Evapotranspiración: conceptos, FAO-56 y métodos de cálculo

La evapotranspiración (ET) es el agua que pasa a la atmósfera como vapor desde el suelo, por evaporación, y desde las plantas, por transpiración. Se expresa como lámina de agua, normalmente en mm/d. El estándar para calcularla es el Estudio FAO Riego y Drenaje n.º 56 (FAO-56): la ecuación de Penman-Monteith entrega la evapotranspiración de referencia y un coeficiente de cultivo la traslada a cada cultivo.

Evaporación, transpiración y evapotranspiración

La evaporación es el paso del agua líquida a vapor y su remoción desde una superficie húmeda: suelo, follaje mojado o agua libre. La transpiración es la vaporización del agua contenida en los tejidos de la planta, que sale por los estomas de las hojas. En un campo ambos procesos ocurren a la vez y se estudian juntos. Según FAO-56, al sembrar casi el 100 % de la ET es evaporación y, con el cultivo cubriendo el suelo, más del 90 % es transpiración. Es la vía por la que el ciclo del agua devuelve a la atmósfera parte de la precipitación continental.

Evaporar agua consume unos 2,45 MJ/kg. Por eso 1 mm/d equivale a 2,45 MJ m⁻² d⁻¹ y a 10 m³/ha/d, y el factor 0,408 de las ecuaciones FAO-56 convierte energía en lámina de agua.

Factores que controlan la evapotranspiración

• Radiación solar: es la principal fuente de energía; depende de la latitud, la época del año, la nubosidad y el albedo.
• Temperatura del aire: aporta calor sensible y eleva la presión de vapor de saturación.
• Humedad del aire: el déficit de presión de vapor mide cuánto vapor más admite el aire; es mayor en climas áridos.
• Viento: renueva el aire húmedo que queda sobre la superficie; su efecto crece con aire seco y cálido.
• Agua disponible: cuando baja la humedad del suelo, los estomas se cierran y la ET real cae bajo la demanda del clima.
• Cultivo y manejo: especie, etapa, altura y cobertura, además de salinidad, densidad y método de riego.

ET0, ETc y ETc ajustada según FAO-56

FAO-56 separa el efecto del clima, del cultivo y del manejo en tres magnitudes:

• Evapotranspiración de referencia ($ET_0$): la de un cultivo hipotético de 0,12 m de altura, resistencia superficial de 70 s/m y albedo de 0,23, similar a una pradera de pasto verde, uniforme, en crecimiento activo y sin falta de agua. Depende solo del clima.
• Evapotranspiración del cultivo en condiciones estándar ($ET_c$): la de un cultivo sano, bien fertilizado, en un campo extenso, con humedad óptima y producción plena. Se calcula como $ET_c = K_c\,ET_0$ y es el límite superior del consumo.
• Evapotranspiración ajustada ($ET_{c\,aj}$): la ET real cuando el campo se aparta de esas condiciones por déficit hídrico, salinidad, baja densidad o plagas. Para el déficit hídrico, el capítulo 8 introduce el coeficiente de estrés $K_s$, entre 0 y 1.

FAO-56 desaconseja el término «evapotranspiración potencial» por la ambigüedad de sus definiciones.

Ecuación de Penman-Monteith FAO-56

FAO-56 adopta esta ecuación (ecuación 6) como único método estándar para calcular $ET_0$ con datos meteorológicos. Suma un término de radiación y uno aerodinámico:

donde $ET_0$ está en mm/d; $R_n$ es la radiación neta y $G$ el flujo de calor en el suelo, ambos en MJ m⁻² d⁻¹; $T$, la temperatura media diaria a 2 m (°C); $u_2$, el viento a 2 m (m/s); $e_s$ y $e_a$, las presiones de vapor de saturación y real (kPa); $\Delta$, la pendiente de la curva de presión de vapor, y $\gamma$, la constante psicrométrica, ambas en kPa/°C. El capítulo 3 de FAO-56 detalla cada término.

Presión de vapor y constante psicrométrica

$\Delta$ se evalúa con la temperatura media, pero $e_s$ es el promedio de $e^{\circ}(T_{max})$ y $e^{\circ}(T_{min})$. La presión real sale de la temperatura de rocío, $e_a = e^{\circ}(T_{\text{rocío}})$, o de las humedades relativas extremas:

La presión atmosférica $P$ (kPa) se estima con la altitud $z$ (m) como $P = 101{,}3\,[(293 - 0{,}0065\,z)/293]^{5{,}26}$.

Radiación neta

La radiación extraterrestre $R_a$ depende solo de la latitud y del día del año (ecuaciones 21 a 25). La radiación solar $R_s$ se mide con piranómetro o se estima con la fórmula de Ångström, $R_s = (0{,}25 + 0{,}50\,n/N)\,R_a$, donde $n$ son las horas de sol medidas y $N$ la duración máxima del día. Luego:

con albedo $\alpha$ = 0,23. La onda larga neta $R_{nl}$ se calcula con las temperaturas extremas, $e_a$ y la nubosidad relativa $R_s/R_{so}$, con $R_{so}$ como radiación de cielo despejado (ecuación 39). En pasos diarios, $G$ se toma igual a cero.

Viento y datos faltantes

El viento medido a otra altura $z$ se lleva a 2 m con $u_2 = u_z\,4{,}87/\ln(67{,}8\,z - 5{,}42)$, y no conviene usar $u_2$ menor que 0,5 m/s. Si falta la radiación, $R_s = k_{Rs}\sqrt{T_{max} - T_{min}}\,R_a$, con $k_{Rs}$ ≈ 0,16 en el interior y ≈ 0,19 en la costa. Si falta la humedad, $e_a \approx e^{\circ}(T_{min})$ en estaciones rodeadas de vegetación regada.

Método de Hargreaves-Samani

Hargreaves y Samani (1985) propusieron una ecuación que usa solo las temperaturas extremas y la radiación extraterrestre, calibrada con ocho años de datos diarios de lisímetros con festuca en Davis, California. FAO-56 la recoge como ecuación 52:

con $ET_0$ y $R_a$ en mm/d: $R_a$ en MJ m⁻² d⁻¹ se multiplica por 0,408. La amplitud térmica actúa como indicador de nubosidad y humedad. Conviene usarla cuando la estación registra solo temperaturas, para rellenar series o en pasos de diez días o mensuales. FAO-56 advierte que subestima con vientos fuertes ($u_2 \gt 3$ m/s) y sobrestima con humedad relativa alta. También pide verificarla en cada región contra Penman-Monteith y señala que Penman-Monteith con $R_s$ y $e_a$ estimados suele ser algo más precisa.

Tanque evaporímetro clase A

El tanque clase A es un recipiente circular de 120,7 cm de diámetro y 25 cm de profundidad, montado sobre una plataforma a 15 cm del suelo. Como el agua libre no evapora igual que un cultivo, su evaporación $E_{pan}$ (mm/d) se corrige con un coeficiente:

La tabla 5 de FAO-56 da $K_p$ entre 0,35 y 0,85 según si el tanque está rodeado de cultivo verde (caso A) o de barbecho seco (caso B), la distancia de esa cubierta a barlovento, el viento y la humedad relativa media. En el caso A, con 10 m de cubierta, viento de 2 a 5 m/s y humedad de 40 a 70 %, $K_p$ = 0,70: una evaporación media de 5,5 mm/d da $ET_0$ = 3,9 mm/d. El método se recomienda para períodos de diez días o más, y un nivel de agua 10 cm por debajo de la norma (5 a 7,5 cm bajo el borde) puede generar errores de hasta 15 %.

Coeficiente de cultivo Kc

El coeficiente de cultivo simple $K_c$ resume las diferencias entre el cultivo y el pasto de referencia: altura, resistencia de las hojas, albedo y evaporación del suelo. FAO-56 divide la temporada en cuatro etapas: inicial, de la siembra a cerca de 10 % de cobertura; desarrollo, hasta la cobertura completa efectiva; media, hasta el inicio de la madurez, y final, hasta la cosecha o la senescencia completa. $K_c$ es constante en las etapas inicial ($K_{c\,ini}$) y media ($K_{c\,med}$), y varía linealmente en las de desarrollo y final hasta $K_{c\,fin}$. La tabla 12 entrega valores para clima subhúmedo, con $HR_{min}$ ≈ 45 % y $u_2$ ≈ 2 m/s:

El $K_{c\,fin}$ del maíz es 0,60 si se cosecha con grano húmedo y 0,35 si el grano se seca en el campo. Los $K_{c\,ini}$ suponen riegos de frecuencia habitual; con aspersión muy frecuente o lluvia diaria pueden llegar a 1,0 o 1,2. En climas más secos o ventosos, $K_{c\,med}$ (y $K_{c\,fin}$ cuando es de 0,45 o más) se corrige según la altura del cultivo $h$ (m):

La corrección vale para $u_2$ entre 1 y 6 m/s y $HR_{min}$ entre 20 y 80 %. Para riegos de alta frecuencia, FAO-56 propone el coeficiente dual, que separa la transpiración ($K_{cb}$) de la evaporación del suelo ($K_e$).

Medición directa y estimación satelital

Los lisímetros aíslan un volumen de suelo con cultivo. Los de pesada miden la ET por cambio de masa, con precisión de centésimas de milímetro; los de drenaje, por diferencia entre agua aplicada y drenada. Son costosos y se reservan para investigación y calibración. Los métodos micrometeorológicos derivan el calor latente del balance de energía $R_n - G - \lambda ET - H = 0$: la razón de Bowen usa gradientes de temperatura y humedad, y la covarianza de remolinos correlaciona las fluctuaciones rápidas del viento vertical y del vapor. En 22 sitios de la red FLUXNET, Wilson et al. (2002) hallaron un desbalance de energía medio cercano a 20 %, atribuible a flujos turbulentos subestimados o a energía disponible sobrestimada.

Los modelos satelitales calculan la ET como residuo del balance de energía a partir de la temperatura de superficie. METRIC (Allen, Tasumi y Trezza, 2007), derivado de SEBAL, usa la banda térmica de Landsat, píxeles de anclaje frío y caliente y la ET de referencia de estaciones terrestres. OpenET combina seis modelos con píxeles de 30 m; contra torres de flujo en 24 sitios agrícolas, sus errores medios absolutos fueron de 13,6 a 21,6 mm/mes (Melton et al., 2022).

Relación con el balance hídrico y el riego

En el balance hídrico de una cuenca, la ET real cierra la ecuación entre precipitación, escorrentía y cambio de almacenamiento. En la zona de raíces, FAO-56 lleva un balance diario del agotamiento del suelo. Mientras este no supera el agua fácilmente aprovechable, una fracción $p$ (cercana a 0,5 en muchos cultivos) del agua disponible entre capacidad de campo y punto de marchitez, el cultivo evapotranspira a la tasa $ET_c$; más allá, $K_s$ baja linealmente hasta cero.

La $ET_c$ de la etapa media fija el caudal de punta de los sistemas de riego y de los canales de riego, una vez sumadas las pérdidas. La diferencia entre precipitación y evapotranspiración es la base del SPEI, uno de los índices de sequía, y la ET del agua de lluvia corresponde al agua verde de la huella hídrica. En Chile, la Red Agrometeorológica del INIA publica la $ET_0$ de sus estaciones.

Ejemplo resuelto

Se reproduce el ejemplo 18 de FAO-56: 6 de julio en Uccle (Bruselas), a 50°48' N y 100 m de altitud, con $T_{max}$ = 21,5 °C, $T_{min}$ = 12,3 °C, $HR_{max}$ = 84 %, $HR_{min}$ = 63 %, viento de 2,78 m/s medido a 10 m y 9,25 h de sol. Los cálculos se hicieron con python3.

1. Penman-Monteith FAO-56

Los valores intermedios coinciden con los de FAO-56, que informa 3,9 mm/d.

2. Hargreaves-Samani

$R_a$ = 41,09 × 0,408 = 16,76 mm/d, $T_{media} + 17{,}8$ = 34,7 °C y $\sqrt{9{,}2}$ = 3,033. Entonces $ET_0 = 0{,}0023 \times 34{,}7 \times 3{,}033 \times 16{,}76$ = 4,06 mm/d, 4,6 % sobre Penman-Monteith, coherente con su tendencia a sobrestimar con aire húmedo (humedad media de 73,5 %).

3. ETc de maíz en la etapa media

Sin ajuste climático sería de 4,66 mm/d. Con déficit hídrico, la ET real sería $K_s$ veces ese valor.

Errores frecuentes

• Usar $R_a$ en MJ m⁻² d⁻¹ en Hargreaves: sin el factor 0,408, la $ET_0$ sale 2,45 veces mayor.
• Calcular $e_s$ con la temperatura media: en el ejemplo, $e^{\circ}(16{,}9)$ = 1,925 kPa y el déficit de presión de vapor baja 12 %.
• No llevar el viento a 2 m: los 2,78 m/s medidos a 10 m superan en 34 % al $u_2$ correcto.
• Tomar $ET_c$ como ET real: con déficit hídrico, salinidad o baja densidad hay que aplicar $K_s$ u otros ajustes.
• Usar $K_c$ de tabla sin corregir: $K_{c\,med}$ cambia con el viento y la humedad, y $K_{c\,ini}$ con la frecuencia de mojado.
• Aplicar el tanque con $K_p$ = 1 o a datos diarios: $K_p$ va de 0,35 a 0,85 y el método es confiable en períodos de diez días o más.

Preguntas frecuentes

Fuentes

• Allen, R. G., Pereira, L. S., Raes, D. y Smith, M. (1998). Crop evapotranspiration: Guidelines for computing crop water requirements (Estudio FAO Riego y Drenaje n.º 56). FAO. fao.org
• Hargreaves, G. H. y Samani, Z. A. (1985). Reference crop evapotranspiration from temperature. Applied Engineering in Agriculture, 1(2), 96-99. doi.org
• Allen, R. G., Tasumi, M. y Trezza, R. (2007). Satellite-based energy balance for mapping evapotranspiration with internalized calibration (METRIC): Model. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 133(4), 380-394. ascelibrary.org
• Wilson, K., Goldstein, A., Falge, E. et al. (2002). Energy balance closure at FLUXNET sites. Agricultural and Forest Meteorology, 113, 223-243. ameriflux.lbl.gov
• Melton, F. S., Huntington, J., Grimm, R. et al. (2022). OpenET: Filling a critical data gap in water management for the western United States. Journal of the American Water Resources Association, 58(6), 971-994. usgs.gov
• Instituto de Investigaciones Agropecuarias (INIA). Agrometeorología: evapotranspiración de referencia. agrometeorologia.cl