosas:  1- Porqué es complejo resolver el problema de anegamientos de campos bajos en la región pampeana y 2- Cómo la técnica agrohidrológica consigue incorporar a la cadena productiva áreas que son sometidas a anegamientos frecuentes. 

Adicionalmente agregamos un capítulo de la contraparte de los anegamientos que son las sequías que es el otro extremo de las adversidades a las que está sometida la región pampeana. 

Con un poco de lectura esperamos que le interese la temática de nuestra región y lo que proponemos para solucionarla. 

Lectura Complementaria: Prólogo de Ir. Gabriel Parodi MSc. de la Facultad ITC, University of Twente, Países Bajos. "Sistematización Agrohidrológica: un trabajo de hormiga"   

En la hidrología tradicional el agua se conduce naturalmente al punto de salida. Si causará daño aguas abajo, se tiene la oportunidad de controlarla en ese punto de salida. Como ejemplo, en la figura de la izquierda, a pocos kilómetros a la salida de la cuenca hay un embalse que controla las inundaciones potenciales. En épocas de lluvias los caudales superficiales (horizontales) son entre un 30 a un 50% de la precipitación.

En la hidrología de llanuras el agua de lluvia se estanca, tiene poco recorrido horizontal y debido a esto tiene mayor oportunidad (tiempo) para evacuarse principalmente en forma vertical por infiltración o evaporación. En estas áreas el caudal de drenaje superficial es del 6 al 7%. No hay una única salida donde controlar el agua. El agua se acumula a poca distancia de donde cae y en caso de continuidad de lluvias locales se va moviendo en cascada desde un bajo al siguiente hasta que el volumen de exceso encuentre todo el lugar que requiere para ser almacenado, cosa que ocurre luego de que el agua ocupó una serie de bajos.

Para solucionar el problema hay que entender como se mueve el agua en toda el área, no solamente a la salida.

Esto es con respecto al movimiento del agua. Pero no es solo este el problema... 

Problema 2: Entender los tipos de suelos en relación con su posibilidad de rehabilitación

Lectura avanzada: "Inundaciones en la región pampeana. Consecuencias sobre los suelos", (Taboada, Damiano, Lavado)

Como el agua permanece estancada un gran porcentaje del año hidrológico, se producen una serie de procesos físico-químicos especiales en el suelo que no se dan en suelos sin problemas de anegamiento. Esos procesos que están relacionados con la presencia semipermanente de agua se denominan halomórficos y dan origen a las suelos hidromórficos.

NOTA aclaratoria: Esta sección técnica, si bien extensa, solo contiene conceptos generales aunque indispensables. Anualmente los estudios de identificación de los procesos en suelos dan origen a un sinnúmero de publicaciones científicas en journals y congresos de alta complejidad.

Resumen de capítulo: Si desea una explicación somera del problema 2 el resumen es que hay suelos ácidos, salinos, sódicos y alcalinos y cada uno tiene problemas específicos en presencia de agua. La recuperación de esos suelos requiere diferentes técnicas de manejo, estando la agrohidrología en la primera líneas de acción. Para más detalle lea a continuación sino puede seguir al apartado siguiente: Problema 3: Entender la sinergia "relieve-suelos-vegetación" para identificar sectores recuperables

En agrohidrología, la condición fundamental para un diseño robusto del control de anegamientos es el conocimiento de los suelos y los procesos involucrados en los suelos con exceso de agua y sales. Se describen a continuación los aspectos fundamentales de ellos.

La acidez en suelos y como se produce:

La acidez en el suelo se mide en una escala de pH (potencial hidrógeno) desde 1 (extremo ácido) a 14 (extremo alcalino). Esta indica la concentración de iones de hidrógeno. Los valores de pH entre 6,5 y 7,5 se consideran como neutros. Debe notarse que la escala es logarítmica, por lo que un cambio de una unidad (de 6 a 5 por ejemplo), implica que la concentración de iones es 10 veces más acida que la anterior.

La acidez en los suelos se produce por la remoción de cationes básicos como el Calcio, el Magnesio y el Potasio y su reemplazo por iones de hidrógeno. Este proceso ocurre en las siguientes situaciones: 1- remoción de nutrientes por exceso de carga de cultivos. 2- elevada precipitación que lava cationes de Ca, Mg y K, 3- descomposición de la materia orgánica que libera hidrógeno luego de un proceso biológico y 4- el uso de fertilizantes nitrogenados de reacción ácida. Adicionalmente, la presencia de aluminio es tóxica para los suelos y el incremento de la acidez promueve la generación de más aluminio  disponible.

Salinización:

Es el proceso de acumulación de sales solubles en el perfil del suelo, el cual se da por la presencia de una fuente de sales y por condiciones que hacen que los procesos de acumulación de sales predominen sobre los de eliminación, lo que dificulta o impide el desarrollo normal de cultivos. Cuanto más sales solubles tiene el suelo, más conduce la electricidad. Por tanto la conductividad eléctrica se utiliza para medirla. El límite inferior de salinidad en estos suelos es establecido convencionalmente con una conductividad eléctrica (CE) del extracto de saturación de 4 dS m-1 (a 25º C). El proceso puede ser revertido permitiendo que agua con bajo contenido salino (lluvia o riego con agua con bajo contenido salino) disuelva las sales en el tiempo, facilitando al mismo tiempo el drenaje de esas aguas ahora salinizadas.

Sodificación:

La sodificación se inicia con un elevado contenido en el ion sodio (Na+) en la solución del suelo en relación con la cantidad de Ca2+ y el Mg2+, dando lugar al incremento de este ion en el complejo de cambio. Valor crítico para sodificación es cuando: [Na+ / Σ (otros cationes adsorbidos)] > 15 %. 

La concentración en sodio se puede medir, bien en la solución del suelo o bien en el complejo de cambio. En el primer caso se denomina relación de adsorción de sodio (RAS) y en el segundo hablamos del porcentaje de sodio intercambiable (PSI).

RAS: Denota la proporción relativa en que se encuentra el sodio respecto al calcio y magnesio, cationes divalentes que compiten con el sodio por los lugares de intercambio del suelo. Su valor se mide en miliequivalentes/litro (meq/l).

RAS = Na / SQR [(Mg + Ca)/2]

PSI: Para el cálculo del PSI se necesita determinar el contenido de sodio intercambiable y la capacidad de intercambio catiónico (CIC) del suelo. Representa el porcentaje de sodio respecto a los demás cationes adsorbidos y se expresa en forma de porcentaje:

PSI = 100 x Na / CIC (cmol/kg o meq/100gr)

La relación entre las dos medidas es:

PSI= 1,475 (SAR) / 1+ 0,0127 (SAR) 

Alcalinización:

Es un proceso que también está asociado al exceso de Na+ de cambio, sobre todo en presencia de arcillas. Las arcillas saturadas en sodio y en presencia de agua de lluvia y CO2 disuelto, hidrolizan, liberando iones de Na+ y OH- a la solución del suelo incrementando el pH del suelo a valores superiores a 8. Nótese que todos los suelos alcalinos son sódicos, pero no todos los sódicos son alcalinos. El criterio para definir a un suelo alcalino es que posea además un pH muy elevado, mayor a 8,5.

Como se produce la salinización, la sodificación y la alcalinización?

Para explicar su producción juntamos los tres procesos pues la sodificación, la alcalinización y la salinización se producen por causas similares. La diferencia es que la composición o abundancia de las sales en juego y el tipo de suelos son diferentes.

Para las tres se requiere una fuente de sal cercana a la superficie. La más típica es una napa de agua salina. La sal esta disuelta en el agua y es acarreada a la superficie por capilaridad. Cuando el agua llega a la superficie está expuesta a la evaporación. Durante periodos de alta demanda de calor (alta evaporación) la humedad en superficie traída por capilaridad se evapora dejando las sales expuestas. Estas sales pueden trasladarse a suelos no salinos por acción del viento.

Se produce salinidad cuando las principales sales involucradas en este proceso son los Cl(-) y SO4(2-) en especial de Na+ (cloruros y sulfatos de sodio), y en menor medida CO3(2-) + CO3H(+) de Ca(2+) y de Mg(2+) (carbonatos e hidróxido carbonatado de calcio y magnesio).

La sodificación se produce cuando  hay un elevado contenido en Na+ en la solución del suelo en relación con el Ca2+ y Mg2+, dando lugar al incremento de este ion en el complejo de cambio, lo que provoca, dada su baja densidad de carga, el aumento del espesor de la doble capa difusa (hinchamiento de arcillas), repulsión entre los coloides y, con ellos, la dispersión de la arcilla y la solubilización de la materia orgánica. 

La alcalinización del suelo es un proceso que también está asociado al exceso de Na+ de cambio en presencia de arcillas. Las arcillas saturadas en sodio en presencia de agua de lluvia y CO2 disuelto, hidrolizan liberando Na+ y OH a la solución del suelo incrementando el pH del suelo a valores superiores a 8.

NOTA: Es también importante entender que estos procesos pueden combinarse dando lugar a suelos: salinos, alcalinos (o sódicos) y salinos sódicos. Los suelos que se caracterizan por tener exceso de sales solubles se denominan suelos halomórficos. 

Las tablas siguientes se utilizan para clasificar el tipo de suelo en función de los ensayos de laboratorios realizados.

 Hablamos ahora sobre el efecto de cada uno de los tipos de suelos en relación con los cultivos y la producción.

Lectura avanzada: "Taboada MA, Damiano F, Cisneros JM, Lavado RS (2021). Origin, Management and Reclamation Technologies of Salt-Affected and Flooded Soils in the Inland Pampas of Argentina En: Taleisnik E., Lavado RS (eds) Saline and alkaline soils in Latin America. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-52592-7_11

Influencia de la acidez en la producción y su recuperación

A partir de pH de 5 o más bajos, la disponibilidad de iones como el Hierro, el Magnesio y sobre todo el Aluminio, es muy elevada pues se solubilizan y pasan a estar disponibles en el complejo del suelo. La consecuencia de la presencia de aluminio es la toxicidad en las raíces de las plantas, lo que provoca mermas en el rendimiento, el bloqueo de otros fertilizantes e incluso la caída completa del cultivo.

 Como la escala de pH es logarítmica, un pH 6 es de relativa estabilidad y con valores de 5 ya es nociva. En general la proporción de suelos ácidos en la región es escasa, produciéndose cuando se cultiva sin descansos por exceso de extracción de nutrientes por las plantas o por exceso de uso de fertilizantes nitrogenados.

La recuperación se basa en procedimientos para subir el pH hasta neutralizar la acidez. Si bien existen cultivos resistentes a la acidez, lo más recomendable es subir el pH con la aplicación de materiales básicos (calcáreos) por lo que el procedimiento se denomina encalado. El producto más utilizados carbonato de calcio CO3Ca2 entro otros recomendados. La aplicación correcta implica dosis pre-calculadas y un procedimiento adecuado en función de la pureza y finura del material a aplicar. El proceso debe ser repetido al cabo de un periodo de alrededor de 10 años en promedio.

Cuando no sea posible agregar cal, es posible incorporar grandes cantidades de materia orgánica a efectos de neutralizar el pH.

Influencia de la salinidad en la producción 

Las raíces de las plantas ejercen succión para acceder al agua disponible en la matriz del suelo. Cuando el suelo tiene humedad suficiente es poca la energía de succión necesaria y la planta se desarrolla en condiciones óptimas. En condiciones de déficit hídrico, la planta necesita más energía de succión, entrando en stress hídrico. Sin embargo, la presencia de sales solubles (cloruros y sulfatos), eleva el componente osmótico en el potencial agua de los suelos. Esto hace que para el mismo contenido de humedad en el suelo, la planta requiera de mucho más esfuerzo de succión para conseguir la misma cantidad de agua. El resultado es la menor disponibilidad del agua para las plantas que entra en estrés hídrico.

La tolerancia a las sales es la capacidad que tiene una planta de mantener los principales procesos fisiológicos, especialmente el crecimiento, en un medio salino. El aumento en el contenido salino del suelo produce el retraso y la disminución de las tasas de germinación, emergencia y crecimiento, y puede provocar la muerte de las plantas.

La salinidad causa normalmente una caída en la producción de biomasa aérea y subterránea, afectando más a una u otra según la especie vegetal. En los cultivos causa una importante caída del rendimiento de la parte cosechable. 

El proceso de salinización se revierte con el lavado de las sales mediante técnicas de riego complementario con agua de bajo contenido salino y/o con lluvias. El agua diluye la sal aumentando el contenido salino de las mismas y reduciendo el de los suelos. La velocidad del proceso de recuperación está también directamente asociado a la eficiencia del drenaje de las aguas que ya salinizadas deben abandonar el perfil de suelos lo más rápidamente posible.

Influencia de la sodicidad en la producción

Debemos hablar aquí de suelos sódicos y alcalinos, donde el nivel de sodio es muy elevado.

El presencia de sodio afecta las propiedades físicas del suelo y se evidencia por fenómenos de hinchamiento y dispersión de coloides (materia orgánica + arcillas). El hinchamiento de las arcillas ejerce presión en la matriz de suelo. La arcillas afectadas se comportan de manera independiente y se trasladan en suspensión coloidal, obstruyendo totalmente los poros naturales del suelo por donde el agua drena.

Estos agregados quedan libres y y dejan de estar confinados en la matriz del suelos. Los que están en la superficie son afectados por la lluvia. Cuando la intensidad de lluvia excede la ya escasa infiltración, la acumulación de agua en superficie facilita la dispersión de las arcillas. La presencia eventual de CaCO3 evita la floculación de las arcillas, pero si el agua de superficie es de lluvia no hay abundancia de CaCO3. Al secarse se forman costras superficiales de arcilla pocos milímetros de profundidad cuya infiltración es varias veces inferior a la del suelo subyacente. (Ver foto de la formación de costra arriba).

Otra característica distintiva de los suelos sódicos es la baja movilidad del agua. Por un lado, ello se debe a que gran parte del agua está fuertemente retenida a las arcillas y permanece prácticamente inmóvil (“agua muerta”). Por otro lado, el sistema de poros se encuentra colapsado por la inestabilidad de los agregados.

En resumen la sodicidad en superficie limita la infiltración del agua en la matriz del suelo manteniéndola en superficie modificando el microambiente muchas veces alejado de lo que es esperable por el clima del lugar.

Debido a la escasa infiltración, la capacidad de almacenamiento de agua es muy baja, por lo que el suelo sólo puede satisfacer por un corto lapso los requerimientos hídricos de las plantas. Esta es la razón de las particulares características de "sequía inducida" que presentan los suelos alcalinos.

Adicionalmente, la presencia de sodio puede tener un efecto directo sobre la planta, ya que un aumento de su concentración interfiere en el metabolismo celular, interfiriendo en el transporte de otros iones y causando pérdidas excesivas de agua. A diferencia de lo que ocurre en suelos salinos, en suelos sódicos el exceso de Na+ va acompañado de una baja concentración de Ca2+, lo cual puede provocar desbalances iónicos en la planta. El resultado de estos procesos es la gradual caída de los rendimientos de las plantas a medida que la alcalinidad aumenta.

La recuperación de suelos sódicos y alcalinos es un proceso posible pero caro y complejo. Por un lado requiere el agregado de yeso durante el proceso de rotación de cultivos, llevándolo hasta por debajo de las raíces de los cultivos. El yeso reemplazará el sodio por calcio. También se puede acidificar con azufre. Además se debe incorporar una red de drenaje. Es recomendable el cultivo de leguminosas (lotus tenuis). Se debe evitar el uso de fertilizantes acidificantes.

Problema 3: Entender la sinergia "relieve-suelos-vegetación" para identificar sectores recuperables

Resumen de capítulo: Si desea una explicación somera del problema 3 el resumen es que el control de anegamientos se maneja por ambientes. Hay cuatro ambientes tradicionales en la región, loma, media loma, tendido alcalino y bajo dulce. La identificación de esos ambientes es crucial para un modelo de recuperación robusto. Estos ambientes están totalmente integrados en relación sinérgica con los suelos y la vegetación nativa o implantada. Debido a esa sinergia, es posible inferir la calidad de suelos subyacentes con observaciones superficiales. Para más detalle lea a continuación sino puede seguir al apartado siguiente: La agrohidrología como base de solución. 

Los suelos de la región conviven en sinergia con la topografía, la vegetación y la presencia de aguas y otros químicos comunes en el suelo como las sales y sodio. Como el estudio detallado de suelos a campo requiere mucha investigación y la ejecución de ensayos costosos como son las calicatas y ensayos de laboratorio, entender esta sinergia permite en muchos casos, no todos, inferir desde la superficie la condición de los suelos. Es decir, identificando especies vegetales, condiciones superiores de textura y la localización del relieve se puede reducir notablemente el número de ensayos necesarios para identificar el tipo de problemas del suelo subyacente.

Esta sinergia, hoy denominada agricultura por riesgo hídrico de ambientes, permite dividir los ambientes de la región en 4 tipologías distintivas (ver figura abajo).

• La "loma", son suelos agrícolas que se encuentra en relieves positivos, sus suelos son profundos, ligeramente ácidos y no salinos, bien drenados y está frecuentemente modificada por el uso agrícola.
• La "media loma", es un ambiente de transición entre la loma y el tendido. Tiene características superficiales de loma y en profundidad presenta problemas de hidro-halomorfismo.
• El ambiente "tendido" (bajo alcalino)  se asocia a suelos someros (de muy poca profundidad), salinos y alcalinos, con inundaciones muy frecuentes y napa freática salina a baja profundidad.
• El "bajo dulce", se asocia con sitios periódicamente inundables y con la napa freática a poca profundidad; los suelos son no salinos, ácidos en superficie y en profundidad con fuertes rasgos hidromórficos (hierro reducido).

La técnica de recuperación se centra en identificar suelos salinos y alcalinos con problemas de hidromorfismo en presencia individual o combinada. Según "lo que haya" en cada lugar, las opciones de recuperación son diferentes. Es por tal motivo que el reconocimiento de campo es intensivo en agrohidrología.

Vegetación natural en las áreas afectadas

El tema de la sinergia expresado arriba se complementa con el detalle de la vegetación natural que se encuentra en los ambientes afectados por halomorfismo. Esta descripción es fundamental, no solo desde el punto de vista de integrar la solución agrohidrológica, sino como se indicó, para reducir costos entendiendo que la aparición en superficie de algunas especies vegetales implica la presencia de cierto tipos de problemas de suelos hidromórficos que la técnica busca, reduciendo enormemente los costos de campo e investigación de suelos por medio de calicatas.

En la literatura científica la descripción de las especies es completa. El siguiente cuadro describe alguna de las variedades vegetales más comunes y reconocibles.

Algunas plantas indicadoras de suelos salinos, salino-sódicos y anegables (en amarillo las más representativas)

Explicada la complejidad del proceso de anegamientos de los suelos, pasamos a la explicación de como la técnica agrohidrológica, es la primera línea de solución de estos problemas.

Izquierda (estado natural): escurrimientos anárquicos provenientes de áreas superiores causal del anegamiento del campo  (animated GIF).

Derecha (sistematizado): Encauzamiento, control, almacenamiento y evacuación de excesos provenientes de áreas superiores (animated GIF).

Modelación HEC RAS de anegamientos provenientes de áreas superiores sobre un modelo digital de terreno de alta precisión

Para excesos de escurrimiento proveniente de áreas interiores:

Una vez protegida de escurrimientos superiores, el área sistematizada solo queda expuesta a la lluvia local. Esta agua de alta pureza, sin contenido de sales, cuando no es excesiva, es beneficial básicamente para todos los fines productivos.

Si un área salinizada es expuesta a agua de lluvia, con el tiempo el agua lavará las sales siempre y cuando se ofrezca un drenaje adecuado. Los cultivos en estas zonas reciben ahora sólo agua de calidad superior y la oportunidad de mejora está certificada.

Cuando las lluvias son excesivas se pueden producir encharcamientos internos. Es importante entender que una vez que el área esta sistematizada, el volumen de escurrimiento interno es muy inferior al volumen cuando el área no está sistematizada puesto que solo se trata del volumen caído dentro de cada circuito hidrológico.

Por tanto, por un lado el volumen es poco y con agua de alta calidad, por lo que el diseño evita su conexión con aguas externas. Se prioriza la evacuación del agua externa, reteniendo el agua interna en el campo. 

La idea es dar mayor oportunidad de transportar verticalmente el agua interna a la atmósfera por evapotranspiración y al manto freático por infiltración, permitiendo así un almacenamiento superficial y edáfico utilizable durante períodos de déficit hídrico. Esta práctica es una solución realista dentro del posible contexto económico, frente a aquellas inundaciones prolongadas y recurrentes de baja carga hidráulica que son comunes en los llanos. La permanencia durante algunos días de agua interna en superficie es inocua, y una vez que los excesos externos han pasado, lo que reste de los internos es evacuado por las mismas vías de evacuación interna en forma controlada. 

Resumen

En resumen, los procesos que ocupan a la técnica agrohidrológica son:

• Ordenamiento y control de los escurrimientos superficiales externos e internos.
• Depresión y control de la capa freática en zonas salinas facilitando el lavado de sales.
• Por lo anterior, reducción de la capilaridad en suelos.
• Desacople de las aguas dulces de las salinas.
• Las estructuras de acumulación (presas y expansiones), pueden eventualmente utilizarse para un riego complementario limitado al área de influencia.
• Dar "piso" a las áreas anegadas permitiendo la incorporación de mejoras como la integración de químicos o materia orgánica, reimplantación de pastura para cobertura y fertilización.
• Recuperación paulatina de la cobertura de suelos.
• Aumento de la infiltración en tiempo debido al aumento de la materia orgánica disponible o por tratamiento.
• Incremento de pasturas para producción animal.

Fue Florentino Ameghino el primer naturalista que entendió que en la región pampeana se alternan períodos de excesos hídricos con sequías.

A diferencia del fenómeno de excesos que puede presentarse en forma de un único evento de lluvias extraordinarias o una sucesión de días de lluvia, la sequía siempre se presenta como acumulación prolongada de días de falta de agua (en firma de dosis) durante períodos de alta demanda solar, generalmente en primavera-verano. 

La ciencia define como "anomalía de algún parámetro" cuando un valor de este de desplaza muy por encima o por debajo de su media. La acumulación sucesiva de una anomalía como podrían ser valores mensuales bajos de humedad de suelo, crea una acumulación serial de anomalías que una vez que supera un umbral establecido define el inicio de un período de sequía. 

Durante una sequía no hay muchas opciones. La ciencia está mejor preparada para monitorear el progreso de una sequía y a través del pronóstico meteorológico, predecir si habrá continuidad o conclusión. Esa predicción es tan precisa como la de las variables meteorológicas, es decir, no va más allá de una o dos semanas.

Incrementando la capacidad de retención superficial por medio de presas y expansiones, la tecnología agrohidrológica brinda la oportunidad de disponer de agua en superficie por más tiempo que cuando el campo no está sistematizado, además de facilitar la recarga del primer acuífero.

Es condición del cálculo hidráulico que el sistema diseñado sea capaz de contener al menos toda el agua que es propia pues cae en el establecimiento. Un buen diseño puede extender la disponibilidad de agua reduciendo los efectos devastadores de la sequía siempre y cuando el agua retenida sea de origen pluvial.

Esta retención adicional implica que se deban establecer estructuras de regulación de salidas de caudales, por ejemplo compuertas o vertederos de altura. Este tipo de estructuras no es usual cuando el diseño agrohidrológico solo se contempla para épocas de excesos. Sin embargo, la existencia de la obra hace que la incorporación de estas estructuras sea puntual, por lo que una estructura puede controlar el escurrimiento de una gran áreas de aporte, reduciendo el efecto devastador de la sequías.