Incertidumbre en la determinación y espacialización del régimen de humedad del suelo : caso aplicado a la altillanura plana - Departamento del Meta
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Resumen
El régimen de humedad del suelo constituye un atributo fundamental para la clasificación taxonómica y para la comprensión de los procesos edafoclimáticos que regulan la disponibilidad de agua para las plantas. Sin embargo, su determinación en regiones tropicales presenta un grado considerable de incertidumbre, asociado principalmente con la limitada disponibilidad de información climática y edáfica, la variabilidad temporal de las condiciones ambientales y la simplificación de los procesos físicos representados en los modelos. En este contexto, el objetivo del estudio fue evaluar la incertidumbre asociada con la determinación y espacialización del régimen de humedad del suelo en la Altillanura plana de los departamentos del Meta y Vichada, Colombia, mediante la incorporación de análisis de sensibilidad climática y edáfica. Durante un periodo de doce meses, se monitoreó el contenido de humedad del suelo en ocho sitios distribuidos a lo largo de un transecto regional, desde el sector oriental del departamento del Meta hasta el occidente del Vichada. En cada sitio se instalaron tres sensores Campbell Scientific CS616, ubicados a diferentes profundidades del perfil conforme a la textura tomada en campo. A partir de los registros diarios de humedad se determinó el régimen de humedad observado en cada localización, de acuerdo con los criterios establecidos por la taxonomía de suelos de los Estados Unidos. Los regímenes observados se compararon con los estimados mediante el modelo determinístico edafoclimático de Newhall, desarrollado para apoyar la clasificación de los regímenes de humedad del suelo. El modelo utiliza como variables de entrada la precipitación, la temperatura del aire y la capacidad de agua disponible en la sección de control de humedad del suelo. La información climática se obtuvo de los productos CHIRPS, para precipitación, y ERA5-Land, para temperatura del aire. La capacidad de agua disponible se calculó a partir de las propiedades físicas medidas en los perfiles de los sitios instrumentados. La correspondencia entre los regímenes de humedad observados y modelados se evaluó mediante una tabla de contingencia y el coeficiente Kappa de Cohen. Adicionalmente, se realizaron análisis de sensibilidad para determinar el efecto de la temporalidad climática y de la capacidad de almacenamiento de agua del suelo sobre la clasificación obtenida con el modelo. Para evaluar la sensibilidad frente a la temporalidad climática, se fijó una capacidad de agua disponible de 40 mm y se ejecutó el modelo utilizando diferentes periodos climáticos: octubre de 2023 a septiembre de 2024, enero a diciembre de 2023, 2024 y la normal climática 1991-2020. Por su parte, para evaluar la sensibilidad frente a la capacidad de agua disponible, se mantuvieron constantes los datos correspondientes a la normal climática 1991-2020 y se modificó la lámina de almacenamiento edáfico, considerando valores de 40, 100, 150 y 200 mm. Asimismo, se realizaron simulaciones empleando la capacidad de agua disponible calculada específicamente para cada sitio. Los resultados de cada escenario se compararon con el régimen de humedad observado. Con base en los resultados obtenidos en los sitios instrumentados, se simuló la distribución espacial del régimen de humedad del suelo mediante la aplicación por pixel del modelo de Newhall, con una resolución espacial de 1 km², para los departamentos del Meta y Vichada. Para ello, se utilizaron capas ráster de precipitación y temperatura derivadas de las mismas fuentes climáticas empleadas en el análisis puntual. La distribución espacial de la capacidad de agua disponible se estimó a partir de información proveniente de 157 perfiles incluidos en estudios pedológicos existentes. Con estos datos se generó una superficie ráster
mediante el método de interpolación de distancia inversa ponderada. Finalmente, para analizar los cambios
espaciales en la clasificación del régimen de humedad, se compararon los mapas obtenidos para los diferentes
periodos climáticos y para los escenarios con capacidades de agua disponible constantes de 40, 100, 150 y 200
mm. Este procedimiento permitió identificar áreas con clasificación estable y zonas sensibles a las variaciones
climáticas y edáficas, consideradas como sectores de mayor incertidumbre espacial.
Para simular la distribución de los regímenes de humedad del suelo bajo condiciones futuras de cambio
climático, se aplicó el modelo de Newhall utilizando el escenario SSP5-8.5, considerado uno de los escenarios
de mayores emisiones y forzamiento radiativo. Como variables climáticas de entrada se emplearon las series
anuales de precipitación y temperatura media del aire correspondientes al periodo 2021-2100, obtenidas de la
Cuarta Comunicación Nacional de Cambio Climático de Colombia, elaborada por el Instituto de Hidrología,
Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM). La capacidad de agua disponible del suelo se incorporó
mediante la superficie ráster generada previamente a partir de la información de los perfiles de suelo. Con
estos insumos, el modelo se ejecutó a escala espacial para estimar la distribución futura de los regímenes de
humedad del suelo y analizar sus posibles cambios durante el siglo XXI.
Los resultados evidenciaron que el desempeño del modelo depende en gran medida de la parametrización
edáfica. Bajo condiciones de diferentes láminas de capacidad de agua disponible cercanas a las observadas
en campo (≈ 40 mm), el modelo alcanzó una exactitud global del 75 % y un coeficiente Kappa de κ =
0,50, indicando una concordancia moderada entre clasificaciones observadas y simuladas. Sin embargo, al
incrementar la capacidad de agua disponible, el desempeño disminuyó progresivamente, con exactitudes
de 63 %, 50 % y 25 %, y valores de Kappa de 0.25, 0.00 y -0.50 para escenarios de 100, 150 y 200 mm,
respectivamente, evidenciando una sobreestimación sistemática de condiciones de mayor almacenamiento de
agua en el suelo.
A escala espacial, la clasificación del régimen de humedad del suelo presentó variaciones de hasta 32.89 %
del área en función de la capacidad de agua disponbile, confirmando la alta sensibilidad del modelo a este
parámetro. En particular, el régimen údico aumentó de aproximadamente 52.46 % a más del 80 % del área
bajo mayores valores de capacidad de agua disponible, mientras que el régimen ústico disminuyó de 45.94 %
a menos del 20 %. Estos resultados evidenciaron que la capacidad de almacenamiento hídrico del suelo
constituyó el principal factor de control en la simulación del régimen de humedad con el modelo de Newhall.
Bajo el escenario de cambio climático SSP5-RCP8.5, los resultados indican una tendencia hacia la intensificación del déficit hídrico y cambios en la distribución espacial del régimen de humedad, asociados principalmente
al incremento de la temperatura del aire y a modificaciones en el balance hídrico del suelo, conforme al
modelo de Newhall. Estos cambios sugieren una posible transición hacia condiciones más restrictivas para la
disponibilidad de agua en el suelo en determinadas zonas de la Orinoquia colombiana.
En síntesis, los resultados demostraron que la capcaidad de agua disponible fue la principal fuente de
incertidumbre en la determinación del régimen de humedad del suelo, superando la influencia de los datos
climáticos. Asimismo, evidencian limitaciones del modelo de Newhall para representar la complejidad
edafoclimática de sistemas tropicales cuando se emplean parámetros generalizados. Este estudio aporta un
marco metodológico robusto para la evaluación del humedad edáfica bajo condiciones de alta incertidumbre
y resalta la necesidad de incorporar parametrizaciones edáficas específicas y escenarios climáticos para la
modelación en suelos tropicales. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
Soil moisture regime is a fundamental attribute in soil taxonomic classification and in understanding the
edaphoclimatic processes that regulate water availability to plants. However, its determination in tropical
regions is subject to considerable uncertainty, primarily because of the limited availability of climatic and soil
data, the temporal variability of environmental conditions, and the simplification of the physical processes
represented by existing models. Within this context, the objective of this study was to assess the uncertainty
associated with the determination and spatial prediction of soil moisture regimes across the flat Altillanura
of the Meta and Vichada departments, Colombia, by incorporating climatic and edaphic sensitivity analyses.
Over a 12-month monitoring period, soil water content was recorded at eight sites distributed along a
regional transect extending from the eastern sector of the Meta Department to western Vichada. At each
site, three Campbell Scientific CS616 sensors were installed at different soil-profile depths selected according
to field-determined textural transitions. Daily soil moisture records were used to determine the observed soil
moisture regime at each site in accordance with the criteria established in USDA Soil Taxonomy.
The observed regimes were compared with those estimated using the Newhall deterministic edaphoclimatic
model, which was developed to support soil moisture regime classification. The model uses precipitation,
air temperature, and available water capacity within the soil moisture control section as input variables.
Climatic information was obtained from CHIRPS for precipitation and ERA5-Land for air temperature.
Available water capacity was calculated from the physical properties measured in the soil profiles at the
instrumented sites.
Agreement between the observed and modelled soil moisture regimes was evaluated using a contingency table
and Cohen’s Kappa coefficient. Sensitivity analyses were additionally conducted to determine the influence
of climatic temporal variability and soil water storage capacity on the classifications produced by the model.
To evaluate sensitivity to climatic temporal variability, available water capacity was fixed at 40 mm, and
the model was run using different climatic periods: October 2023 to September 2024, January to December
2023, January to December 2024, and the 1991-2020 climate normal. To assess sensitivity to available water
capacity, climatic data corresponding to the 1991-2020 climate normal were held constant, while soil water
storage capacity was varied using values of 40, 100, 150, and 200 mm. Additional simulations were conducted
using the site-specific available water capacity calculated for each location. The classification obtained under
each scenario was compared with the observed soil moisture regime.
Based on the results obtained at the instrumented sites, the spatial distribution of soil moisture regimes was
simulated by applying the Newhall model on a pixel-by-pixel basis at a spatial resolution of 1 km² across the
Meta and Vichada departments. Raster layers of precipitation and air temperature derived from the same
climatic datasets used in the site-level analyses were employed as model inputs.
The spatial distribution of available water capacity was estimated using information from 157 soil profiles
compiled from existing soil surveys. These data were used to generate a raster surface through inverse
distance weighting interpolation. To assess spatial changes in soil moisture regime classification, the maps
generated for the different climatic periods were compared with those obtained under scenarios assuming
constant available water capacities of 40, 100, 150, and 200 mm. This procedure enabled the identification of
areas with stable classifications and zones that were sensitive to climatic and edaphic variability, which were interpreted as areas of greater spatial uncertainty.
To simulate the spatial distribution of soil moisture regimes under future climate-change conditions, the
Newhall model was applied using the SSP5-8.5 scenario, which represents a very high greenhouse-gas
emissions pathway and high radiative forcing. Annual time series of precipitation and mean air temperature
for the 2021-2100 period were used as climatic inputs. These data were obtained from Colombia’s Fourth
National Communication on Climate Change, prepared by the Institute of Hydrology, Meteorology and
Environmental Studies of Colombia (IDEAM). Soil available water capacity was incorporated through
the raster surface previously generated from the soil-profile dataset. Using these inputs, the model was
implemented spatially to estimate the future distribution of soil moisture regimes and evaluate their potential
changes throughout the twenty-first century.
The results showed that model performance was strongly dependent on edaphic parameterization. Under
available water capacity values close to those observed in the field, approximately 40 mm, the model achieved
an overall accuracy of 75 % and a Cohen’s Kappa coefficient of = 0.50, indicating moderate agreement
between the observed and simulated classifications. However, model performance progressively declined
as available water capacity increased. Overall accuracy decreased to 63 %, 50 %, and 25 %, while Kappa
values declined to 0.25, 0.00, and -0.50 under the 100, 150, and 200 mm scenarios, respectively. These results
indicate a systematic overestimation of soil moisture conditions associated with greater soil water storage
capacities.
At the spatial scale, soil moisture regime classification varied across as much as 32.89 % of the study area as a
function of available water capacity, confirming the model’s high sensitivity to this parameter. In particular,
the area classified as having a udic soil moisture regime increased from approximately 52.46 % to more than
80 % as available water capacity increased, whereas the area classified as ustic decreased from 45.94 % to
less than 20 %. These findings demonstrate that soil water storage capacity was the primary control on soil
moisture regime simulations produced by the Newhall model.
Under the SSP5-8.5 climate-change scenario, the results indicated a trend towards an intensification of soil
water deficits and changes in the spatial distribution of soil moisture regimes. According to the Newhall
model, these changes were primarily associated with increasing air temperatures and subsequent modifications
to the soil water balance. The projected changes suggest a potential transition towards more restrictive soil
water availability conditions in specific areas of the Colombian Orinoquía.
Overall, the results demonstrated that available water capacity was the primary source of uncertainty in
determining soil moisture regimes, exerting a greater influence than the climatic datasets. The findings
also reveal limitations in the ability of the Newhall model to represent the edaphoclimatic complexity of
tropical soil systems when generalized parameters are applied. This study provides a robust methodological
framework for assessing soil moisture regimes under highly uncertain conditions and highlights the need to
incorporate site-specific edaphic parameterization and climate-change scenarios into soil moisture regime
modelling in tropical environments.
Palabras clave propuestas
Descripción
ilustraciones a color, diagramas, fotografías, mapas, tablas