Revista de la ciencia del suelo y nutrición vegetal - ELEMENTOS DE FISICA Y MECANICA PARA EVALUAR LA SUSTENTABILIDAD DE SUELOS AGRICOLAS
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Revista de la ciencia del suelo y nutrición vegetal

ISSN 0718-2791 versión on-line
 
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  R.C. Suelo Nutr. Veg. v.4 n.2 Valdivia dic. 2004




 

R.C. Suelo Nutr. Veg. 4 (2) 2004 (1-13)

 

ELEMENTOS DE FISICA Y MECANICA PARA EVALUAR LA SUSTENTABILIDAD DE SUELOS AGRICOLAS 1

Elements of physics and mechanics for agricultural soils sustainability evaluation

 

José Cuevas B. a, José Dörner F. b, Achim Ellies Sch. a

a Instituto de Ingeniería Agraria y Suelos, Universidad Austral de Chile. Casilla 567, Valdivia. Chile. Correspondencia: josecuevas@uach.cl.
b Institute for Plant Nutrition and Soil Sciences, Christian Albrechts Universitat, Kiel, Alemania.
1 Parte de este trabajo fue presentado en Simposio Internacional "Manejo Sustentable de Suelos Chilenos", Chillán, 18-20 junio 2003.


ABSTRACT

The soil should be considered a critical component of the biosphere, because a series of reactions and relationships happen through its porous system. The degradation of this resource is not assumed, in general, as a very extended problem or it doesn’t cause great impact in the society. To consider the sustentabilidad of this, it should be considered the productivity of the soil, the environmental quality of this and the capacity of the soil of producing healthy and nutritious foods.
The main physical problems that affect to the soils are the erosion and the compaction, associate processes intimately and that not alone they generate problems in the same place where they take place, if not that they cause contamination of other ecosystems.
The factors that affect to the erosion are: climate, vegetation, topography and the soil, and to evaluate the risk and mount of erosion exist such models that are adjustable to different ecosystems.
Of the point of view of the compaction, this it depends on the characteristics of the soil and of the exerted load, for their evaluation different methods can be used like: Bulk density, Hydraulic conductivity, Structures of the soil, Compaction degree, Penetration resistance, Hydrophobic and Aggregate Stability.
Finally, I proposed a number of parameters to evaluate the erosion risk and compaction, considering the environmental quality of the soil.

Key words: Soils, Erosion, Compaction, Physical degradation.

RESUMEN

El suelo debe ser considerado un componente crítico de la biosfera, ya que una serie de reacciones y relaciones ocurren a través de su sistema poroso. La degradación de este recurso no se asume, en general, como un problema muy extendido o no causa gran impacto en la sociedad. Para considerar la sustentabilidad de este, se debe considerar su productividad, su calidad medioambiental y su capacidad para producir alimentos sanos y nutritivos.
Los principales problemas físicos que afectan a los suelos son la erosión y la compactación, procesos asociados íntimamente y que no solo generan problemas en el mismo lugar donde se producen, si no que provocan contaminación de otros ecosistemas.
Los factores que afectan a la erosión son: clima, vegetación, topografía y el suelo, y para evaluar el riesgo y monto de erosión existen modelos que son ajustables a distintos ecosistemas.
La compactación depende de las características del suelo y de la carga ejercida, para su evaluación pueden usarse métodos como: Densidad aparente, Conductividad hidráulica, Estructura del suelo, Grado de compactación, Resistencia a la penetración, Hidrofobia y Estabilidad de agregados.
Se propone finalmente una serie de parámetros para evaluar el riesgo de erosión y compactación, considerando la calidad medioambiental del suelo.

Palabras claves: Erosión, Campactación, Degradación física.


 

INTRODUCCION

Un denominador común entre los elementos estratégicos para alcanzar la sustentabilidad de los agroecosistemas es el mejoramiento y conservación de la fertilidad y productividad del suelo (Conway y Barbier, 1990).

Para este fin, administradores de recursos, investigadores, científicos y quienes toman decisiones, requieren indicadores que proporcionen información sobre el curso que seguirá la evolución de las propiedades del suelo, cuando sea sometido a diferentes condiciones de manejo.

Varios autores (Parr et al., 1992; Doran et al., 1994; Etchevers, 1999) han coincidido en la necesidad de desarrollar un enfoque que resalte el papel del suelo, como un componente crítico de la biosfera, en los niveles local, regional y global, lo cual implica mejores condiciones de salud para los seres vivos (Doran et al., 1994). La degradación de suelos es reconocida como un problema extendido, no así su distribución geográfica y el área total afectada. Una definición de calidad de suelos, en cuanto a su sustentabilidad, debe incluir tres principios importantes: a) La productividad del suelo, que se refiere a la productividad del ecosistema o agroecosistema, sin perder sus propiedades físicas, químicas y biológicas; b) la calidad medio ambiental, entendida como la capacidad de un suelo para atenuar los contaminantes ambientales, los patógenos, y cualquier posible daño hacia el exterior del sistema, incluyendo también los servicios ecosistémicos que ofrece (reservorio de carbono, mantenimiento de la biodiversidad, recarga de acuíferos, etc.); y, c) la salud, que se refiere a la capacidad de un suelo para producir alimentos sanos y nutritivos para los seres humanos y otros organismos (Arshad y Coen, 1992; Parr et al., 1992; Doran y Parkin, 1994).

Como consecuencia de la revolución verde se han generado diversos problemas ambientales y ecológicos como la erosión y compactación del suelo, la contaminación de aguas subterráneas, la disminución de diversidad genética, la deforestación y desertificación y la acumulación de residuos de pesticidas en los productos alimenticios, etc. (Altieri, 1993; Conway y Barbier, 1990; Hecht, 1997; Lacy, 1993; Lockeretz, 1988; Rosset y Altieri, 1998; Staatz y Eicher, 1984).

A juicio de los autores, los principales problemas físicos que afectan a los suelos Chilenos son:

Erosión.

La erosión del suelo es la remoción del material superficial de la corteza terrestre, ya sea por agua o por viento, y dependiendo de su intensidad, constituye una de las principales fuentes de degradación del recurso, inhabilitándolo para cumplir sus funciones en el ciclo hidrológico y de producción vegetal. En forma natural, existen tasas de erosión a escala geológica que entregan la tolerancia de pérdida de suelo en el largo plazo (Kirby y Morgan, 1980). El proceso erosivo está compuesto por la interacción de dos subsistemas (Hengyue et al., 1993): Un sistema de dinámica erosional (lluvia, gravedad, viento, hielo) y un sistema de la condición de superficie (geomorfología, suelo, vegetación, sistema de cultivo y manejo). Cuando la actividad antrópica posee un impacto trascendental, es posible separarla como un subsistema independiente. La integración de las fuerzas de sacado y transporte con las fuerzas de resistencia y depositación resultan en procesos erosivos y de conservación de suelo. La erosión hídrica y eólica, se expresan como producto de las condiciones naturales y principalmente, de las diferentes acciones antrópicas, tales como, la deforestación con fines agrícolas, el sobrepastoreo, la disminución de la cobertura vegetal. Lo anterior, esta muy asociado a la compactación de suelos por un uso agropecuario inapropiado del suelo. Esto está conduciendo a una degradación del recurso en distintas regiones, lo que no sólo afecta al medio ambiente sino que también repercute en lo económico y social.

Los principales factores que afectan la erosión hídrica son el clima, la topografía, el suelo y la vegetación.

Clima. Los factores que más influyen en la erosión son la precipitación, la temperatura y el viento. Hay una relación estrecha entre las características de la lluvia (intensidad y duración del evento) y la escorrentía. La temperatura y el viento son importantes en la evaporación. El viento también cambia la velocidad de la lluvia y su ángulo de impacto sobre el suelo, afectando con ello su fuerza erosiva.

Vegetación. La presencia de una buena capa de vegetación sirve para proteger la superficie del suelo del impacto del agua, sea de la lluvia o de escorrentía.

Topografía. Las características topográficas que influyen sobre la erosión son la inclinación y el largo de la ladera, así como también la forma y tamaño del área de drenaje, conocida como la cuenca hidrográfica.

Suelo. Las propiedades físicas del suelo (estructura, textura, consistencia, cantidad y tipo de materia orgánica, contenido de humedad, densidad y conductividad hidráulica) influyen en la capacidad de infiltración y la resistencia del mismo al desprendimiento y transporte por la escorrentía.

En Chile el único estudio que abarca el territorio casi en su totalidad es del año 1979 (Cuadro 1). A pesar del año de realización y utilizar estimadores subjetivos para la clasificación de los niveles de erosión, se procedió a un análisis exploratorio de los rangos de erosión que afectan a los diferentes paisajes del territorio continental nacional. Sobre esta base, se determinaron niveles de erosión masivo, indistintamente de los factores y de la mecánica que caracterizan sus diferentes tipos y clases, como asimismo, sin discriminar, si ésta es activa o pasiva y si está o no en vías de estabilización (FAO, 2000). Este estudio se sigue utilizando como referencia. Aunque Honorato et al., (1999), menciona datos del SAG, los que señalan que en Chile un 60% de la superficie de interés silvoagropecuario presentaría procesos de erosión moderados a muy severos. Estos fenómenos afectan principalmente a los suelos Graníticos y Metamórficos (Alfisoles y Ultisoles) asociados a Cordillera de la Costa en posición de lomajes y cerros, a los Rojo Arcillosos (Alfisoles y Ultisoles), asociados a la depresión intermedia y faldeo oriental de la Cordillera de la Costa y a los Trumaos (Andisoles) asociados preferentemente a la Precordillera Andina desde Curico a Chiloé.

 

Cuadro 1: Superficie a escala nacional afectada por la erosión.
Table 1: National surface affected by the erosion.
 
Región (superficie)
Área Estudiada
Nivel de erosión
% Regional Erosionado
Grave
Moderada
Leve
Total
I
II
III
IV
V

VI
VII
VlII
IX
X
XI
Xll
Tarapacá (5 807,2)
Antofagasta(12 530,6)
Atacama (7 826,8)
Coquimbo (3 964,7) Valparaíso (1 637,8)
Metropolitana(1 578,2) O’Higgins (1 595,0
Maule (3 051,8)
Bio-Bio (3 600,7)
Areucania (3 247,2)
Los Lagos (6 903,9)
Aisén (10 715,3)
Magallanes (11 231,0)
Total País (75 490,6)
2539,0
2681,6
2648,1
3549,6
893,7
558,9
973,4
1538,0
2362,1
2478,1
4846,1
4624,5
4887,7 34490.8'
1066,1
1435,2
1208,5
654,3
282,9
483,0
742,8
814,8
994,2
875,2
1022,8
1055,1
900,0
11534.9
1116,1
1120,1
809,3
1425,7
146,8
58,8
210,6
686,6
1167,5
1533,3
1628,4
2179,5
3463,5 15546.2
356,1
126,3
630,4
1379,6
463,9
17,1
19,9
36,6
200,4
66,5
2194,9 1389,9
524,3
7409.6
2539,0
2681,6
2648,1
3549,6
893,7
558,9
973,4
1538,0
2362,1
2478,1
4846,1
4624,5
4887,7
34490.8
43
21
35
85
55
36
61
51
66
76
66
45
37
46
Fuente: IREN-CORFO. 1979

 

En el Cuadro 1, llama a la atención, que existe un porcentaje importante afectado por erosión hasta el año 1979. A pesar de los progresos tecnológicos (GPS, GIS etc), no se han realizado estudios a escala nacional para actualizar la información recopilada por IREN-CORFO. Otro problema, que incluso se destaca dentro del informe de IREN-CORFO, tiene relación con la evolución de las vertientes y su vinculación con las zonas bajas contiguas. Los cursos de agua, al recibir sedimentos generados por procesos erosivos, los conducen a puntos más bajos, provocando problemas de contaminación como la eutroficación.

Para evaluar la erosión, existen una serie de metodologías que han sido ampliamente probadas y estudiadas, estas serán mencionadas pero no discutidas:

• Ecuación universal de pérdida de Suelos (USLE)

• Estimador de perdida de suelos para el Sur de África (SLEMSA)

• Simulación de la respuesta del ambiente a fuentes difusas de la línea divisoria de aguas (ANSWER)

• Químicos, Escurrimiento y Erosión desde sistemas bajo manejo agrícola (CREAMS)

• Proyecto de medición de erosión por agua (WEPP)

• Sistema de sedimentación de erosión de la Universidad de Griffith (GUESS)

• Erosión de suelo Europeo (EUROSEM)

• Uso de marcadores (137Cs)

Compactación.

En Chile no existe información oficial acerca de la superficie afectada por compactación, y solo se ha descrito bajo ciertas características de manejo, con fines científicos y sin evaluar el alcance de la compactación en términos de impacto económico y social o sobre otros procesos en el suelo, como puede ser el cambio en los flujos internos de éste.

La compactación del suelo ocurre cuando es sobrepasada su capacidad de soporte y se genera un aumento de su densidad aparente, se redistribuye el volumen poroso, afectando su funcionalidad expresado por la capacidad de conducir agua y aire, incrementándose el riesgo de erosión hídrica (Hartge and Horn, 1991; Hillel, 1998).

La compactación también provoca un efecto negativo sobre el desarrollo radical, siendo un problema generalizado en todo el mundo, con efectos permanentes en el tiempo (Hakansson, 1994; Hakansson y Reeder, 1994; Hadas, 1994; Tebrügge & Düring 1999; Ellies, 1995; Horn, 2002). Existe amplia evidencia acerca de los efectos de la compactación de los suelos sobre el crecimiento vegetal los que se representan a través de varias respuestas de tipo fisiológico, relacionadas con el déficit hídrico y la falta de aireación en la zona radicular (Mulholland et al., 1999; Hussain et al., 2000; Hussain, 1999). La compactación esta asociada con fenómenos de deformación interna en el suelo. Ningún cuerpo en la naturaleza es completamente rígido y todos se deforman en mayor o menor grado, dependiendo de la magnitud de la fuerza aplicada sobre ellos (Cuadro 2).

Es importante resaltar que la compactación significa una deformación plástica, que ocurre a expensas del sistema poroso y se traducen en una pérdida de calidad del suelo, por esto es importante evaluar sus propiedades mecánicas. En este trabajo, se evalúan algunas pruebas que se utilizan para medir los efectos sobre la estabilidad mecánica de los suelos y compactación.

Parámetros y elementos que permiten evaluar la compactación de un suelo.

Densidad aparente.

Es uno de los parámetros más usados para caracterizar el estado de la compactación de un suelo. Sin embargo, a iguales valores de densidad aparente, las respuestas de los cultivos son diferentes para suelos distintos (Kuht and Reintam, 2001). La densidad aparente del suelo se puede determinar fácilmente en laboratorio, con muestras no alteradas o con métodos desarrollados para condiciones de campo (Hartge y Horn 1992). Esta propiedad del suelo es muy utilizada y tiene varias denominaciones, tales como peso volumétrico, densidad de campo. En todos estos casos se hace referencia a la relación existente entre la masa y el volumen del suelo, pero sólo la masa de la sustancia sólida. Junto con la densidad real determinan el monto de porosidad total de los suelos.

 

Cuadro 2: Distintos resultados de mediciones sobre propiedades mecánicas de suelo.
Table 2: Different results of soil mechanics properties measurements.
 
Peso (Mg)
Suelo
Efecto
Profundidad (cm)
Autor
10 Arcilloso Deformación Plástica 120 Danfors (1974)
16 Arcillo-Limoso Deformación Plástica 120  
6 Limoso Deformación Plástica 40 Danfors (1974)
8 Limoso Deformación Plástica 40  
5.3 Limoso Disminución fuerte en Espesor del Suelo
Disminución suave en Espesor del Suelo
40
40-50
Okhitin et al., (1989)
3.7 Limoso Compactación Capa arable Domzal et al., (1991)
2.5 13 Suelos Incremento Densidad Aparente 0-40 Dumitru et al., (1989)
5.8 Arenoso (Cincel) Incremento Densidad Aparente 0-65 Meek et al., (1992)
2.4 Arenoso (Cincel) Incremento Densidad Aparente
0-50
 
10   Incremento Densidad Aparente y Menor
Ksat (Conductividad Hidráulica saturada)
0-60 Wronski (1984)
10 Arcilloso
Orgánico
Aumento Resistencia Penetración
Aumento Resistencia Penetración
0-50
0-40
Alakukku et al., (1994)
10 Arenoso
a Arcilloso

Aumento Resistencia Penetración y
Tendencia a aumentar resistencia a mayor
Profundidad
0-50 Häkansson et al., (1985)
10   Aumento Resistencia Penetración y
Densidad aparente, disminución en Ksat
0-50 Hammel (1994)
10 Arenoso Grueso Aumento significativo Resistencia
Penetración
0-50 Schonning et al., (1994)

 

Como se observa en el Cuadro 3, los valores de densidad aparente son variados, por lo que deben ser tomados como referenciales, ya que no entregan datos acerca de la distribución por tamaño de poros, y mucho menos información acerca de la continuidad del medio poroso, elementos que determinan la funcionalidad de los poros de un suelo.

Conductividad hidráulica (K).

Es un indicador de la calidad y continuidad del sistema poroso. Una consolidación antropogénica se produce con el tránsito, pisoteo y laboreo del suelo y se refleja en un cambio de la morfología del espacio poroso. Estos se traducen en una pérdida de la porosidad total y en un incremento de la porosidad fina, a expensas de la gruesa. Ello modifica la relación suelo / aire / agua, en lo que se refiere al almacenamiento y conducción de los fluidos (Ellies et al., 1982; Helal. 1990; Ellies, 1995).

 

Cuadro 3: Valores de Densidad aparente para distintos tipos de suelos.
Table 3: Bulk density values for different soil types.
 
 
Da (g*cm-1)
EP, n (%)
Suelos arenosos
Suelos francos
Suelos limosos
Suelos arcillosos
Suelos volcánicos
Suelos orgánicos
1,67
1,96
1,53
1,32
0,75
0,48
1,19
1,19
1,19
0,92
0,20
0,12

37
26
42
50
69
60

55
55
55
65
91
90

Fuente: Ellies, 2000. (no publicado)

 

La conductividad hidráulica es una propiedad del material, la que sin embargo no es constante, ya que el suelo es un medio estructurado, lo que implica que la continuidad del medio poroso y con ello los pasajes de flujo cambien. En un cuerpo poroso rígido esta sería una constante del material (Hartge y Horn, 1991). Cambia por efecto de la presión de flujo, que ejerce una gradiente de presión de agua sobre las partículas sólidas (Horn y Hartge, 1977). Depende de la forma y de la continuidad de los poros, lo que implica una alta variabilidad de sus valores en el suelo. Generalmente, la conductividad hidraúlica es heterogénea y anisotropica, mostrando valores distintos en los horizontes de suelo, además existirá dependencia de la dirección en que se recolecten las muestras (Hillel, 1998). Como la estructura del suelo es más variable que su textura, la conductividad hidráulica varia más en suelos con un sistema poroso secundario desarrollado, en comparación con otros con un dominio de poros primarios. Por esta razón, la conductividad hidráulica varía entre horizontes. La variación es geométrica, con relación a los cambios que experimenta el tamaño, forma y continuidad de los capilares. Una distribución normal se obtiene con muchas repeticiones para suelos arenosos. En suelos estructurados la distribución es más asimétrica, porque K depende de la densidad y tamaño de los agregados, y de la forma y continuidad de los poros secundarios por sección de flujo.

Transmisión de tensiones en el suelo.

La estabilidad mecánica es producto del equilibrio de las fuerzas en el suelo. Estas son el peso de la partícula; fuerzas sobre yacentes transmitidas por la fase sólida; fuerzas transmitidas por las fases gaseosa y líquida. Las fuerzas de cohesión y adhesión, se oponen a las fuerzas que comprimen o descomprimen. La dirección del vector resultante, tiene una dirección que favorece la mantención del estado actual de la densidad aparente. Esta fuerza, que se opone al movimiento, tiene dos componentes: una en dirección al plano normal y otra tangencial, denominada resistencia al corte (Ellies citado por Dörner, 1999).

Los modelos que describen la distribución de las presiones en el suelo están basados en la teoría elástica y plástica de la tensión-deformación. Esta establece que bajo condiciones de equilibrio, la deformación de un cuerpo es directamente proporcional a la presión aplicada. Estos modelos pueden ser clasificados en modelos de elementos finitos y modelos analíticos. (Gupta et al., 1989 ; Horn, 1993 ; Gupta y Raper, 1994).

Modelos de elementos finitos. El suelo es representado como una continua sucesión de unidades finitas conectadas entre sí por nodos. (Gupta y Raper, 1994). Estos modelos representan al suelo como un material linealmente elástico y entregan una buena aproximación de la transmisión de tensiones en los suelos.

Modelos analíticos. Este tipo de modelos asume que los materiales en que se transmiten las presiones son homogéneos, elásticos, isotrópicos y semiinfinitos. (Horn, 1993). Entre dichos modelos analíticos, se encuentran los siguientes,

Modelo de la carga vertical puntual. Este modelo fue propuesto inicialmente por Bousinesq en 1885. La interfase entre suelo-rueda se aproxima a la acción de una carga vertical puntual actuando en un medio semiinfinito y elástico. Sin embargo, esta aproximación no considera la modificación que experimenta la distribución de las tensiones al variar la textura del suelo. (Koolen y Kuipers, 1983).

Modelo del área circular. Aqui se describe la interfase entre suelo y rueda como un área circular cargada uniformemente por una fuerza normal a ella, este modelo propone la utilización del factor de concentración de Frölich para incluir la variación textural entre los distintos tipos de suelos. (Gupta y Raper, 1994).

Modelo de la sumatoria de Söhne. Este modelo considera que cada elemento de la interfase suelo-rueda soporta una carga normal, y la suma de estas presiones parciales determina la presión efectiva total (Koolen y Kuipers, 1983).

Aproximación semi- empírica. Este modelo de distribución de tensiones, propuesto por Smith (1998), asume que el área de la zona de contacto suelo - neumático es elíptica.

Este modelo toma la solución analítica propuesta por Boussinesq, le introduce el coeficiente de concentración (v), para adaptarlo a medios plásticos y con módulo de Young variable con la profundidad, y finalmente se incorpora un sistema de coordenadas que permita trabajar con una zona de contacto elíptica.

El grado de compactación.

Término usado en investigaciones suecas, fue introducido para evaluar la compactación en las capas arables que son disturbadas permanentemente por prácticas agrícolas. El grado de compactación D es definido como la densidad base seca de un suelo en relación a una densidad base seca de referencia, obtenida a partir de ensayos de compresión uniaxial en el mismo suelo sometido a 200 kPa de presión de compactación. Hakansson (1990), uso este parámetro en una serie de experimentos de campo en un amplio rango de suelos, cultivados con cebada de primavera. En suelos minerales, con un contenido de arcilla de entre 20 y 600 g/Kg se encontró el mismo valor D óptimo en la capa arable (D > 87 %) independiente de la composición textural del suelo. Resultados similares fueron encontrados en ensayos en Noruega y Polonia.

En suelos arcillo arenosos, comparados con suelos de texturas más finas, el valor crítico de resistencia a la penetración, sobre un rango de valor de D, es alcanzado a una tensión matricial menor. Esto se debe a que este suelo libera gran cantidad de agua a bajas tensiones. Además, suelos arenosos, con baja área de superficie específica, pueden necesitar sólo una pequeña cantidad de arcilla, para cementar y endurecerse, cuando se secan. Hakansson (1990) encontró, para todos los suelos minerales de Suecia, que el mayor rendimiento para cebada estaba para valores de D cercanos 87%. Sin embargo, este es un valor que variará según el cultivo en el cual se realizaron las investigaciones (Lipiec y Hakansson, 2000; Hakansson, 1990).

Evaluación de la resistencia a la penetración.

La resistencia o impedancia mecánica del suelo (RP), medida con un penetrómetro, ha sido correlacionada con penetración de raíces. Taylor y Gardner (1963) y Taylor et al., (1966) demostraron que esta relación fue la misma para un amplio rango de tipos de suelo, contenidos de humedad y densidad aparente, lo cual sugiere, que se trata de una relación fundamental. Si bien la resistencia a la penetración de un cono es una determinación empírica, igualmente integra muchos, aunque no todos, los factores que regulan la resistencia mecánica del suelo.

Diversos trabajos de investigación, han prestado considerable atención a los valores críticos de RP por encima de los cuales no se produce crecimiento radicular. Considerando una amplia gama de tipos de suelo, especies vegetales y técnicas experimentales, los valores críticos de RP han variado entre 1,0 y 5,6 MPa (Bengough y Mullins, 1991; Ehlers et al., 1983; Gerard et al., 1982; Martino y Shaykewich, 1994). Esta amplia variación sugiere que la RP medida con un penetrómetro, no contempla todos los factores físicos del suelo que afectan el desarrollo de las raíces.

Los valores de RP críticos, mencionados anteriormente, son hasta seis veces mayores que las máximas presiones que las raíces pueden aplicar. Whiteley et al., (1981) utilizaron penetrómetros de forma y tamaño similares a los de las raíces, y determinaron, que la RP crítica fue entre tres y cinco veces mayor que la presión de las raíces. La diferencia puede ser atribuída a la capacidad de las raíces para contorsionarse cuando encuentran obstáculos (Whiteley y Dexter, 1983), a la reducida fricción entre raíz y suelo (Cockroft et al., 1969) y a la capacidad de las raíces para ejercer presiones radiales. Por debajo del nivel crítico, la tasa de elongación de las raíces aumenta exponencialmente en la medida en que la RP disminuye. El efecto depresivo de la RP se manifiesta aun a muy bajos niveles de resistencia (Bengough y Mullins, 1991), y parece haber una gran variabilidad en la sensibilidad de las distintas especies a la RP. Por otra parte, existe la posibilidad de evaluar muestras no disturbadas de suelo en laboratorio, por medio de aparatos que miden la resistencia interna del suelo (odómetro, máquina de corte) y así determinar parámetros como la capacidad de soporte, cohesión y el ángulo de fricción entre las particulas del suelo. En el Cuadro 4 se presenta los datos para tres suelos Chilenos. Lo que más llama a la atención, es la variación que registran las propiedades mecánicas del suelo al variar los contenidos de humedad. Si correlacionamos esta menor resistencia con un mayor contenido de humedad y el aumento en el peso y las mejores características de tracción de la maquinaria utilizada en la actualidad, veremos la importancia de contar con elementos de juicio para definir la traficabilidad de un suelo, para evitar dañar en forma permanente su estructura.

 

Cuadro 4: Características mecánicas de 3 suelos del Sur de Chile.
Table 4: Soil Mechanics characteristics in 3 soils of South of Chile.
 
Sector
Época
Profundidad
(cm)
Tensión de
humedad
(pF)
Capacidad
soporte
(kPa)
Ángulo de
fricción
Cohesión (kPa)
Palehumult Invierno

Verano
0 – 15
15 – 30
0 – 15
15 – 30
2,3
2,25
4,7
4,26
71,25
115,40
140,0
124,0
46,04
26,37
71,23
68,80
16,90
39,67
62,64
57,61
Hapludand Invierno

Verano
0 – 15
15 – 30
0 – 15
15 – 30
2,74
1,07
3,41
3,52
76,9
86,5
96,1
140,9
35,8
37
45,4
42,1
29,9
26,6
37,2
26,5
Udivitrand Verano

Invierno
0 – 15
15 – 30
0 – 15
15 – 30
2,4
1,6
1,9
2,9
86,3
92,0
84,0
118,3
48,7
50,2
46,2
50,4
7,1
9,1
9,5
14,8
Fuente: Cuevas, 2002.

 

Hidrofobía.

Desde el punto de vista de la erosión, este es un parámetro de suelo importante, ya que su existencia, se asocia a flujos superficiales y escorrentías. Se ha reportado la existencia de suelos con problemas de repelencia al agua a través de todo el mundo. Existen repelencias que son generadas por características naturales de los suelos, como por ejemplo lo reportado por Jamison (1945) citado por Bauters et al., (1998) acerca de arenas repelentes en Florida, que provoca la formación de cuerpos secos en el subsuelo; o por DeBano et al., (1976) citado por Bauters et al., (1998) que reportó hidrofobia producida por la quema de zonas cubiertas por arbustos, en dichos lugares al quemarse la litera, se liberan sustancias orgánicas volátiles las que caen sobre la superficie del suelo, y provocan hidrofobia en el suelo; también existen procesos hidrofóbicos que son generados a partir de hifas de hongos. Bond y Harris (1964) citado por Giovannini et al., (1983) encontraron zonas definidas con hidrofobia en prados los que eran causados por hongos basidiomicetes que presentan capas repelentes como cera, lo que genera esta hidrofobía.

Para evaluar la hidrofobia se pueden utilizar métodos directos o indirectos como por ejemplo: Ángulo de contacto, Alza capilar, Presión capilar, Tasa de penetración de agua, Energía libre de humectación, Calor de humectación e inmersión, Tiempo de penetración de la gota de agua, Tensión superficial de inmersión, Adsorción desde solución acuosa, métodos que están ampliamente descritos en la literatura internacional.

Estabilidad de agregados.

Es una medida de la vulnerabilidad de los agregados del suelo frente a fuerzas externas destructivas (Hillel, 1982). Un agregado, como se mencionó anteriormente, consiste de diversas partículas del suelo ligadas entre sí, debido a procesos físicos, quimicos y a la acción de agentes biológicos. Los agregados que se resisten a las fuerzas del agua son denominados agregados estables al agua (AEA). En general, cuanto mayor sea el porcentaje de agregados estables, tanto menor será la erodabilidad del suelo. Los agregados del suelo son producto de su comunidad microbial, de los componentes orgánicos y minerales del mismo, de la naturaleza de la comunidad de plantas en la superficie y de la historia del ecosistema. La estabilidad de los agregados es importante en relación al movimiento y almacenaje de agua del suelo, a la erosión, desarrollo radicular y actividad de la comunidad microbial (Tate, 1995). La destrucción de agregados es el primer paso hacia el desarrollo de costras y sellado superficial, los cuales impiden la infiltración del agua e incrementan la erosión. La agregación del suelo puede variar a lo largo de determinados períodos de tiempo, tales como una estación o un año. Los agregados pueden formarse, desintegrarse y re-agregarse periódicamente (Hillel, 1982). Para evaluar la estabilidad de agregados se han propuesto algunos índices, los que se describen a continuación.

SS = A – B
SS: Indice de estabilidad estructural
A: Tamaño inicial de los fragmentos
B: Fragmentos del tamaño pequeño después de la presión

La estabilidad estructural de un suelo se asocia a la capacidad de las unidades estructurales de resistir cambios después de la aplicación de estrés mecánico. Existen dos tipos principales de estabilidad estructural: 1.- la habilidad del suelo para mantener la estructura después de la acción del agua y 2.- la habilidad del suelo para mantener su estructura después de la acción de presiones mecánicas externas

El tamaño inicial corresponde al mayor nivel jerárquico de tamaño de partículas, con una baja energía, mientras que el tamaño de las partículas, después de la tensión, corresponde a los fragmentos que quedan después de la aplicación de altos niveles de energía que provocan la disrupción de los agregados

Henin et al., (1985) proponen un índice de estabilidad medido a partir del peso de los fragmentos de suelo retenidos en tamices de 0.20 mm después de pretratamientos con alcohol, benceno y agua:

Is = Arcilla (%)+ Limo(%) / ((ASA (%) + BSA (%) + WSA (%))/3) – 0.9 Arena (%)

Arcilla, Limo y Arena son los porcentajes de arena, limo y arcilla en la suspensión tratada con benceno o agua

ASA, BSA y WSA son los porcentajes de agregados estables después del tratamiento con alcohol, benceno y agua respectivamente.

Is este índice puede variar desde 0.1 para suelos estables hasta > 100 para suelos muy inestables, así como suelos sódicos.

WSA, peso de agregados estables al agua > 25 mm, relacionado con el peso de los agregados de 1 a 2 mm de diámetro, se ha mostrado como un indicador altamente sensible a los efectos de las prácticas de manejo agrícolas sobre la estabilidad estructural (Topp et al., 1997).

SS = (WSA – Wsand) / (Wagg – Wsand)

Wsand es el peso de partículas de arena medidas después de la dispersión de WSA y Wagg es el peso total de los agregados tamizados. Se recomienda utilizar 4 g de agregados secos de un tamaño de entre 1 a 2 mm para el cálculo de SS.

Finalmente, la dispersión de las arcillas puede ser un buen indicador de la inestabilidad de los suelos y para medir esto, se han desarrollado varias técnicas turbidimétricas, de manera de describir la cantidad de arcillas dispersadas después de la aplicación de energía mecánica.

DISCUSION

Se han revisado algunas de las técnicas mas utilizadas para evaluar la condición física y mecánica de un suelo del punto de vista agrícola. Existe evidencia de una disminución de los rendimientos en variedades de alto potencial de producción y de menor eficacia en la respuesta al uso de insumos (fertilizantes químicos y pesticidas). Según una corriente de interpretación, la disminución en los rendimientos ocurre porque se está llegando al máximo de rendimiento potencial, por lo cual la superación del mismo será cada vez mas marginal y se dará en la medida que se produzcan nuevas variedades genéticamente mejoradas. Según el enfoque agroecologista, la estabilización de los rendimientos se debe a la degradación de la base productiva de la agricultura por prácticas no sustentables. Asimismo, se observa que se deben aplicar dosis mucho más altas de fertilizantes químicos para obtener el mismo nivel de producción que el que se obtenía con un menor uso de insumos químicos (Rosset y Altieri, 1998).

En este contexto, se sitúa el suelo como el principal afectado por las prácticas agrícolas. Se debe tomar en consideración que cualquier actividad agrícola, invariablemente, provocará una disturbación del medio ambiente, en este caso el ambiente suelo, que es el que nos interesa. La idea de un manejo conservacionista, o sustentable agroecologista, debe ir enfocado a que estos efectos sean de la menor magnitud posible o que estos puedan ser subsanados con otras practicas, para así mantener la capacidad de función o calidad del suelo. Del punto de vista de la estructura del suelo, que juega un rol principal en la calidad de éste, no existe coincidencia acerca de su capacidad de recuperación. Es probable que los efectos que se provoquen sobre ella, generadas por la deformación del suelo, sean permanentes, lo que implica cambios en el sistema poroso del suelo, esto altera la relación agua-suelo-planta y obviamente, genera efectos detrimentales sobre el agroecosistema, cuya consecuencia final, o la mas visible, la constituye la erosión. En Chile, se ha recurrido a la fertilización como manera de revertir la degradación de suelos y no se han tomado en consideración, parámetros físicos de suelo, ni mucho menos, se ha evaluado el impacto de la contaminación por fertilizantes. En opinión de estos autores, con una adecuada base de datos, que contenga información acerca del comportamiento físico de los suelos, de su capacidad de infiltración, de los potenciales hidráulicos, de su capacidad para permitir un adecuado crecimiento de las plantas, se podrían establecer programas que tiendan a:

• Revertir procesos de degradación,

• Manejar los recursos en forma adecuada, en suelos que presenten algún nivel de fragilidad, para asi permitir una recuperación del recurso suelo.

• Definir directrices, en cuanto a manejo de los recursos, en aquellos suelos en que por condición natural, su capacidad de resistencia mecánica sea adecuada para soportar niveles productivos propios para la sustentabilidad económica del sector.

En este sentido, bien vale la pena mencionar que, la necesidad de mayor potencia de la maquinaria agrícola para lograr una buena cama de semillas esta influenciada por la mayor firmeza del suelo, que favorece la traficabilidad de estos, pero a expensas de un menor volumen poroso y una menor interconexión de los canales producto de la compactación. Si se usara el rango friable de un suelo, se puede bajar la necesidad de potencia para los tractores agrícolas, aunque la mayoría de los suelos presentan daños por compactación difíciles de revertir, una alternativa seria el uso de acondicionadores como materia orgánica, sin embargo esto se debe analizar por las implicancias en contaminación y posibles daños a la población.

Otro punto importante, en cuanto a la caracterización fisico-mecanica de un suelo, es la elección de los parámetros adecuados para que permitan evaluar la funcionalidad y/o calidad del suelo con respecto a los aspectos anteriormente mencionados como su capacidad de producción, calidad medio ambiental y salud. En este sentido, parametros que permitan distiguir la estabilidad estructural y la funcionalidad del sistema poroso juegan un papel primordial.

Finalmente se presenta el cuadro 5, adaptado de Frielinghaus et al., (2002) como resumen de lo anteriormente expuesto.

 

Cuadro 5: Indicadores para evaluar el riesgo de erosión y compactación de un suelo.
Table 5: Soil Erosion risk and soil compaction indicators.
 
INDICADOR
PARÁMETRO
MÉTODO DE EVALUACIÓN / BASE DE DATOS
EROSION

 

Riesgo de erosión

Tasa de degradación

Presión de utilización

Respuesta

Estructura:

Cond. Hidráulica, Infiltración, Curva pF, Estabilidad de agregados

Profundidad de horizontes A, B, etc. comparado con perfiles normales

Cobertura vegetal o con residuos.

Incremento de cobertura vegetal o con residuos, uso de residuos orgánicos


Substrato, inclinación, Tipo de Hidrología.

 


Mapas de Suelos existentes y actualizados


Sensores remotos, mapas de suelos

Sensores remotos, mapas de suelos

COMPACTACION

Riesgo de compactación


Tasa de compactación.


Presión de utilización

Respuesta

Textura
Contenido de Materia orgánica. Humedad.
Resistencia mecánica.

Densidad aparente como diagnóstico.
Coeficiente de descanso.
Coeficiente de concentración.

Carga por eje.
Área de contacto.
Presión media de contacto. Numero de tráficos.

Desarrollo vegetal.
Reducción de cargas por medio de cambios en los parámetros técnicos.
Concepto de Rango Friable en uso de suelos.

Tipos de substrato, Mapas de suelo existentes y actualizados para este efecto. Mapas de capacidad de soporte

Penetrómetro.
Proctor. Celdas
transductoras.

Evaluación maquinaria, uso de software para manejo de información.
Evaluación manejo agrícola.

Sensores remotos, productividad. Cambios en el manejo agrícola.

Riesgo: Características de suelo que lo hacen susceptible de sufrir el proceso
Tasa: Monto de perdida de propiedades de suelo, según el procesos que este actuando.
Presión: Causas y efectos principales una vez sometido el suelo a un proceso degradativo.

 

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Proyecto FONDECYT 1040101 por el financiamiento de este trabajo.

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Recepción de originales: 02 de junio de 2004

 

 
 

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