Problemas de drenaje y respuestas.

Los sistemas de drenaje están diseñados para alterar la hidrología del campo (equilibrio hídrico) eliminando el exceso de agua de los suelos anegados. Existen preocupaciones sobre los efectos hidrológicos aguas abajo causados ​​por el drenaje de este exceso de agua.

Resultados de la investigación

La evidencia anecdótica indica que los arroyos y acequias se han vuelto “más llamativos” con el tiempo, desbordándose y causando daños localizados a los cultivos.

Algunos artículos de investigación sugieren que los cambios hidrológicos más dramáticos de un paisaje ocurren cuando se convierte de vegetación nativa a producción agrícola, y que el drenaje subterráneo puede reducir los flujos máximos en algunas situaciones. De hecho, una publicación regional concluyó que el drenaje subterráneo:

• Reduce la escorrentía superficial entre un 29 y un 45 por ciento.

• Reduce los caudales máximos de las cuencas entre un 15 y un 30 por ciento.

• Tiene poco impacto en el caudal anual total de las cuencas.

Una publicación que resume los estudios de drenaje de varios países concluyó que el drenaje subterráneo generalmente disminuye los flujos máximos en suelos de textura fina, pero a menudo aumenta esos flujos en suelos más gruesos y permeables. La publicación también encontró que el drenaje subterráneo a menudo aumenta el flujo base a los arroyos.

Sin embargo, necesitamos investigaciones locales para comprender mejor el impacto que el drenaje puede tener a escala de cuencas hidrográficas. Además, el impacto de las entradas superficiales en la hidrología de las cuencas es un tema importante que se está examinando actualmente.

El drenaje superficial (que mejora la escorrentía terrestre) tiende a aumentar la pérdida de nutrientes y sedimentos que se produce con la escorrentía superficial. Sin embargo, el drenaje subterráneo puede disminuir la escorrentía superficial, reduciendo las pérdidas de sedimentos entre un 16 y un 65 por ciento y las pérdidas de fósforo hasta un 45 por ciento.

La principal preocupación sobre la calidad del agua relacionada con el drenaje subterráneo es la mayor pérdida de nitratos y otros componentes solubles que pueden moverse a través del suelo hasta los sistemas de drenaje y terminar en las aguas superficiales cercanas. Además, las tomas superficiales, comunes en el sur de Minnesota y el norte de Iowa, proporcionan una vía bastante directa para que los sedimentos y otros contaminantes de la escorrentía superficial lleguen a las aguas superficiales cercanas.

A pesar de que existen diversas regulaciones que protegen los humedales, se estima que cada año se pierden más de 60,000 acres de humedales en Estados Unidos.

La pérdida de ecosistemas de humedales, valorados por su hábitat para la vida silvestre, su almacenamiento de agua y, cada vez más, su papel potencial para mejorar la calidad del agua, no es fácil de cuantificar. Sin embargo, es probable que las actividades agrícolas y de drenaje urbano causen la pérdida de humedales.

La gestión adecuada de los nutrientes de los cultivos (fuente de nutrientes, tasa de aplicación y momento) es una forma importante de ayudar a controlar la pérdida de nutrientes a través de la escorrentía superficial y el agua de drenaje subterráneo.

Se ha demostrado que la aplicación de fertilizantes nitrogenados en dosis superiores a las recomendadas por la Universidad de Minnesota aumenta la cantidad de nitrato eliminado a través de los sistemas de drenaje subterráneo. Las recomendaciones de las universidades se basan en un rendimiento económico óptimo, por lo que la aplicación excesiva de fertilizantes nitrogenados también será menos rentable.

Sin embargo, tenga en cuenta que los suelos agrícolas drenados tienen pérdidas significativas de nitratos debido al proceso natural de mineralización de la materia orgánica. Una mejor gestión de los nutrientes puede reducir potencialmente las pérdidas de nitratos en tierras drenadas hasta en un 30 por ciento.

Los cultivos en hileras, como el maíz y la soja, experimentan una pérdida considerablemente mayor de nitratos a través del flujo de drenaje subterráneo que las plantas perennes como la alfalfa y el bromo. La incorporación de alfalfa u otras plantas perennes a la rotación de cultivos podría reducir significativamente las pérdidas de nitratos en las aguas superficiales cercanas.

Si bien la alfalfa puede ser un cultivo financieramente sólido para algunas operaciones, no es una solución económicamente viable para muchos agricultores de Minnesota.

Los sistemas de drenaje subterráneo están diseñados para eliminar el exceso de agua del suelo con la suficiente rapidez para minimizar el estrés de los cultivos en la mayoría de los años. Los ingenieros agrícolas han desarrollado pautas de profundidad y espaciado para instalar tuberías de drenaje.

Por ejemplo, las recomendaciones para los suelos franco arcillosos que prevalecen en gran parte del sur de Minnesota exigen colocar tuberías de drenaje de aproximadamente 3 pies de profundidad y 60 pies de distancia o 4 pies de profundidad y 80 pies de distancia. Cualquiera de los diseños debería eliminar el agua al mismo ritmo y producir rendimientos de cultivos similares.

Se ha propuesto que colocar tuberías de drenaje a menor profundidad podría provocar una menor pérdida de nitrato. Esto sucedería porque sería más probable que el nitrato alcanzara una zona biológicamente activa pero saturada y se convirtiera en gas nitrógeno mediante bacterias desnitrificantes.

La conversión de nitrógeno nítrico en gas nitrógeno evitaría que el nitrato llegue a las tuberías de drenaje y a las aguas superficiales cercanas. Si se demuestra que es efectiva, esta práctica tiene la ventaja de ser aplicable en cualquier lugar donde se instalen sistemas de drenaje. Tampoco requiere nueva gestión ni inversión de capital.

El drenaje controlado ha sido reconocido como una práctica eficaz (y en otros estados, una mejor práctica de gestión) para mitigar las pérdidas de nitrato de los sistemas de drenaje (Figura 1).

Esta práctica implica colocar estructuras simples de control de agua en varios lugares del sistema para elevar la elevación del agua. El nivel elevado del agua hace que aumente el nivel freático del suelo, lo que disminuye la profundidad de drenaje del campo.

Efectos

Investigadores de Carolina del Norte, Ohio, Michigan y Canadá han demostrado que el drenaje controlado:

• Disminuye el volumen de agua drenada entre un 15 y un 35 por ciento.

• Aumenta ligeramente el escurrimiento superficial, porque los suelos tienen menos espacio para almacenar agua.

• Disminuye significativamente (hasta en un 50 por ciento) las pérdidas de nitrato observadas en campos drenados convencionalmente. Esto se ha atribuido principalmente a reducciones en el volumen de agua drenada y, en menor medida, al aumento de la desnitrificación en el suelo.

Si se maneja adecuadamente, el drenaje controlado tiene el potencial de mejorar el rendimiento de los cultivos al hacer que haya más agua disponible para las plantas.

Sin embargo, la topografía limita la aplicación de técnicas de drenaje controlado. El proceso es económicamente inviable en pendientes de terreno superiores a aproximadamente el uno por ciento porque se necesitan más estructuras de control de agua a medida que aumentan las pendientes. Además, el drenaje controlado añade nuevos requisitos de gestión a los sistemas (que también aumentan con la pendiente) que algunos ven como una desventaja.

Los habitantes de Minnesota utilizan con mayor frecuencia alternativas a la tradicional entrada abierta. Un diseño implica cavar una zanja, colocar una tubería de drenaje en su fondo y llenar la zanja con piedras pequeñas. Estas entradas rocosas o ciegas ralentizan el flujo de agua (en comparación con las entradas abiertas) y pueden reducir la cantidad de sedimento que llega al sistema de drenaje.

Otro diseño implica instalar tuberías de drenaje subterráneas en un patrón muy ajustado en un área pequeña en medio de un lugar húmedo. Otra técnica más tradicional consiste en sustituir las entradas abiertas por bandas perforadas.

Todos los diseños tienen el potencial de proteger mejor la calidad del agua que las entradas abiertas, y al mismo tiempo proporcionar un drenaje adecuado para que los cultivos no se ahoguen.

Se han propuesto los humedales como medio para tratar el agua de los sistemas de drenaje antes de que se libere en ríos o lagos cercanos.

La actividad biológica en los humedales puede ser eficaz para eliminar el nitrato convirtiéndolo en gas nitrógeno mediante un proceso de desnitrificación similar al que ocurre en los suelos. Investigadores en Iowa sugieren que los humedales pueden eliminar del 20 al 80 por ciento del nitrato anual en el agua de drenaje subterráneo, dependiendo de la proporción entre las áreas de tierra drenada y humedal.

Este enfoque para “tratar” el agua de drenaje presenta algunos desafíos. La topografía del sitio puede plantear dificultades para hacer llegar las aguas de drenaje subterráneas a la superficie y a los humedales. Las necesidades de terreno y los costos de construcción también son factores económicos importantes.

Finalmente, la mayor parte de las pérdidas de nitrato de las tierras drenadas en Minnesota ocurren a principios de la primavera, cuando los humedales no están funcionando a su máxima capacidad de eliminación de nitrato, debido a las bajas temperaturas y los altos caudales de agua. La eficacia potencial de los humedales en el tratamiento del agua de drenaje en climas más fríos requiere más investigación.

Una serie de proyectos de investigación y extensión nuevos y en curso se centran en importantes cuestiones de drenaje en Minnesota.

Estos proyectos involucran instalaciones de investigación en el campus St. Paul de la Universidad de Minnesota y en los centros de investigación y extensión universitaria. Los proyectos han incluido lo siguiente.

Manejo de nutrientes y sistemas de cultivo.

Las parcelas de drenaje subterráneo establecidas hace más de 20 años en Waseca continúan examinando el impacto de lo siguiente en la cantidad de pérdida de nutrientes del flujo de drenaje:

• Tasas y momento de aplicación de fertilizantes y estiércol.

• Sistemas de cultivo.

• fuente N.

• Uso de inhibidores de nitrificación.

Diseño del sistema de drenaje

El Centro de Investigación y Extensión del Sur de la Universidad de Minnesota (SROC) en Waseca está midiendo los efectos de la profundidad y el espaciamiento del drenaje en el rendimiento de los cultivos y la calidad del agua superficial y subterránea, utilizando parcelas del tamaño de un campo de 2 a 6 acres.

Los investigadores están combinando simulaciones por computadora con investigaciones de campo para estimar los efectos a largo plazo de estas prácticas. Se anticipa que esta investigación conducirá a mejores recomendaciones de diseño de drenaje para el sur de Minnesota.

Drenaje controlado

El SROC está investigando los efectos del drenaje controlado en la respuesta de los cultivos y la calidad del agua en seis parcelas de medio acre. Los investigadores esperan ver si esta práctica es factible, para poder desarrollar estrategias de gestión del agua para el sur de Minnesota. También se utilizarán simulaciones por computadora para estimar el rendimiento a largo plazo de esta técnica.

Diseño alternativo para entradas de superficie.

Agricultores, contratistas, unidades gubernamentales locales e investigadores universitarios han estado examinando diseños alternativos de entradas de superficie para ver si proporcionarán un drenaje adecuado y controlarán la entrega de contaminantes a los cuerpos de agua receptores. Estos proyectos incluyen trabajo de laboratorio, pequeñas parcelas de investigación e investigación a escala de campo en fincas.

Están evaluando las entradas de roca para determinar su eficacia a la hora de eliminar agua y atrapar sedimentos. Además, existe un proceso de diseño y seguimiento para evaluar la longevidad y eficacia de estas técnicas.

Simulación por ordenador de sistemas de drenaje.

Una variedad de proyectos han utilizado modelos informáticos para investigar el desempeño de los sistemas de drenaje y los paisajes durante varios (a menudo muchos) años. Este trabajo complementa la investigación de campo que normalmente se realiza en un período de tiempo más corto. Los proyectos incluyen:

• Simulando los efectos de diversas prácticas de gestión en cuencas drenadas.

• Evaluación de la hidrología de los sistemas de drenaje.

• Evaluación de mejores prácticas de manejo para campos drenados.

Área de humedal para estudios de mitigación y tratamiento de agua

Los humedales naturales y artificiales del SROC y el Centro de Investigación y Divulgación del Suroeste de la Universidad de Minnesota (SWROC) en Lamberton miden el potencial de los humedales para mitigar la pérdida de nutrientes en el sur de Minnesota.

La Granja de Investigación en Ecología Agrícola del SROC tiene humedales que reciben agua de drenaje de aproximadamente 100 acres de tierra. Estos humedales funcionan en un sistema total de gestión del agua diseñado para mejorar la calidad del agua y reducir los caudales máximos.

Diseño de zanjas de drenaje.

Pueden ocurrir cantidades significativas de desnitrificación en las zanjas, lo que puede reducir la cantidad de nitrato que llega a los ríos de la zona.

SWROC tiene un proyecto que compara la capacidad de dos zanjas similares para eliminar nitrógeno bajo diferentes características físicas y de flujo. Además, se están realizando investigaciones sobre una zanja de drenaje en SROC.

Rendimiento e impacto hidrológico del drenaje subterráneo.

La investigación en granjas y parcelas del Centro de Investigación y Extensión del Noroeste de la Universidad de Minnesota en Crookston está investigando el impacto del drenaje subterráneo en el rendimiento de los cultivos, la calidad del agua y la hidrología en el Valle del Río Rojo.