a cuenca del río Cachapoal (34° S, 70° O) corresponde a una de las zonas agrícolas más productivas del centro-sur de Chile. Abarca un 38% de la superficie de la VI Región, con 6 370 km². La población de la cuenca asciende a 542 901 habitantes; 30% se desempeña en actividades relacionadas con la agricultura. Posee un clima templado con variaciones por efecto de la topografía, en que el ascenso del relieve genera modificaciones térmicas y pluviométricas. Sobre los 3 500 m, la rigurosidad climática se acentúa hasta alcanzar condiciones glaciales (MOP, 2013).

El análisis se realizó separando la cuenca del río Cachapoal en diferentes secciones, según sus variaciones altitudinales, por ejemplo, primera, segunda y tercera secciones (figura 1), además fue necesario emplear datos agrícolas, como superficie cultivada, rendimiento y técnicas de riego en las distintas secciones de la cuenca del Cachapoal (INE, 2007) (cuadro 1).

Figura 1. Figura 1. Cuenca del río Cachapoal. Se identificó para este estudio, de derecha a izquierda, con distintos tonos de gris, las secciones de su cuenca, por ejemplo, primera, segunda y tercera.

Cuadro 1. Cuadro 1. Localización de las estaciones meteorológicas en cada sección analizada, superficie sembrada, producción, rendimiento de cereales y técnicas de riego utilizadas por superficie regada en la cuenca del río Cachapoal. Fuente: Censo Agrícola 2007 (DGA, 2012).

Los datos meteorológicos de entrada fueron seleccionados de nueve estaciones meteorológicas y pluviométricas que mantiene la Dirección General de Aguas (DGA) con una data de 34 años. Se trabajó para este estudio con la información de la estación más representativa en cada sección de la cuenca (cuadro 2). El estudio y corrección de la estadística pluviométrica mensual para cada sección se efectuó mediante el método de las curvas másicas.

Cuadro 2. Cuadro 2. Estación meteorológica, precipitación anual (Prec.), evapotranspiración de referencia (Eto), precipitación efectiva (Prec. efec), evapotranspiración del cultivo de cereales (Etc) y requerimiento de riego (Req de riego), en los años 2005, 2006 y 2007 en las distintas secciones del río Cachapoal.

El análisis del comportamiento de las precipitaciones se realizó mediante boxplots, que entrega información sobre el comportamiento de ciclos estacionales y valores extremos en las observaciones (Guenni, Degryze, & Alvarado, 2008). La clasificación de años secos, normales y húmedos se realizó utilizando el método de los percentiles, que define cinco categorías: muy seco (percentil 0-20), seco (percentil 20-40), normal (percentil 40-60), húmedo (60-80) y muy húmedo (80-100) (Valiente, 2001).

La evaluación de la huella hídrica se realizó para cada una de las tres secciones de la cuenca, en condiciones climáticas de año húmedo, seco y normal, definidas según el análisis climático.

Se trabajó bajo dos condiciones de rendimiento de cultivos: rendimiento constante de las secciones (1a, 2a y 3a) de 10.4, 12.4 y 11.7 ton/ ha, respectivamente (Odepa, 2014), y para una disminución de un 20% en el rendimiento entre cada año, según lo proyectado en un escenario A2 de cambio climático para el cultivo de cereales (CEPAL, 2012).

Para el cálculo de la huella hídrica se empleó la metodología propuesta por Hoekstra, Chapagain, Aldaya y Mekonnen (2011), considerando la suma de sus componentes verde y azul (figura 2):

Figura 2. Figura 2. Esquema de los componentes de la huella hídrica agrícola

(1)

Ambos componentes se determinaron a partir de las siguientes ecuaciones:

(2)

(3)

Donde Y (ton/ha) = rendimiento del cultivo (cuadro 1); UAC = uso de agua del cultivo verde y azul, según su fuente (precipitación o riego), expresada en m³/ha (Allen, Pereira, Raes, & Smith, 1998).

Se utilizaron las siguientes relaciones:

(4)

(5)

Donde Σ = ciclo de crecimiento del cultivo, es decir, desde la siembra (día 1) hasta la cosecha; lgp = longitud, días de cada etapa del ciclo; ET_c = evapotranspiración del cultivo (mm/día).

Se determinó la demanda hídrica del cultivo de cereales, a partir del requerimiento de agua del cultivo (RAC), utilizando el software Cropwat 8.0.

Bajo condiciones de crecimiento ideales, la ET_c se considera igual al RAC y correspondería al agua de evapotranspiración. El cálculo de ET_c se hizo en valores decadiarios (dec), en relación con la eficiencia de riego; esta metodología asume que las pérdidas por producto del riego permanecen y retornan a la cuenca:

(6)

(7)

Donde K_c = coeficiente de cultivo; ET_o = evapotranspiración de referencia (mm día^-1).

La estimación de la ET_verde se realizó:

(8)

Donde:

(9)

Precipitación efectiva (P_eff) calculada por el programa.

La estimación de ET_azul se hizo a partir de:

(10)

La suma de ambas, ET_azul (mm/dec) y ET_verde (mm/dec) es igual a ET_c (mm/dec).

Se utilizó el método de Penman-Monteith y el programa Cropwat 8.0. Los datos climáticos, en función de la latitud y del periodo, fueron tomados de la DGA. La información fue georreferenciada usando el programa Climwat 2.0, donde:

(11)

ET_o = evapotranspiración de referencia (mm día^-1); Rn = radiación neta en la superficie del cultivo (MJ m^-2 día^-1); Ra = radiación extraterrestre (mm día^-1); G = flujo de calor de suelo (MJ m^-2 día^-1); T = temperatura media del aire (C°); u = velocidad del viento (ms^-1); es = presión de vapor de saturación (kPa); ea = presión real de vapor (kPa); es-ea = déficit de presión de vapor (KPa); Δ = pendiente de la curva de presión de vapor (kPa °C^-1); Γ= constante psicrométrica (kPa°C^-1).

Corresponde al volumen de agua contenida en un producto y que fue empleado en su producción, en un contexto de flujo de agua exportada (Hoekstra, 2014). Su cálculo se realizó a través de la ecuación descrita por Salmoral et al . (2011):

(12)

Donde AV_exp = agua virtual exportado (m³/ año), E = cantidades de productos exportados (ton/año). La cantidad exportada (E) fue extraída del Informe Regional de Exportaciones Silvoagropecuarias (Odepa, 2013b).

Según Salmoral et al . (2011), corresponde al valor económico de la producción agraria por metro cúbico de agua utilizado. Se calculó a partir de:

(13)

Donde PAA = productividad aparente del agua ($/m³) en Chile para los años analizados; Σ (Pr x T) = precio de mercado ($/ton) del producto agrícola; HH = huella hídrica del producto agrícola (m³/ton). Los valores de la PAA en Chile para los años estudiados se tomaron del Informe Regional de Exportaciones Silvoagropecuarias (Odepa, 2013b).

En la evaluación de la huella hídrica, el análisis de normalidad de los datos se hizo a través del test de Shapiro-Wilk. La factibilidad de utilizar un modelo aditivo se analizó aplicando el test de no aditividad de Tukey. Se realizó un análisis de varianza de dos vías para la comparación entre factores, por ejemplo, años (tres niveles, 2005, 2006, 2007) y secciones (tres niveles, 1°, 2°, 3°), y se aplicó la prueba a posteriori de Tukey.

Para el análisis de los resultados del agua virtual y productividad aparente del agua se aplicó un análisis de la varianza de una vía. Se utilizó el programa computacional Statistica versión 6.0 (StatSoft Inc. 2001).

La figura 3 muestra la variación espacial de la precipitación en la cuenca del Cachapoal para los 34 años analizados en las estaciones meteorológicas seleccionadas como referencia.

Figura 3. Figura 3. Boxplots de la precipitación mensual, para un periodo de 34 años en la cuenca del Cachapoal (mm): (a) primera sección, estación La Rufina; (b) segunda sección, estación Coltauco; (c) tercera sección, estación Pichidegua. La línea horizontal y el cuadrado dentro de la caja indican la mediana y la media. Los extremos inferior y superior de la caja corresponden a los cuantiles 0.25 y 0.75, respectivamente. Los bigotes inferior y superior, a los cuantiles 0.05 y 0.95, respectivamente.

La primera sección (sección cordillerana) fue la que presentó la mayor precipitación, con una media de 1.119 ± 409 mm (R² = 0.999; cv = 36.5), con un mínimo de 311 mm durante años muy secos y un máximo de 2.082 mm durante años muy húmedos. La segunda sección presentó una precipitación media de 649 ± 293 mm (R² = 0.997; cv = 45), mínimo de 117 mm y máximo de 1.517 mm. La tercera sección (con influencia costera) presentó las menores precipitaciones anuales, con 549 ± 230 mm (R² = 0.998; cv = 41), con mínimas de 145 mm y máximas de 1.022 mm. En el nivel intranual, la mayor variabilidad de los montos pluviométricos se registró durante el invierno.

Según el análisis de percentiles, las condiciones extremas fueron observadas en los años 2005 y 2007 (cuadro 2). El año 2005 fue característico de uno húmedo, con una precipitación media de 969 mm; mientras que 2007 representó una condición seca, con 391 mm. Para una condición de pluviosidad normal se seleccionó 2006 (ver cuadro 2), con una precipitación media de 838 mm.

El cuadro 2 resume para cada sección de la cuenca del Cachapoal la información requerida para el cálculo de la huella hídrica. Se comprueba que para el año 2005 (año húmedo) fue mayor la ET_o, ET_c y la precipitación efectiva, y para el año 2007 (año seco) fue mayor el requerimiento de riego.

El ciclo de cultivo para el maíz se estimó en 125 días, con las siguientes etapas: inicial, 20 días; desarrollo, 35 días; madurez, 40 días; senescencia, 30 días. Tres valores de coeficiente de cultivo (Kc): 0.30, inicial; 1.20, en la etapa media; 0.35, final, para el periodo septiembre-diciembre (figura 4).

Figura 4. Figura 4. Etapas y coeficientes estimados para el cultivo (Kc) de maíz (periodo del 28 de septiembre al 30 de diciembre).

Se consideró para el análisis estadístico un modelo aditivo, pues no se encontró evidencia significativa (P > 0.05) al aplicar el test de no aditividad de Tukey. Además, no se halló evidencia en contra de la hipótesis de normalidad, cumpliendo así el supuesto de distribución normal (P > 0.05) de acuerdo con el test de Shapiro-Wilk (cuadro 4).

Como se observa en el cuadro 3, la huella hídrica total del cultivo de los cereales, bajo el supuesto de un rendimiento constante, fue estimada en 1 064.6 m3/ton para el año húmedo (2005); 1 015.1 m³/ton para el año normal (2006), y 1 045.4 m³/ton para el año seco (2007).

Cuadro 3. Cuadro 3. Cálculo de evapotranspiración para el periodo de crecimiento (ETc), uso del agua del cultivo (UAC) y huella hídrica (HH) para el cultivo de cereales en los años 2005, 2006 y 2007 en las distintas secciones del río Cachapoal, bajo condiciones de rendimiento constante (a) y el supuesto de una disminución de 20% en el rendimiento (b).

Respecto de un año normal, el consumo en un año húmedo fue mayor en 49.5 m³/ton y en un año seco sólo en 30.3 m³/ton, observándose diferencias significativas entre los años analizados.

Sin embargo, no se detectaron diferencias significativas en la huella hídrica total entre las secciones (1a, 2a y 3a) (ver cuadro 4).

La mayor huella hídrica azul se observó en 2007 (año seco), con 1 038.3 m³/ton, correspondiente a agua de riego (cuadro 3). El test de Tukey mostró diferencias significativas entre un año húmedo, normal y seco; sin embargo, no percibió diferencias significativas entre las secciones (1a, 2a y 3a) (ver cuadro 4). La mayor huella hídrica verde se observó en 2005 (año húmedo) con 370.3 m³/ton (ver cuadro 3). El análisis estadístico mostró diferencias significativas entre un año húmedo, normal y seco. Sin embargo, no mostró diferencias significativas entre las secciones (1a, 2a y 3a) (cuadro 4).

Cuadro 4. Cuadro 4. Resumen de los resultados obtenidos de la aplicación de análisis estadístico para los factores años y secciones en la evaluación de la huella hídrica para un rendimiento constante (a) y una disminución (20%) en el rendimiento (b).

La tendencia observada entre las huellas hídricas azul y verde (ver cuadro 3), en un año húmedo, normal y seco, muestran que la huella azul incrementa (694.3-1 038.3 m³/ton), mientras que la huella verde disminuye (370.3-7.2 m³/ton).

La huella hídrica total, bajo la condición de una disminución de un 20% en el rendimiento de los cultivos, fue estimada en 1 064 m³/ton para el año húmedo, 1 268.8 m³/ton para un año normal y 1 633.9 m³/ton para un año seco (ver cuadro 3). Respecto de un año normal, el consumo en un año seco fue mayor en 365.1 m³/ton, no así en un año húmedo, en que el consumo fue menor en 204.2 m³/ton, percibiéndose diferencias significativas entre los años analizados. Además, el análisis estadístico mostró diferencias significativas entre las secciones, donde la huella hídrica de la 1a sección fue mayor en los distintos años analizados (ver cuadro 4).

Bajo el supuesto de una disminución de un 20% del rendimiento de los cultivos (ver cuadro 3), la mayor huella hídrica azul se detectó también en un año seco, con 1 622.7 m³/ton de agua de riego, distinguiéndose diferencias significativas entre el año húmedo, normal y seco. Sin embargo, las secciones de la cuenca no presentaron diferencias significativas. La mayor huella hídrica verde se observó también en el año húmedo con 370 m³/ton, notando diferencias significativas entre un año húmedo, normal y seco. El análisis estadístico no mostró diferencias significativas entre las secciones (ver cuadros 4). Para esta condición, el incremento en la huella azul fue inverso a la huella verde; se advirtió una tendencia semejante en el supuesto anterior.

En un año húmedo habría sido exportada la mayor cantidad de agua virtual total, con diferencias significativas respecto de un año seco (ANOVA F_(2,4) = 6 293; P = 0.0001). Esta mayor cantidad de agua virtual total correspondería al agua verde, proporcionada por las precipitaciones, con significativas diferencias entre los años analizados (ANOVA F_(2,4) = 2 347; P = 0.0001).

En un año seco habría sido exportada la mayor cantidad de agua azul, que correspondería al agua agregada como riego, con diferencias significativas entre los años analizados (ANOVA F_(2,4) = 3 215; P = 0.0001) (figura 5).

Figura 5. Figura 5. Estimación del contenido de agua virtual exportada (AVexp) y productividad aparente del agua (PAA) en la producción de cereales, en un año húmedo (2005), normal (2006) y seco (2007), en la cuenca del río Cachapoal.

La PAA en el periodo estudiado fluctuó en relación con los precios del mercado. La productividad aparente del agua en cuanto a la huella hídrica de cereales habría sido menor en un año húmedo (2005), calculado en 92.8 $/m³, y mayor en un año normal, 2006 (97.4 $/m³); observándose diferencias significativas entre los años estudiados 2005, 2006 y 2007 (94.5 $/m³) (ANOVA F_(2,4) = 39.02; P = 0.0004) (ver figura 5).