parametros ambientales que afectan la temperatura del suelo en

Agronomfa Costarricense 26(1): 43-62. 2002

PARAMETROS AMBIENTALES QUE AFECTAN LA TEMPERATURA DEL SUELO EN TURRIALBA, COSTA RICA Y SUS CONSECUENCIAS PARA LA PRODUCCION DE CULTIVOSI WarrenForsythe* Palabrasclave:Radiaci6nbimodal,Ecuadorclimatico,advecci6n.

RESUMEN En Turrialba, CostaRica, la radiacionsolar (Rs)duranteel ano esbimodale influye sobre la media de temperaturadel ambientey del sue10.Dicha variacion esta influenciadapor las fechasde 16de abril y 26 de agostoquecorresponden alas epocascuandolos rayosdel sol de medio dia caen perpendicularmentea la superficie del orbe y proporcionanla intensidadmaxima. En cambio,el dia maslargo del ano,el 21 dejunio, tiene muy poco efecto sobrela temperatura del ambientey del suelo ya que a esta latitud (9,88°N)la variaciondel largo de dia es muy poca. Los picosbimodalespuedenversesuprimidos 0 desplazadospor la ocurrenciade lluvias y la nubosidad. Los picos de radiacion promedio mensualestanseguidospor picos de temperatura promedioambientalmensualun mesdespues,los cualesson la culminacion de epocasde calentamiento acumulativodebidoa que la energiarecibida de la radiacion diurna sigue en excesode aquellaperdidaduranteel enfriamientonocturno hastallegar a tal culminacion.Despuesde la culminacion sigue una epocade enfriamientoacumulativo. Los picos de temperaturaambiental mensualcoincidencon los picos de temperatura mensualdel suelohasta30 cm de profundidad.A una profundidad mayor de 10 cm las medias anualesde la temperaturadel suelo varian muy poco con la profundidad siguiendo el modelo

11 *

Recibidoparapublicaci6nel27 agostod_el2001. Centr?de Investigaciones Agron6micas,Universidad de CostaRica. SanJose,CostaRica.

ABSTRACT Environmental parameters that affect the soil temperature in Thrrialba, Costa Rica and their consequencesfor crop production. In Turrialba, Costa Rica solar radiation (Rs) is bimodal during the year and it influences the meanambientand soil temperatures.This variation is influencedby the dates16 of April and26 of August which correspondto periodswhen the solar rays at midday are perpendicularto the earth'ssurfaceandprovide maximumintensityat this latitude(9.88°N). On the otherhand,the 2151 of June,the longestday of the year, has very little effect becausethe variation of day length is very small.The sametendencyis observedin the rest of Costa Rica. The bimodal peaks can be suppressedor displacedby rain and cloudiness. The peaksof averagemonthly radiation are followed one month later by peaks of average monthly ambient temperature,which are culminationsof periodsof accumulativeheatingdueto energy received during diurnal radiation being greaterthan that lost during nocturnal cooling, until such culmination is reached.After the culmination, a period of accumulativecooling follows. The peaksof monthly ambient temperature coincidewith the peaksof monthly soil temperatureup to 30 cm depth. At depth6greater than 10 cm, the mean annual soil temperature varies very little with depth thus following the

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AGRONOMIA COSTARRICENSE

explicadopor Montieth y la Taxonomfade Suelog.En cambioentre0-10 cm, lagmediasanuales seencuentranen unaposici6ncentralcon respecto a lag mediasmensualesy muestranuna tendenciade aumentohaciala superficie.La temperatura a 10 cm muestraun valor mfnimo, sugiriendo una salida de calor a esta profundidad, dondeunalluvia fuerte cafdaen la nochey su nubosidadacompafianteal dfa siguiente,queenfriaron el suelo hasta20 cm de profundidad.Posteriormente la trama 0-10 cm se recalent6,dando comoresultadouna tendenciade un mfnimo a 10 cm de profundidad apreciable en log valores mensuales.Esto demuestraun enfriamientoen el subsuelopor una advecci6nde aguafria causada por la penetraci6ndel aguade lluvias. La temperatura promedioanualdel suelo a 50 cm de profundidad(T50)en Turrialbaesel 25,4°Cy la fluctuaci6ndel promediomensualesde 1;9°C;de esta manera,el regimen temperaturadel suelo segun el sistemataxonomicode suelosde log Estadog Unidos es isohipertermico.El promedio de temperaturaanualdel sueloa 50 cm (T50)menos el promediode temperaturaanualambiental(Ta) es de 3,800C.En otras partesde CostaRica esta diferenciavaria entre2,2°Cy 3,9°C,valoressimilares a log encontradosen Venezuela(2-12°N). En cambio para la mayoria de log EstadosUnidos, el valor es de 1°C.Las plantasen el campo crecenbajo temperaturasfluctuantesambientales y no en temperaturasconstantestal como ocurre en experimentoscontrolados.Las observaciones de Trojer en Colombia sobretemperaturascriticas para cultivos en la zona tropical, permiten identificar un ecuador climatico a 5°N (region dondehay un desplazamientode la estaci6nseca de 6 meses).Estasobservacionessobreel ecuador climatico, indican que al desplazarseentre 8°N j' 4°N, el afio con la estacionsecade eneromarzosecambiaa uno con 2 estacionessecasen enero-marzoy agosto-octubrey luego a 1 afio con una estacionsecaen agosto-octubre.Estafaja tiene muy poca variacion de la temperatura media mensual ambiental. Datos de Forsythe confirmanlas mismastendenciasen las planicies costerasde Guyana.

model explained by Montieth and Soil Taxonomy.On the other hand,between0 and 10 cm, the annualmeansarefound in a centralposition with respectto the monthly meansand they showa tendencyto increasetowardsthe surface. The temperatureat 10 cm shows a mininum value suggestinga heatsink at that depth.This is explainedby a heavyrain during the night andits accompaning cloudiness the following day, which cooledthe soil to 20 cm depth,and subsequently the 0-10 cm section was reheatedand this resultedin a tendencyfor a minimum at 10 depth seenin the monthly values.This demonstratesa cooling in the subsoil by the addvection of cold water by the penetrationof rain water. The averageannual soil temperatureat 50 cm depth (T50)in Turrialba is 25.4°Cand the fluctuation of the monthly averageis 1.9°C,and as a result,the temperatureregimeof the soil taxonomy systemof the U.S.A. is isohyperthermic.The annual averageat 50 cm depth (T50) less the annualambientaverage,Ta' is 3.800C.Valuesfor other partsof CostaRica vary between2.2°Cand 3.9°C and they are similar to values found in Venezuela(2-12°N).On the other hand,the value is 1°Cfor the majority of the U.S.A. Plantsin the field grow under fluctuating ambient temperaturesandnot in constanttemperaturesasoccurin controlled experiments. The observations of Trojer in Colombiahavemadean importantcontribution aboutthe critical temperaturesfor crops in the tropical zone, the identification of the climatic equatorat 5°N (where there is a displacement of the dry seasonby 6 months).The observationsof Trojer about a transition zone of what he calls the climatic equatorin Colombiaindicate that in going between8°N and 4°N, the yearwith a dry seasonin January-Marchchangesto one with 2 dry seasonsin January-MarchandAugustOctober and then to one with a dry seasonin August-October.This belt has very little variation of the mean monthly ambient temperature. Dataobtainedby Forsytheconfirm the sametendenciesin the coastalplanesof Guyana.

FORSYTHE: Parametrosarnbientalesque afectanla temperaturadel suelo.

INTRODUCCION La temperatura del suelo afecta la selecci6n de la fecha de siembra, el crecimiento de las plantas y los microorganismos y las propiedades del suelo a traves de su grado de meteorizaci6n. En las zonas tropicales, las fluctuaciones estacioDales de la temperatura del aire y del suelo son menores que en la zona templada y las fluctuaciones diarias son de mayor magnitud que las estacionales. En el suelo, la penetraci6n de las fluctuaciones diarias de temperatura alcanza basta 20 a 30 cm de profundidad, las fluctuaciones mensuales basta 2 m y las anuales basta 10 m de profundidad (Trojer 1966a, Allen et al. 2000). El control de la temperatura del suelo puede darse seleccionando la zona ecol6gica, el manejo de la sombra, el tipo de cobertura, la profundidad de siembra, el riego y el drenaje. Para definir los regfmenes de temperatura del suelo, se mide esta variable a 50 cm de profundidad, ya que esta fuera del alcance de las fluctuaciones diarias. A esta profundidad en las zonas tropicales, la diferencia de temperatura media del mes mas caliente y la del mes mas frio es de 5°C 0 menos y, segun el piso altitudinal, puede considerarse isohipertermica (temperatura media anual a 50 cm de profundidad mayor a 22°C), isotermica (15-22°C), isomesica (8-15°C) 0 isofrigida « 8°C) (Soil Survey Staff 1999). La radiaci6n solar que calienta la superficie del orbe es de onda corta y mayormente visible. Dicha radiaci6n viene del espacio y antes de entrar a la atm6sfera se llama la radiaci6nextraterrestre (Ra). Cuando esta radiaci6n penetra la atm6sfera, parte de la misma es difundida, reflejada 0 absorbida por los gases atmosfericos, las nubes y el polvo; ala radiaci6n resultante que llega a la superficie de la tierra se Ie llama radiaci6n solar (Rs) 0 radiaci6n de onda corta. Parte de la radiaci6n extraterrestre reflejada vuelve al espacio, mientras que la radiaci6n absorbida calienta la atm6sfera y produce radiaci6n infrarroja 0 radiaci6n de onda larga (RL). Cuando la Rs toca la superficie de la tierra, una fracci6n de la misma, conocida como albedo (a), es reflejada, por 10 que queda la radiaci6n solar nero en la superficie (Rns)' Una parte de la Rns calienta la superficie

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del orbe y produce radiaci6n de onda larga que va bacia arriba (RL,arriba)'Una parte de la RL,arribase escapaal espacio y la otra parte junto con otra radiaci6n es absorbida en la atm6sfera mayormente por vapor de agua y nubes, radiandose bacia abajo como radiaci6n de onda larga (RL,abajo)'La superficie del orbe recibe y emite radiaci6n de onda larga, de maDera que la RL,arriba menos la RL,abajo es igual a la radiaci6n neta de onda larga (RnL)' llamandose la suma de Rnsy RnL radiaci6n nero (Rn). En un dfa sin nubes 0 sea un dfa de cie10claro, Rs es aproximadamente 75% del Ra y se llama la radiaci6n de cielo claro Rso' La relaci6n RslRsoes 1,0 en un dfa despejado y 0,33 para una cobertura densa de nubes (Allen et al. 2000). El flux cal6rico del suelo (G), es la energfa utilizada para calentar el suelo, siendo positivo cuando se calienta el suelo y negativo cuando el mismo se enma. El flux es el termino apropiado en fisica para la rata de flujo de una cantidad a traves de una superficie (Soil Science Society of America 2001, TreybaI1988). En este caso, la cantidad es energfa cal6rica. Durante el enfriamiento, la energfa perdida por el suelo se debe agregar a la Rn' tal como se hace al evaluar la evapotranspiraci6n y viceversa y como se resume en la ecuaci6n del balance de energfa para una superficie evapotranspirando (Allen et al. 2000, Ecuaci6n 1 en dicha referencia). Rn-G-AET-H=O

(Ecuaci6n I)

En la Ecuaci6n I, ET es la evapotranspiraci6n en mmdfa-l, A es el calor latente de vaporizaci6n (2,45 MJmm-lm-2 a 20°C) y H es el calor sensible producido para calentar el aire y los cultivos en MJm-2dfa-l. El valor de G se puede considerar al nivel diario como el calentamiento del suelo durante el dfa y su enfriamiento durante la noche basta 20-30 cm de profundidad 0 basta 2 m al nivel mensual 0 estacional. Por ejemplo, en su modo de calentamiento estacional, el calor recibido durante un dfa es un poco mas que aquel perdido durante la noche siguiente, por 10que se van agregando incrementos de calor diarios al suelo basta 2 m de profundidad. El modo de enfriamiento ocurre en forma inversa al de calentamiento.

46


Sep1ante6el presentetrabajocon el fin de analizar1asre1aciones entrelagvariablesambientales (temperatura,ambiente, lluvia, radiaci6n solar e inso1aci6n),y 1a temperaturadel sue10 medidaa 2, 5, 10, 20 Y 50 cm de'profundidaden 1azona de Turrialba. De estamanerase identifica el comportarnientode la temperaturadel sue10pararelacionar10con parametrosde comportamientode plantasen funci6n de estavariable.Se inc1uyeunarecapitulaci6nte6ricasabretemperatufa del suelo para faci1itarleal lector la comprensi6ndel documento.

MATERIALES Y METODOS La estaci6n meteoro16gicadel Centro Agron6rnicoTropical de Investigaci6nde Ensenanza(CATIE) en Turrialba, estaubicadaa una latitud de 9,88°N y 83,60°0, a una altura de 602 m. La estaci6ncontabacon un term6grafoaim de altura,p1uvi6grafo,radi6metrosolar y term6metrosmaxima y minima a 2,5, 10,20 Y 50 cm de profundidaddel suelo.La lluvia anualpromedio esde 2662mm y la radiaci6nsolardiaria promedia es de 17,4 MJm-2. El areacercadade la estaci6ntiene zacatey log term6metrosse instalaron en una zona de sue10desnudode la serle Margot (Typic Dystrudepts)con 32% de arci1la, 40% de limo y 28%de arena,densidadaparentede

0,88Mgm-3,densidad de s6lidosde 2,46Mgm-3, capacidad decampogravimetric a de50%,pH en I

que tienenpara la zonatropical Americanay para apreciar10sanalisisde estetrabajo.

RESULTADOS Y DISCUSION La Figura 1 muestraque 1aradiaci6nsolar esbimodal durantee1aDoe influye sabrelagmedias [(max+min)2-1]de 1astemperaturasambientales y del suelo (Forsythe 1999). La variaci6n bimodal de la radiaci6nestainfluenciadapar lag fechasdel16 de abril y 26 de agostoque correspondena log momentoscuandolog rayosdel sol de mediodfacaenperpendicularmente a 1asuperficie del orbe a estalatitud y proporcionanla intensidadmaxima. En cambiael dfa maslargodel ana, 21 de junia, tiene muy poco efecto,ya que 1avariaci6ndel largo del dfa es muy poca. Cabe notarqueen 10scuadrosde radiaci6nextraterrestre para looN tambien se muestrauna variaci6n bimodal con picas en abril y agosto(Doorenbos y Pruitt 1990). Datos de Castro (1987) indican la misma tendenciaen otras partesde CostaRica, aunque en Guanacasteel pica en agostoesta suprimido

28 Suelo

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27

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agua 5,3, MO de 6,4%, CIC 41 cmol(+)kg- , y:.

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18% de saturaci6n de bases para el horizonte su-

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na y nocturnase us6 el cuadra2,8 de Allen et at. (2000). Parael calculo del flux diurno de calor del suelo se hizo una regresi6nelaboradapar el autor,paradeterminarla profundidadde penetra-

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ci6n del calor diario.Las figurasde Trojer(de publicaci6n 1imitada) se repitieron en e_stetrabajo para su mayor difusi6n, dada la importancia

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21 Amblente

(inclusive) se realiz6 graficando log promedios

del suelose us6 la f6rmulaN°41 (Allen et at. I d. ' ' ; aslffi1SmO; paraestlmar a ra laCI6n dlur-

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El analisis de 10s datos entre 1967-1972

de temperaturade sue10,ambiente,radiaci6n y lluvia. Parael calculo del flux del calor mensual

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Mes Fig, I.

Promediode los datosmeteorol6gicos de 19671972,Turrialba,CostaRica.

FORSYTHE: Parametrosambientalesque afectanla temperaturadel suelo.

por las altas lluvias y nubosidadacompafiantey en Turrialba esta desplazadoy parcialmentesuprirnido por las lluvias. Las mismastendenciasse observan en datos del IITA, Nigeria, latitud 7,50oN(Harrison-Murrayy Lal1979) y del IRRI en Los Banos,Filipinas, latitud l4,17°N (Haws et at. 1983). Al desplazarsedel Ecuadorbaciael Norte hay un acercarnientode las 2 maximas,bastaque los picos se funden en uno solo a la altura del Tr6pico de Cancer(23,4°N), por 10que a partir de esta latitud bacia el norte hay una variaci6n unimodal de la radiaci6n y por 10 tanto de las temperaturas.En estecaso,la maxima tiende a acercarsea la fecha21 dejunio; 10mismo ocurre en el hemisferio sur con 6 mesesde desplazarniento. Alvarado y Guevara(1988) estudiaron datosde la Estaci6nExperimentalde Chipiriri de Bolivia a 16,08°Sy 250 m.s.n.m y-sus datos tnuestranun acercarnientoentre los picos bimodalesdel promedio de la temperaturaambiental diaria; en estecaso,los promediosde noviembre, diciembre y enero son 26,2, 25,9 Y 26,2°C,respectivamentey el aumentode temperaturadurante el dfa maslargo, el 21 de diciembre,tiene mayor importancia. En la Figura 1 senotaquelos picosde temperaturamensualambientalenTurrialba,tiendena coincidir con los picosde la temperaturamensual

47

del suelode 2 a 50 cm de profundidad. Sin embargo,los picos de temperaturamensualambiental (mayoy octubre)atrasanlos picos de Rsmensual(abril y setiembre).Esto seobservaen otros lugarestropicales(Harrison-Murrayy Lal1979, Hawset at. 1983)y en lugarestempiados(Hanks y Ashcroft 1980) en Logan, Utah dondehay un atrasode 6 semanas. Estecomportarnientose debeal almacenarniento acumulativo de calor a nivel mensual cuandoel flux diumo esmayorqueel flux nocturno duranteel modode calentarniento, a la saliday entradaigual de calor duranteel mes con picos maximos0 minimos (cuandoel fluxdiumo iguala al flux noctumo)y ala perdidaacumulativade calor duranteel modo de enfriarniento(cuandoel flux diumo esmenorqueel flux noctumo).Lo anterior seexplicacon el modelode almacenarniento dinamico estacionarioen Miller y Thompson (1970) y es una raz6npor la cual se ha criticado f6rmulas de evapotranspiraci6n como la de Thorthwaite,las cualesdependensolamentede la temperatura(Chang1961,Pruitt y Angus 1961). Los caIculosde G mensualparaTurrialba se hicieron siguiendo el modelo descrito en el cuadro1; en la Figura 2 semuestrael modelodel flux diumo comparadocon el flux noctumo del suelo, considerandolos ajustesde su diferencia establecidosen el cuadro 1. El cuadro2 explica

Cuadra 1. Flux de calor mensualdel sueloen Turrialba,CostaRica.

Mes

Marro Abril Junio Julio Setiembre Noviembre Diciembre Enero

Temp.prom. ambiental del mes posterior

Temp.prom. ambiental del mes anterior

Tp'oC

Tat'OC

22,5 23,2 21,7 21,6 22,3 20,6 20,4 20.2

20,2 21,1 23,2 22,9 21,6 22,3 21,2 20,6

Flux mensualde calor del suelo MJm-2dia-l,usando 0,171 (Tp-TaJ*

0,393 0,147 -0,324 -0,222 0,049 -0,29 -0,137 -0,068

* F6rrnulaNo.41 de Allen et al. ( 2000). Flux= C*(T 2-T J*Prof. del suelo par intervalo de tiempo en dfas. C es la capacidad calorifica volurnetrica del suelo, 2,56 MJm-3 °C-I Prof.= 2 m, intervalo= 30 dias. T 1= temperatura, al inicio del mes y T 2= temperatura al final del meso(T 2-T 1)= 1/2(T p-T aJ

48


el caIculodel flux diumo de log datosmeteorol6gicos y el cuadra 3 su calculo de 10sdatos de temperaturadel suelo, valores comparablesa aquellosmedidospar placasmetalicasde flux de calor. Montieth (1958) en Inglaterra, duranteel roesde junio encontr6que el flux diumo es casi igual al flux noctumo con un valor de 2,1 MJm-2 y Lascano(2000) en Texas,U.S.A., duranteel roesde agosto,encontr6valoresde 2,2 en lagcamasde siembray 5,2 MJm-2en log surcos. Estos mesesseaproximana la epocajulio-agostocuando ocurreel maxima anualunimodalde temperatufa ambientalde latitudesmasal norte y explica la casi igualdadde log fluxs diumo y noctumo. Montieth (1958),us6Rn(nocbe)paraestimar el flux noctumo en un suelo aparentemente seco,bajo condicionesnubladaspero sin lluvia reciente. Si seaplicaestaf6rmula a log datosdel cuadra 2, se nota que el flux noctumo estimado es alga mellor que log valoresen la figura 2. Las

diferenciassepuedenexplicar par el enfriamiento del suelo par procesosdiferentesde la radiaci6n tal como la advecci6nde aguafrfa de la lluvia que penetrael sueloy par la evaporaci6ndel suelo,el cual tiende a estara capacidadde campo casi todo el ano. Hanks et ai. (1967) ban demostrado el enfriarniento sustancial del suelo provocadopar la evaporaci6ndel suelo mojado; asimismo,la Taxonomiade Suelosmencionade un enfriarniento de basta 8°C par evaporaci6n (Soil SurveyStaff 1999). Montieth (1979), indica que la temperatura media anual del suelo debe ser casi independientede la profundidaddel mismo si sepresume que no bay un almacenamientoneto de calor en la tierra de un ano al otro. El almacenamiento anualde calor en el suelosera: f k(oT/oz)dt=O

(Ecuaci6n2)

Cuadro2. Calculo de la radiaci6n neta diuma y noctuma.y el Flux diumo de calor del suelo de los datosmeteorol6gicosde 1967-1972de Turrialba. CostaRica.

Mes

Feb.

Abr.

May.

Jul.

Ago.

Oct.

Dic.

T.IX"ffi._. °C T. pom.min.°C T.pompom.°C Radiaci6nsolar.R, MJm-2dia-1 Radiaci6nextraterr'estre. R.. MJm-2dfa-1 Radiaci6ncieloclaro.Rso=R.(O,75+z*2*IO'S), z=aItura,m

25.4 16,6 20,2 18,1 34.5 25.9

26,8 19,3 22.5 20.1 37.9 28.4

27,6 18,7 23.2 20.0 37.6 28.2

26.7 18.7 21.7 15.8 37,1 27,8

27 18.4 21.6 17.4 37.5 28,1

26.9 18.9 22.3 19.0 35.1 26.3

25,4 17,3 20.6 15.0 31.0 23.2

RfRso HR (prom.),% HR (max.),% HR (mfn.),% Presi6ndevapora Tmf..
0.70 85,9 100.0 58.7 1,87 1.9

0.71 0.71 0,57 85,4 87,4 90.0 100.0 100.0 100,0 58.0 60.7 64,5 2,24 2,16 2.16 2,01 2,24 2.26

0.62 89.2 100.0 64,8 2.12 2.3

0.72 89.3 100.0 63.6 2.18 2.25

0,65 89,5 100.0 66,4 1.97 2.15

f(RfRso>=1.35(RfRso>-O,35 f{(e.)T._)= O,34-0.14{(e.~._)1/2 f{(e.)T.mrn)= 0.34-0.14{(e.)T.mIn) 1/2

0.6 0,608 0,608 0,42 0.49 0.622 0,53 0.147 0.14 0.13 0,129 0,128 0,13 0,135 0,147 0,13 0,134 0,134 0,136 0,133 0,143

Rad.deondalargaa TmIn.~.mIn.MJm'2dia-r 34.56 35.87 35,58 35.58 35.43 ~_,MJm-2dia-1 (verAllen et al. 2000.Cuadro2.8) 39,06 39.69 40,11 39.64 39,8 LRNeiar._.= ~._.*f{(e.)T._.}*f(RfRso) MJm-2dfa-1 3,44 3.38 3,17 2,15 2,5 LRNeiar.mIn.= ~.mIn.*f{(e.~.mIJ*f(RfRso> 3,05 2.83 2.9 2.0 2.36 LRNetolKJChe.12h= 1/2{3LRNT._.+5LRNT.mfn}8-I, MJm-2(12 hjl* 1.6 1.52 1,5 1,03 1,21 LRNetodla,12h= 1/2{5LRNT._.+3LRNTmIJ/8,MJm-2(12 hjl* 1.65 1.59 1.84 1.05 1.22 Rad.solar neta.R,n.= (l-a)R,.a =aIbedo=O.2 14.5 16,1 16,0 12,6 13.9 Rad.neta(dfa,12 h),R,(dia)={Rsn-RNetodia,12 h} 12.8 14,5 14,16 11.5 12.7 R,(noche)=-LRNetolKJChe.l2h. MJm-2(12 hj1. 1.6 1,52 1.50 1.03 1.21 Fluxdel suelo(dia, 12h)= O.2R,(dfa) condici6nnublada(verMontieth1958)2;56 2.9 2.83 2,3 2.54

35,67 34,9 39,94 38,9 3.22 2.78 2.95 2,64 1.52 1,35 1,56 1.36 15.2 12.0 13.6 10.6 1,52 1.35 2.72 2,12

* De acuerdocon el promedioponderadode temperatura(aquf. la radiaci6nnetaasociada)para la zonatropical usandoel modelo: amanecery temperaturamInima 6 h, temperaturamaxima 14 h. atardecer18 h.

FORSYTHE: Parametros ambientales que afectan la temperatura del suelo.

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Meses Fig. 2.

EI flux diumo (tornado del cuadro 2) comparado con el flux noctumo (estimado por lag diferencias del cuadro I ) del suelo durante 2 epocas de calentamiento y 2 epocas de enfriamiento ambiental y del suelo.

Cuadro 3. Calculo del Flux diumo de calor del suelo (G) de las temperaturas de suelo del cuadro 4. Mes

ABC

0 ~Ts

R2

.C Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Setiembre Octubre Noviembre Diciembre

0.0119 0.0136 0.0144 0.0095 0,0133 0.0120 0.0105 0,0128 0,0119 0.0112 0,0111 0,0110

-0,8805 -0.9826 -1,0347 -0,7426 -0.9569 -0.8660 -0,7598 -0.9213 -0,8791 -0,8347 -0.8150 -0.7990

14.3 15.1 15.8 13.3 14,7 13,4 11.8 14.1 14,2 13,9 13.2 12,6

0.9787 0.9653 0.9635 0.9820 0,9703 0.9644 0.9686 0,9795 0,9777 0.9727 0,9709 0.9672

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10,1 10,7 11.1 9,4 10,4 9,5 8,3 9.9 10,0 9,8 9,3 8.9

2,61 2,58 2.68 2.72 2,51 2.31 2.04 2,40 2,57 2.62 2.41 2,20

EI modelo calcula el calor neto que entra en el perfil entre 6 h Y 18 h. hasta la profundidad P donde no hay cambio de temperatura diaria. Las P son deterrninadas por regresiones de R2 muy alIas. Sea x=prof. cm; y=Tmax.-Tmrn. (~T), de un dia para una profundidad dada. Regresi6n es: y=Ax2+Bx+C. Cuando x=O, y=C=~T(superficie)=~Ts' Modelo del calentamiento de la superficie del suelo: Tmfn.amanecer 6 h; Tmax 13 h; T'8h atardecer 18 h. ~Ts(a 13 h) se denomina ~Ts' x=prof. de penetraci6n de calor diaria. P. cuando y=O. Integral ydx(O a P)= 0 p[ Ax3/3+Bx2/2+Cx ]=S. Se compara con el area (~T/2)*P del modelo lineal de la disminuci6n de ~T con profundidad. asi: S/(P*~T/2). Flux diumo usando la ecuaci6n del cuadro 1. G=C*(T2-T1)*P(en m)/h de lapso. Donde C=2,56MJm-JoC-I. y (T2-T J=(~T/2)*S/(P*~T/2). G7h=2.56*P*{S/(P*~T/2)}(~T/2)= 2.56*S(en m x.C). MJm-2(7 h)-I. 7 h= lapso de tiempo entre 6 h Y 13 h. Reducci6n de ~Ts al valor parcialmente enfriado. ~Ts(a18h)=~Ts*5/l7OC. ~Ts(a18h)=~Ts-la reducci6n. GI2h=(~Ts (a18h)/2)*2.56P*S/(P*~T/2).MJm-2(12 h)-I. 12 h~ lapso de tiempo entre 6 hy 18 h.

En la Ecuaci6n 2, k es la conductividad termica,lJT/lJzla gradientede temperaturay t es el tiempo. Como k es finito, se concluyeque la media de la gradientede temperaturatiene que ser cero. () sea:

{J (lJT/lJz)dt}+Jdt=O

(Ecuaci6n3)

Montieth (1979)Y la Taxonomiade Suelos (Soil Survey Staff 1999) citan varios ejemplos donde las mediasanualesde la temperaturadel

50


suelo varian muy pOCO con la profundidad,si se ignoranlos primeroscentimetrosdel mismo. En el casodel presentetrabajo,selogra dichacondici6n ignorandblos primeros 10 cm de suelo.La Figura 3 muestrala variaci6n de las mediasde temperaturaanualesy mensualescon la profundidad del suelo. Las medias de temperatura anualesse encuentranen una posici6n central con respectoa las mediasde temperaturamensualesy muestranuna tendenciade aumentoen los primeros 10 cm del suelo. La temperaturaa 10 cm es la minima, sugiriendo una salida de calor de esa profundidad. Esto se explica en la Figura 4 (mes de mucha lluvia) y la Figura 5 (mesde pocalluvia) dondeuna lluvia fuerte cai-

da en la noche (despuesde las 4 p.m.) y su nubosidad acompafianteel dia siguiente,enfria el suelo basta20 cm de profundidad, con un recalentamientoposterior de los primeros 10 cm de suelo, dando una tendenciade un minimo a 10 cm de profundidad, que se observaen los valores mensuales.Esto demuestraun enfriamiento en el subsuelopor una advecci6n de agua fria por la penetraci6n de las lluvias. La posici6n central de las mediasanualescon respectoalas mensualesindica que, para una profundidaddada, el cambio neto de calor despuesde un afio seracero. Sin embargo,el modelo indicado por Montieth no incluye la transferencia de calor por advecci6n.

Temperatura media (OC) 23

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60 Fig. 3. CicIo anualde temperaturas mediasmensualesdel suelovs. la profundidadde los datosdel cuadro4.

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Las medias mensualesde la temperatura del ambiente y del suelo en la estaci6n de Turrialba se incluyen en la figura 1, en la cual se nota una tendencia a mayores gradientes(mas separaci6nde los puntas) cuando hay picas de radiaci6n solar y temperaturay de menor gradiente (menor separaci6nde puntas) en los bajos de radiaci6n. En el cuadra4 se muestralos promediosde los maximosy mfnimos paracada profundidad (Forsythe 1999).En el casode Turrialba, la temperaturamedia anual del suelo medida a 50 cm de profundidad (T50)'menosel promediode la temperaturaambiental(Ta)esde 3,8°C, una diferencia similar a la mencionada par Ramfrez (1982) de 2,2°C para Diamantes (Rsanual de 13,5MJm-2dfa-I),3°C para Nicoya (17,5 MJm-2dfa-l)y 3,9°CparaPuntarenas(17,5 MJm-2dfa-I).Estosvaloresde (T50-Ta)sonparecidos alas diferenciasde 3 a 4°C encontradasen 26 lugaresde Venezuela(2-12°N) par Comerrna y Sanchez(1982)y mayoresal valor de 1°Cmencionadoparala mayoriade los U.S.A. (Soil Survey Staff 1999).

22

23

24

En el cuadra4 se observaque la variaci6n maxima estacionalde la temperaturadel suelo a 50 cm de profundidades de 1,9°C. Este data es similar al de 2°C encontradopar Comerrnay Sanchez(1982) para 65 localidadesen Venezuela, par 10que el regimende temperaturadel sue10clasificacomo isohiperterrnico,segunla Taxonomfadel Suelo(Soil SurveyStaff 1999): Si se utiliza un valor anual de Rs=17,5 MGm-2dfa-1 (Castro1987)paraTurrialbay los datos mencionadosen los otros3 sitios en CostaRica, se puedeestablecerla ecuaci6nde regresi6n (4), entreRscomo eje X y (T50-Ta)comoejeY. Y =0,0185X 1.8358 (R2=Q,8029) (Ecuaci6n4) En los cuadros5 y 6 y en las figuras 6 y 7 (Forsythe1999)semuestralos datosde temperatufa, precipitaci6n y radiaci6n solar de un mes con poca lluvia (marzo 1972) y otto con mucha lluvia (agosto1972).En marzo 1972,se observa efectosfuertes de las temperaturascausandopicas altosy bajosen respuestaa la radiaci6nsolar.

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52

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50 60 Fig. 50

Temperaturas

medias del suelo vSo la profundidad

por la penetraci6n

de agua frfa de una Iluvia

para algunos dfas de marzo,

ligera-moderada,

Durantelos picos bajos,ademasde reducirse,las gradientespuedensernegativasindicandoenfriamiento neto, efecto facil de observaren las figuras4 y 5. La radiacionsolarpuedeserafectada por las nubes0 la lluvia diuma, no asi cuandolas lluvias caendurantela noche;esteefecto senota en los datosparael mesde agosto1972,durante el cuallas gradientessonmaslevesy con masvaloresnegativos.En las figuras7 y 4 puedeobservarse quela lluvia muy fuerteel dia 2 del mesde agostono afecto el pico de radiacionsolar ni la temperaturadel suelo, 10que sugiereque la lluvia ocurri6 en la noche. La baja de la radiacion solar el dia 3 estabaacompafiadapor una baja de las temperaturas.Se sugiereque el desarrollode una gradientenegativafuerte rue estimuladopor la lluvia fuerte durantela nochedel dia 2, queenfri6 las capasde 2, 5, 10 Y 20 cm con aguamas fria infiltrada. En marzo cayeron40,7 mm de lluvia y la mediade radiaci6nsolar rue de 22,7 MJm-2dia-l. Las medias de las temperaturasmaximas en el suelofueron 37,4°Ca 2 cm, 33,3°C 5 cm, 29°C a 10cm y 26,7°Ca 20 cm. En agostocayeron363 11

1972. Muestra

y el recalentamiento

el enfriamiento

del segmento

del suelo

de 0-10 cmo

mm de lluvia (127 mm en un dia), y la mediade radiacionsolar rue de 17,3MJm-2dia-l. Las mediasde las temperaturasmaximasen el suelofueroo 34,9°Ca 2 cm, 33,8°Ca 5 cm, 29,3°Ca 10cm y 27,1 a 20 cm. Solamentela capa de 2 cm de profundidadmostr6 un aumentosignificativo de la temperaturaen marzo, el mes mas seco. El efecto dominanterue el calentamientoacumulado en agostosuperandoel calentamientoacumulado en marzo (ver temperaturapromedio del ambienteen la figura 2). En el cuadro4 se muestradatosde temperaturasmaximasy minimas del sueloen Turrialba a nivel mensualy en los cuadros5 y 6 a nivel diario. VanWijk y deVries (1963) al estudiarlos cambiosperiodicosde la temperaturadel suelo, encontraronque el cambio de estavariablea una profundidaddada duranteel cicIo de un dia tiene un maximo y un minimo y la diferenciaentre ellos define la amplitud A de la onda y estaa su vez ~sdefinida por una funci6n seno. La desviacion de la temperaturade su mediaesA seD(rot), donde t es el tiempo y ro la frecuenciaangular que es (27t/24)h-1para una fluctuaci6n diaria y


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(2n/365)dia.l para una fluctuacion anual, la cual se aplicaria a1 cambia de la temperatura media

34

durante el ano. EI modelo desarrollado par Van Wijk Y de Vries (1963) se cumple cuando la fluctuacion anual de la temperatura es unimodal y no se puede aplicar a los cambios bimodales, los cua-

32

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diaria en IITA,

Desde el punta de vista agricola, la fluctuacion diaria proporciona informacion rea1ista sabre el ambiente del suelo para el crecimiento de 1a planta y 10s microorganismos. Montieth (1979) ha sefialado 1aimportancia de distinguir 1a respuesta de plantas a temperaturas constantes, 1ascuales comunmente se determinan en experimentos controlados para obtener maximas, minimas y optimas (Mc Michael y Burke 1998). Con

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12°N)hayunaestacion secaduranteenero-marzo, similar a la que ocurre en Centroamerica. Al atra-

.

Dt t 16 ' d 1972 Tu ' Ib a os me eoro gIcos agosto e ma a, Co$taRica.

vesar el pais en sentido de norte a sur cruzando e1 ecuador c1imatico, se observa un desplazamiento

56

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de 6 mesesde la estaci6n seca; en la zona de transici6n (8~ a 4~) aparecen 2 estaciones secas, ocurriendo la segunda en agosto-octubre, la cual sigue al ir mas al sur (Trojer 1966b). Datos de Forsythe (1978) muestran una zona de transici6n parecida en las planicies costerasde Guyana, donde Wauna (8, 18°N) tiene una estaci6n secaen enero-marzo y Georgetown (6,84°N) y Ebini (5,68°N) tienen las 2. Cayenne (5°N) en Guyana

+1

SON

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57

Francesa tiene sola una estaci6n seca de agostooctubre (Critchfield 1974). En las zonas cerca del ecuador climatico (lOON a 50S) las temperaturas medias mensuales varian poco durante el ano (Trojer 1966b). Par ejemplo la media anual ambiental de 2l,6°C de Turrialba varia :tl,5°C, mientras que para esa latitud, el valor estimado en la figura 8 es de:tl °C. Si no se dispone del valor de la media ambiental,

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SON Fig. 8.

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Diferenciasde las mediasmensuales-dela temperaturade su respectivopromedio anual en el tr6pico Americano, Trojer (1966a).

58


estese puedeestimarde la figura 9. Se interac-

5000

tua la fluctuaci6n diaria extrema con la fluctua-

ci6n estacionalextremay resultanabsolutasma-

4

ximas y mfnimas, que en el caso de Turrialba son

33,6°C(la maximaabsoluta) y de l5,6°C (mfni-

4

ma absoluta) (Figuras 10 y 11). Las plantas pue-

den soportarperfodoscortosde temperaturasex-

3

tremas si se sobrepasan sus lfmites crfticos (Tro-

jeT 1966a).La media anual ambientalde 2l,6°C

~

3

tag mencionadas.Dentro de la raja ecuatorial,

se relaciona con lag maximas y mfnimas absolu-

~ §

2500

Trojer (1966a) caracteriz6 log lfmites crfticos de

«

varios cultivos de zona caliente y de zona fria

usandola media anualdellugar dondese obser-

1

vaban log cultivos, siendo que la media anual va-

ria con la altitud de la siembra.Los cultivosen su

1

lista tienen lfmites crfticos dentro de una gama de medias anuales que oscilan entre 5 y 35°C. POT ejemplo, en 1afigura l210s lfmites criticos de caria de azucar se leen en la escala "media anual" que coinciden con log cabos del rectangulo de dicho cultivo y son 19,4 Y 29°C. Cabe anotar que la g

enetica modema ha producido

variedades de log

s Latitud Fig. 10.

Niveles isotennic?s en el tr6pico ~mericano. Temperaturasmaxlmasabsolutas,TroJer(1966a).

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Fig. 9.

Niveles isotennicos en el tr6pico Americano. Promedios anuales, Trojer (1966a).

Latitud

Fig. 11.

Niveles isotermicos en el tr6pico Americano. Temperaturas mfnimas absolutas, Trojer (1966a).

FORSYTHE: Pararnetrosarnbientalesque afectanla temperaturadel suelo.

cultivos con Ifmites crfticos propios diferentesa los del materialestudiadopor Trojer (1966a). Trojer (1966a)elabor6escalasde temperatufas maximasabsolutasy de minimasabsolutas quepermitencaracterizarlos lfmitescrfticosabsolutos de los cultivos en la raja ecuatorial(Figura 12); sin embargo,se acostumbraUSaflos lfmites crfticosexpresados en mediasanuales.Al alejarse de 1araja ecuatorialy acercarsea los subtr6picos (20-30°del Ecuador)los cambiosestacionales de temperaturaaumentanmuchoy secaracterizan los lfmites crfticosde los cultivoscon las maximasy minimasabsolutas.Por ejemplo,en la figura 12, -'

..

..

los Ifmitescrfticosde caiiade azucarseleenen las escalas"maxima absoluta" (38,6°C) y "minima absoluta"(9,3°C)que coincidencon los cabosrelevantesdel recmngulode dicho cultivo. La diferenciaT 50-T a enTurrialbaes3,8°C, 10que permiterelacionarT 50(23,4°C)con los Ifmites absolutosambientalesde 21,6+12y 21,6 6°C 10cual representauna relaci6nde estadoestacionarioentreT50(anual)y los lfmites absolutos ambientales.Tambienocurreuna relaci6ncon 1as temperaturas fluctuantesdiariasentre0 y 30 cm en el suelo,y en el casode TurrialbaT50(mensual) fluctuasolamente1,9°Cduranteun ano(Figura3).

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ANUALES 3 25 Fig. 12.

Condiciones termicas (promedio y extremas) de algunos cultivos durante su cicIo vegetativo, Trojer (1966a).

60


Los promediosmensuales(T50)que mas se aproximana1promedioanualson el de agosto (100%concordancia)y marzo,julio y noviembre (0,4% menos). Midiendo la T 50(mensual)durantedichosmeses,seobtieneuna buenaestimacion de T50anualcon una solamedicion.Comerma y Sanchez(1982)demostraronqueen unacalicata reciencavada,estamedicioncon un termometro demorosolamente15 min paraequilibrarsecon el valor en el suelo. Ademas,si hay estudios basicos que establecen(T50-T a) para un pais, se puedeestimar Ta con baseen una sola medicionde T50.en lugar de procesaraiiosde datos ambientales.Esto sigue la filosoffa de 1aTa. ill) y xonomia de los Suelos de usar T 50 (estaclon T 50 (anual) para caracterizar 1a temperatura sabre

miento del algodon; ellimite inferior de la clase mesica de 8°C es el limite inferior para el crecimiento de maiz de grana (Buol S. 2000. Comunicacionpersonal).

CONCLUSIONES Los valores de los Tegimenestermicos (T) de Taxonomiadel Suelo se ban aplicadoa va5Jas partesdel mundo para caracterizarun parametro de suelo importanteen su genesis.Sin embargo,parapoder relacionarT50con Ta (estacional) harm falta estudiosde (T -T) en las zo50

a

nas de interes, tal como se hizo en el ejemplo de 1a zona cafetera de Costa Rica.

los sue1os. Los estudios en los Estados Unidos

La informaci6n

presentada en este trabajo

establecen que (T 50- T a) es 1°C para 1a mayor parte del pais (Soil Taxonomy 1999), valores di-

puede servir como guia para analizar los cambios de temperatura del ambiente y el suelo en la zo-

ferentes a los de 2,2 a 4°C encontrados en Costa Rica y Venezuela. Se puede comparar las medias anuales ambientales crfticas para cafe (anibica) en Colombia (Trojer 1966a) de 17,5 y 25,5°C con las medias anuales crfticas para Costa Rica de 19 y 24,5°C

na tropical ecuatorial; asirnismo, el compendia matematico presenta una comprensi6n clara de 1a teorfa sabre la variaci6n de la temperatura del suelo y ambiente en esta regi6n, y su usa en evaluar la evapotranspiracion y crecimiento de los cultivos, segun la zona ecol6gica de la region

(Oficina del Cafe 1975); el fango de Costa Rica es mas estrecho y se basa en la calidad del grana. El promedio de Rs para las zonas cafeteras de Turrial-

(Trojer

1966a)(Figura

ba, Alajue1a (Estacion Experimental Fabio Baudrit), Heredia (Santa Lucia), Nicoya, Hacienda Cachi, Atirro, Agua Caliente, San Jose, La Luisa, Pavas , Puriscal y Terraba ...es de 168 '. MJm-2dia-l:t1,48 (OS) (Castro

1987).

Sl se utilIza

la Ecuacl6n

4, es-

to corresponde a (T 50-T a)=3,4°C:tO,57. Para las zonas cafeteras de Costa Rica se puede decir que los

limites

de

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necesario

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son

(19+3,4:t0,57)

0 sea 22,4:t0,57 teneT

los

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-T) 50.

paa

ra 1a zona cafetera de ColombIa para estlmar los T 50 para dicho pais. La designaci6n de los T 50 (estacionales)

como limites de los regimenestermicosen la Taxonomia de Sue1osse bas6en limites para cultivas en los EstadosUnidos. Ellimite inferior de clase

. hlpertermlca

. es

de

22

0. C,

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