PROGRAMA HIDROLÓGICO INTERNACIONAL
Evaluación de Parámetros y Procesos Hidrológicos en el Suelo
Compendio de los trabajos presentados en la VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos Tema: Hidrología de Suelos
La Serena, Chile, 2–14 de Noviembre de 2003
Editores:
Deyanira Lobo Luján, Donald Gabriels y Guido Soto
the abdus salam international centre for
theoretical physics
Documento Técnico en Hidrología del PHI, N° 71 ISBN 92-9220-031-3
© UNESCO 2005
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UNESCO, 2005. Evaluación de Parámetros y Procesos Hidrológicos en el Suelo. Documentos Técnicos en Hidrología del PHI, número de serie 71.
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Impreso en los talleres de la UNESCO París, Francia
PREFACIO
Esta publicación se presenta como un producto de las acciones que viene desarrollando el Programa Hidrológico Internacional (PHI – UNESCO) en el marco del fortalecimiento de Centros Regionales especializados relacionados con los recursos hídricos asociados a la UNESCO. El Centro del Agua para Zonas Áridas y Semiáridas de América Latina y El Caribe (CAZALAC), que funciona en La Serena, Chile, es un ejemplo de estos Centros, el cual ha unido esfuerzos con la Escuela Latinoamericana de Física de Suelos (ELAFIS) para organizar la VII versión de la Escuela, teniendo como tema central la ‘Hidrologia de Suelos’.
Las Escuelas Latinoamericanas de Física de Suelos se han realizado desde 1986 en diferentes países de América Latina (Perú, Brasil, Argentina, Colombia, Venezuela y Cuba), y emergen como una prolongación del College on Soil Physics que ofrece el Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics, en Trieste, Italia.
La VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos tuvo como propósito principal la actualización y profundización de los conocimientos sobre los recursos suelo y agua de los profesionales latinoamericanos, haciendo énfasis en las características, propiedades y procesos físicos del suelo y su interacción con el clima, así como la revisión de aspectos relacionados con metodologías de evaluación y predicción de las condiciones hidrológicas de los suelos y su participación en el manejo sostenible de las cuencas hidrográficas. Asimismo, se puso mayor interés al tema de suelos y aguas en ambientes áridos, semiáridos y subhúmedos en los países de la región, incluyendo aspectos relacionados con la física de suelos, la desertificación y técnicas y programas para prevenir y revertir los procesos de degradación de tierras.
En los programas de las Escuelas siempre se ha contemplado, además de las sesiones de clases, el intercambio de ideas entre los asistentes, a través de una exposición relativa a sus experiencias, y en algunas oportunidades la presentación de estas en carteles. No obstante, se ha querido dejar una evidencia escrita sobre el avance de los temas tratados por los participantes, mediante la preparación del presente Compendio, cuya publicación es posible gracias al apoyo de la UNESCO.
La celebración de la VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos (ELAFIS), tuvo lugar gracias a la participación desinteresada de destacados profesionales de prestigiosas instituciones que actuaron como docentes en el curso, y gracias al apoyo de instituciones, como:
- UNESCO, a través del Programa Hidrológico Internacional (PHI) y el Ministerio de la Administración de la Ciencia e Innovación de la Comunidad de Flanders (Bélgica)
- The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP) (Italia) - Universidad de La Serena (Chile)
- Dirección General de Aguas de Chile
- Corporación Nacional Forestal IV Región, Chile
- Oficinas de UNESCO de Montevideo y Santiago de Chile
Esperamos que se haya cumplido con los objetivos del Programa Hidrológico Internacional y la ELAFIS y que este Compendio pueda contribuir al conocimiento de la Física de Suelos como herramienta para la evaluación de procesos hidrológicos asociados a la caracterización y prevención de problemas ambientales en América Latina y El Caribe. Igualmente esperamos que esta experiencia pueda repetirse en otras regiones
Deyanira Lobo Luján (Universidad Central de Venezuela, Venezuela) Donald Gabriels (Universidad de Gante, Bélgica)
Guido Soto (CAZALAC, Chile)
TABLA DE CONTENIDO
Página
Prefacio iii
Ildefonso Pla Sentís. Física de Suelos e Hidrología en América Latina 1 Achim Ellies, Ricardo Cabeza y Patricia Campos. Distribución de la capacidad de
humectación en agregados
7
Oscar Seguel S. Efecto de la dinámica del agua en el comportamiento mecánico del suelo.
11
Jorge Alberto Cerana, Pablo Gustavo Fontanini , Oscar Duarte, Silvia Rivarola, Eduardo Díaz, Rene Benavidez. Permeabilidad saturada en Vertisoles. Uso del Permeámetro Guelph.
17
Marcelo Calvache Ulloa. Utilización de las sondas nucleares en Física de Suelos. 23 Maria da Glória Bastos de Freitas Mesquita y Sérgio Oliveira Moraes. Densidad de
probabilidad como herramienta en la caracterización de la conductividad hidráulica saturada de los suelos
29
Germán Soracco. Relación entre la Conductividad Hidráulica Saturada y la Densidad Aparente en tres situaciones de manejo contrastantes
35
José E. Cuevas B. Efecto del contenido de agua sobre los cambios físicos y mecánicos en tres suelos bajo tránsito.
39
Naghely Mendoza y Marelia Puche. Caracterización de la sequía meteorológica en Venezuela
47
Valentina Toledo Bruzual y Diana Hernández-Szczurek. Estudio de la variabilidad temporal y espacial de las lluvias anuales de la Depresión de Carora, estado Lara, Venezuela
53
Eleonora Carol. Aspectos hidroquímicos del agua subterránea en el conurbano bonaerense, Argentina.
59
Lucía Salvo, Silvana Delgado, Fernando García Préchac, Jorge Hernández, Pablo Amarante, Mariana Hill. Régimen hídrico de un Ultisol arenoso del noreste de Uruguay bajo plantaciones de Eucalyptus grandis vs. Pasturas.
65
Koen Verbist y Donald Gabriels. Modelización de la erosión hídrica en cuencas pequeñas
71
Kvolek, Claudio Miguel. Cantidad y calidad de sedimento bajo lluvia simulada en un suelo Vertisol con modificaciones en el tamaño de los agregados superficiales
77
Joei Jakeline Guillén Moncaday Oscar Antonio Silva E. Prioridades de atención conservacionista según los riesgos de erosión potencial y actual en la Cuenca media del Río Pao, Venezuela.
83
Eduardo Abel Rienzi. Efecto de enmiendas cálcicas y cobertura plástica sobre la infiltración y los procesos erosivos
89
Eduardo Martínez, S. Valle, P. Silva y E. Acevedo. Evolución de algunas propiedades físicas y químicas de un Mollisol asociadas a manejo en cero labranza.
95
Irlanda Isabel Corrales A., Edgar Amézquita C., Mariela Rivera y Luis F. Chávez.
Condiciones físicas de un suelo bajo diferentes sistemas de labranza y su efecto sobre el comportamiento de cultivos y malezas en la Altillanura colombiana
101
Luis Silveira, Leticia Martínez y Jimena Alonso. Efecto de la sustitución de campo natural por plantaciones forestales sobre el escurrimiento ocasionado por tormentas en Uruguay
107
Diego Luis Molina L., Edgar Amézquita C. y Phanor Hoyos G. Construcción de capas arables en suelos oxisoles de la Altillanura colombiana
113
Roberto Pizarro T., Claudia Sangüesa P., Juan Pablo Flores V. y Enzo Martínez A.
Investigación e innovación tecnológica en zanjas de infiltración y canales de desviación, en el Secano Costero e Interior de las Regiones VI, VII y VIII de Chile.
119
Elías Araya Salinas. El Sistema de Incentivos para la recuperación de suelos degradados en programas de conservación de suelos.
125
Loreto Sagardía A. Ley 18.450, Inversión privada en obras de riego y drenaje 131 Julián Herrera Puebla y Argelio Omar Fernández Richelme Acciones a tomar para la
evaluación de las propiedades hidráulicas de los suelos cubanos
137
Física de Suelos e Hidrología en América Latina
Ildefonso Pla Sentís
Departamento de Medio Ambiente y Ciencia del Suelo, Universidad de Lleida. Lleida (España) ipla@macs.UdL.es
INTRODUCCIÓN
La vida sobre la tierra depende de las funciones de los suelos, productivas de alimentos y reguladoras de los recursos hídricos y de la calidad ambiental. Los suelos y el agua son al mismo tiempo la base de la producción agrícola y la base para la manutención de los ecosistemas.
Los suelos cumplen funciones muy importantes en el ciclo hidrológico. Son uno de los principales reservorios de agua dulce, y transforman las fuentes erráticas de agua de lluvia en una suplencia continua de agua a las raíces de las plantas, y en continuas descargas de agua al agua freática, a los torrentes y a los ríos.
Los procesos hidrológicos, en especial la infiltración y flujo de agua de lluvia o riego, determinan la movilización, transporte y acumulación de materiales solubles en agua y de contaminantes, de origen natural o antropogénico. Por ello, la calidad de los recursos hídricos puede estar muy influida por los procesos hidrológicos en el suelo
La creciente disminución de fuentes de agua de calidad para los diferentes usos (consumo humano, riego, etc.) resalta la importancia de la conservación del agua además de la del suelo.
Debido a la estrecha relación entre suelos y cantidad y calidad del agua se justifica que el uso, manejo y conservación de suelos y recursos hídricos se enfoque en forma integrada.
La Física de Suelos es la aplicación de los principios de la Física a la caracterización de las propiedades del suelo y al estudio de los procesos del suelo responsables del transporte de materia o energía. Por lo tanto, la Física de Suelos es una subdisciplina tanto de la Física como de la Ciencia del Suelo
Hasta ahora los estudios en Física de Suelos han incluido temas relacionados con la estructura del suelo, con la retención y movimiento de agua en el suelo en el campo, con la mecánica de suelos y con la salinidad de suelos, la mayoría de ellos referidos a propiedades físicas de los suelos como medio para el crecimiento de las plantas, incluyendo aquellas que afectan el desarrollo de las raíces y la utilización de agua del suelo por las plantas
A pesar de que los físicos de suelos aún deben preocuparse del estudio del ambiente físico de las plantas, ya que la producción agrícola seguirá siendo un aspecto crítico en relación a la alimentación de una creciente población en un mundo con limitados recursos suelo y agua, la conservación de esos recursos frente a problemas de degradación y contaminación tanto por agentes agrícolas como no agrícolas, a niveles local, regional y global, se ha transformado en una de las principales responsabilidades presentes y futuras de los físicos de suelos.
Los físicos de suelos intervienen cada vez más en investigaciones hidrológicas a escala global, con especial interés en el componente de los procesos hidrológicos que ocurren en la superficie de la tierra, en cooperación con hidrólogos, climatólogos y modeladores del cambio climático.
HIDROLOGÍA Y DEGRADACIÓN FÍSICA DE SUELOS
El mal manejo de los recursos suelo y agua puede conducir a una fuerte degradación de suelos y tierras. La degradación de suelos ha sido definida como un descenso en la habilidad del suelo para cumplir sus funciones como medio para el crecimiento de las plantas, como regulador del régimen hídrico, y como filtro ambiental, debido a causas naturales o antropogénicas
La degradación de suelos y recursos hídricos es el principal factor que atenta contra la sostenibilidad de la utilización agrícola de las tierras en América Latina, lo que conduce a crecientes dificultades para producir los requerimientos de alimentos y fibras para su creciente población. Como efectos indirectos de la degradación de suelos y agua, se presentan riesgos crecientes de inundaciones, sedimentaciones, deslizamientos de tierra, etc., con características a veces catastróficas, así como disminución de la biodiversidad, deterioro de la suplencia de agua en cantidad y calidad, y efectos en cambios climáticos globales y sus consecuencias.
Los procesos de degradación de suelos y recursos hídricos están fuertemente ligados a través de las alteraciones desfavorables en los procesos hidrológicos determinantes del balance de agua en el suelo y del régimen de humedad del suelo. Ellos están también determinados por las condiciones climáticas y por el uso y manejo de los recursos suelo y agua. Sin embargo, a pesar de que ya generalmente es aceptado que hay una estrecha relación entre la conservación de los recursos suelo y agua, aún en la mayoría de los casos son evaluados en forma separada, y consecuentemente la predicción y prevención de los efectos derivados de su degradación resultan inadecuados en muchos casos. Esto aún reviste más importancia, considerando que se prevé que los cambios climáticos globales afectarían principalmente los procesos hidrológicos en la superficie de la tierra que están en su mayoría relacionados con el balance de agua en el campo
El periodo máximo de crecimiento efectivo, tanto de vegetación natural como de cultivos de secano, depende en primer lugar de la duración del periodo efectivo de lluvias, y de la disponibilidad de agua en el suelo. En tierras en pendiente, cuando no hay limitaciones de temperatura o de drenaje interno, la longitud del periodo potencial de crecimiento dependerá de las condiciones climáticas (lluvia y evapotranspiración potencial), de la distribución de la lluvia entre escorrentía e infiltración (afectada por los efectos de sellado superficial), y de la capacidad de almacenaje de agua en el suelo (determinado por la profundidad efectiva de raíces y las propiedades de retención de agua del suelo). Por lo tanto, la escorrentía y la capacidad efectiva de retención de agua del suelo, ambos componentes del balance de agua y afectados por procesos de degradación del suelo, deben tomarse en cuenta, e incluso pueden ser determinantes, en la evaluación y predicción de los efectos de dichos procesos de degradación en la conservación de agua y en el crecimiento potencial de las plantas y producción de cultivos.
La erosión hídrica del suelo es el proceso de degradación del suelo con mayor influencia en la conservación de los recursos suelo y agua. Los procesos de erosión hídrica son causados por las interacciones del suelo, lluvia, pendiente, cubierta vegetal y manejo, y generalmente provocan o son causados por cambios desfavorables en el balance de agua del suelo y en el régimen de humedad del suelo, y en las posibilidades de desarrollo y actividad radicular. La erosión del suelo tiene efectos negativos directos sobre el crecimiento de las plantas y producción de los cultivos, y efectos indirectos fuera del sitio en el aumento de riesgos de inundaciones, sedimentaciones, deslizamientos de tierra, etc., a veces con carácter catastrófico. Es provocada por deforestaciones, por introducción de cultivos estacionales que dejen el suelo desprotegido, por intensificación o abandono de actividades agrícolas, por sobrepastoreo, o por mal mantenimiento de las plantaciones y de las estructuras de conservación.
El riego de tierras agrícolas ha sido considerado desde hace ya varios milenios como la manera más efectiva de incrementar y regular la producción de alimentos, especialmente en zonas áridas y semiáridas. Frecuentemente estos beneficios no han sido sostenibles debido a la salinización de los suelos, la cual puede conducir a una pérdida parcial o total de su capacidad productiva, causada por una degradación interna de sus propiedades químicas o físicas.
El desarrollo creciente de agricultura de riego es indispensable para la regularización e incremento de la producción de alimentos requeridos actualmente y en el futuro en varios países de América Latina. Dicho desarrollo se ve limitado por la creciente salinización de los suelos y por la escasez y mayor salinidad de los recursos hídricos aún disponibles, y por el uso competitivo de dichos recursos para otros fines. Aunque a nivel de América Latina el área afectada por procesos de salinización inducida por el hombre es mucho menor que el área afectada por procesos de erosión, este proceso de degradación es también muy importante desde puntos de vista social, económico y ambiental, por los elevados costos de los desarrollos
de agricultura de riego, por el uso y degradación de altas cantidades de recursos de agua cada vez más escasos, y por la decisiva contribución de las tierras bajo riego a la producción de alimentos en algunos países.
La introducción del riego en una zona provoca cambios drásticos en el régimen y balance de agua y solutos en el perfil del suelo. Los problemas de salinidad son una consecuencia de la acumulación de sales en zonas y profundidades donde el régimen de humedad del suelo se caracteriza por fuertes pérdidas de agua por evaporación y transpiración, y por reducido lavado de las sales que permanecen. Esto ocurre cuando el manejo del agua de riego y drenaje no es adecuado para las condiciones particulares de clima, suelos, cultivos, fertilización, profundidad de nivel freático, calidad de agua de riego, y sistema de riego.
El exceso de agua de riego requerido para lavar las sales acumuladas en el suelo, ya sea para recuperar o prevenir la salinización, pueden causar otros problemas ambientales derivados de la disposición y uso posterior de dichas aguas de drenaje. El problema se agrava porque esas aguas de drenaje pueden contener además de las sales naturales, residuos de fertilizantes y pesticidas - generalmente usados en grandes cantidades en la intensiva agricultura de riego - , además de otros contaminantes contenidos en enmiendas orgánicas (residuos de animales, compost) que suelen aplicarse, y en aguas servidas de origen urbano e industrial, no tratadas o sólo parcialmente tratadas, de creciente uso para riego en muchas zonas con escasez de agua.
Esta agua de drenaje puede contaminar aguas superficiales y subterráneas que vayan a usarse para consumo humano, industrial o agrícola. En dichos casos, las prácticas y sistemas de riego y drenaje deben perseguir una máxima eficiencia en el uso del agua de riego, reduciendo la posibilidad de pérdidas y contaminación de otras aguas, manteniendo al mismo tiempo las sales a profundidades del suelo fuera del alcance de las raíces de los cultivos.
La degradación de tierras depende en parte de las características de suelos y clima, pero se debe fundamentalmente a un uso y manejo no apropiados de los recurs os suelo y agua. El agua es el principal factor causante de la degradación de suelos, pero a su vez es el recurso más afectado por dicha degradación. Uno de los principales efectos de la degradación de suelos es la pérdida de capacidad de los suelos para regular el régimen hídrico tanto a nivel local como de cuencas hidrográficas, lo cual afecta negativamente la suplencia regular de agua, en cantidades adecuadas, para usos agrícolas, urbanos e industriales. Por otro lado, para lograr incrementar y regularizar la producción agrícola de las tierras, y para contrarrestar uno de los principales efectos negativos de la degradación de suelos, crece la necesidad de utilizar agua para riego, lo cual puede llevar al agotamiento de las reservas de agua superficial y subterránea, y a incrementar la competencia de uso para otros fines. Por lo tanto este desarrollo agrícola no será sostenible, y de no encontrarse soluciones alternativas pudiera resultar en consecuencias catastróficas dentro de unas décadas. Los objetivos supuestamente conflictivos de productividad de agroecosistemas y su vulnerabilidad a la degradación ambiental son controlados por los mismos factores (suelo, clima, topografía, manejo) y procesos hidrológicos fundamentales.
Por ello, el control de la degradación de tierras y sus efectos depende de una adecuada planificación del uso y manejo de los recursos suelo y agua. Para ello es necesario realizar previamente unas adecuadas identificación y evaluación de los procesos de degradación, y de las relaciones causa-efectos de los diferentes problemas generados, y predecir el efecto de cambios en el uso y manejo de las tierras, y de eventos climáticos extraordinarios asociados a cambios climáticos globales, sobre impactos ambientales relacionados con la conservación de suelos y agua. El monitoreo o seguimiento a nivel de campo, con observaciones y mediciones directas adecuadas, puede ayudar mucho a entender mejor cómo ocurren los procesos de degradación de suelos y recursos hídricos, y los cambios que provocan las intervenciones humanas. Esto es indispensable para la solución y desarrollo de prácticas efectivas de conservación adaptadas a cada condición particular de suelo y clima.
En América Latina, las políticas de desarrollo y de expansión agrícola en las últimas décadas han llevado frecuentemente a procesos de degradación de suelos y agua, afectando negativamente cuencas hidrográficas importantes, con descensos en la productividad, aumentos en los costos de producción, e incremento en los problemas relacionados con la suplencia de agua, inundaciones, deslizamientos de tierra, sedimentación en embalses, etc., todos ellos con
importantes consecuencias sociales y económicas. A pesar de que hay evidencias claras de que grandes y crecientes áreas de tierras están siendo afectadas por diferentes procesos de degradación de suelos, la mayoría de las evaluaciones existentes de los tipos, extensión e intensidad de degradación de suelos en América Latina no son muy precisas ni objetivas, debido a inadecuada identificación y evaluación de dichos procesos, y de las relaciones causa-efectos de los diferentes problemas.
La degradación de tierras agrícolas y suelos en América Latina se debe generalmente a un uso y manejo no adecuados de la tierra, frecuentemente generados por crecientes presiones sociales, económicas y políticas, derivadas de crecimiento de la población, políticas de mercados internacionales, falta de recursos y deuda externa. Sin embargo, en muchos casos la adopción de sistemas integrales adecuados y sostenibles de uso y manejo de los recursos suelo y agua, se ve limitado por deficiencias en el conocimiento de los procesos hidrológicos asociados, y por la utilización de metodologías inadecuadas para la evaluación y monitoreo de dichos procesos.
HIDROLOGÍA Y DESERTIFICACIÓN
Desertificación es una etapa avanzada de degradación de tierras, cuando la cubierta vegetal desciende por debajo de un determinado nivel (<35%). Es la disminución o destrucción del potencial biológico de la tierra, que puede conducir fi nalmente a condiciones similares a las de un desierto, generalmente en climas áridos y semiáridos, pero a veces también en climas más húmedos. En América Latina se considera que alrededor de un 25% de sus tierras están sometidas a procesos crecientes de desertificación.
Los procesos de degradación de suelos y agua conducentes a desertificación de tierras, están fuertemente asociados a cambios desfavorables en los procesos hidrológicos responsables del balance de agua en el suelo y del régimen de humedad del suelo. Estos están afectados por las condiciones climáticas y sus variaciones, y por los cambios en el uso y manejo de los recursos suelo y agua. Por lo tanto, para unos adecuados desarrollos, selección y aplicación de prácticas sostenibles y efectivas de uso y manejo de las tierras será indispensable la utilización de una base hidrológica para la evaluación y predicción de sistemas de conservación de suelos y agua que impidan o controlen los procesos de desertificación. Sin esa base, las consideraciones sobre grados de desertificación son en gran parte subjetivas, basadas en criterios indirectos, y no en mediciones directas de parámetros hidrológicos.
La evaluación de los procesos hidrológicos, bajo escenarios diferentes y cambiantes de clima, propiedades del suelo y uso y manejo de la tierra, con modelos de simulación flexibles basados en esos procesos, puede ayudar a predecir y a identificar las causas biofísicas de la desertificación a niveles local, nacional y regional en América Latina. Este es un paso previo requerido para una planificación de uso racional de la tierra, y para la selección y desarrollo de estrategias a corto y largo plazo, y de tecnologías para reducir o controlar los procesos de desertificación, y los problemas asociados de naturaleza social, económica y de seguridad.
PREDICCIÓN DE PROCESOS DE DEGRADACIÓN DE SUELOS Y AGUA A TRAVÉS DE UN ENFOQUE HIDROLÓGICO
Para poder lograr desarrollar, seleccionar y aplicar prácticas de uso y manejo de las tierras, que sean efectivas y sostenibles, se requerirá un enfoque hidrológico en la evaluación de los procesos de degradación de suelos y agua. El principal objetivo debe ser evaluar los procesos hidrológicos pertinentes, y desarrollar metodología y técnicas para corregirlos o controlarlos bajo diferentes escenarios de suelos, clima, topografía y sistemas de uso u manejo. Con esto podremos suprimir o aliviar los efectos negativos, directos o indirectos, de la degradación de suelos y agua sobre el crecimiento de las plantas, sobre la sostenibilidad de la producción agrícola, sobre la suplencia de agua en cantidades y calidad adecuadas, y sobre eventos catastróficos como inundaciones, sedimentaciones, y deslizamientos de tierra.
La utilización del gran número de variables importantes relacionadas con los procesos de degradación y sus interacciones, para determinar probabilidades y riesgos de degradación de suelos y agua, y su influencia en la producción de cultivos y daños ambientales, puede facilitarse
con su integración en modelos. Aunque los modelos no den una simulación exacta de las situaciones reales, permiten obtener resultados aproximados de acuerdo a las simplificaciones asumidas. Ayudan a entender situaciones complejas, mediante una descripción cuantitativa de los procesos más significativos, y por ello pueden usarse como herramientas para la toma de decisiones para reducir o eliminar riesgos de degradación de suelos y recursos hídricos. Modelos de simulación basados en procesos hidrológicos pueden ser muy útiles para integrar y convertir los parámetros medidos o estimados de suelo, clima, plantas y manejo, en predicciones de balances de agua y regímenes de humedad en el suelo, para cada combinación particular de ellos, ya sea actual o prevista, para una determinada medición de campo. Estudios experimentales y observaciones basados en procesos, y que provean datos más detallados bajo condiciones controladas pueden ayudar a simplificar los modelos, determinando qué procesos son más importantes a diferentes escalas temporales y espaciales, proveyendo además datos para calibrar y validar los modelos.
El régimen hídrico del suelo es también fundamental para modelar la dinámica y translocación de contaminantes como nitratos, metales pesados, pesticidas, etc., cuando la adición de agua de riego al suelo, conjuntamente con otros residuos o contaminantes, puede provocar cambios drásticos en el régimen y balance de agua y solutos en el perfil del suelo
Los resultados de los modelos de simulación basados en procesos hidrológicos, conjuntamente con información obtenida en monitoreo directo en el campo, permiten hacer predicciones de los procesos potenciales de degradación de suelos y recursos hídricos bajo condiciones cambiantes de clima, cultivos, manejo y situaciones sociales y económicas. Cuando se integran con sistemas de información geográfica (GIS), el modelaje y el monitoreo pueden proveer la base para la planificación del uso y manejo sostenible de suelos y aguas. Las consideraciones finales a nivel estratégico sobre uso de los suelos, recursos hídricos y cambios estructurales deben tomar en cuenta no solamente la información física y predicción de los procesos particulares, sino también una evaluación de cómo dicho uso y manejo pueden estar afectados tanto por los procesos en agroecosistemas específicos como por los efectos de políticas, manejo y condiciones socioeconómicas.
VII ESCUELA LATINOAMERICANA DE FÍSICA DE SUELOS
La Escuela Latinoamericana de Física de Suelos busca formar profesionales latinoamericanos, capaces de identificar, entender y evaluar las propiedades y procesos físicos del suelo, para poder enfocar y realizar estudios y aplicar soluciones racionales y efectivas a problemas de uso y manejo de tierras en sus respectivos países de América Latina, conducentes a una producción agrícola sostenible y a la conservación de los recursos suelo y agua. Esta VII Escuela ha sido dedicada especialmente a la consideración de los procesos hidrológicos en el suelo, y su interacción con el clima, en relación a la producción agrícola y forestal, y a los procesos de degradación de suelos y agua conducentes a la desertificación de las tierras. El enfoque de la Escuela ha sido en parte descriptivo y teórico, y en parte aplicado, incluyendo aspectos de instrumentación, técnicas de medición, y modelización de los procesos físicos e hidrológicos en el suelo y sus efectos.
Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo.
VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003
Distribución de la capacidad de humectación en agregados
Achim Ellies, Ricardo Cabeza y Patricia Campos.
Instituto de Ingeniería Agraria y Suelos, Universidad Austral de Chile, Casilla 567 Valdivia, Chile.
ricardocabeza@uach.cl
INTRODUCCIÓN
Los compuestos orgánicos del suelo que incrementan la resistencia a la humectación, son siempre apolares. De éstos, las sustancias aromáticas o ésteres se encuentran en mínimas cantidades en el suelo, pero su efectividad es muy alta cuando ocupan posiciones estratégicas (Ellies et al., 1996). Cuando la adsorción de estas sustancias a los minerales es más intensa que la de las moléculas de agua, estas últimas se desplazan desde la superficie sólida. Este desplazamiento se observa en términos macroscópicos como una resistencia a la humectación, en la cual se reducen las posibilidades de transporte de agua y aumenta la resistencia a la dispersión de los agregados (Bachmann, 1988). Un manejo silvoagropecuario que degrada cualitativamente la materia orgánica del suelo incrementa la capacidad de humectación, pero también la susceptibilidad de los agregados a dispersarse (Ellieset al., 1996).
La capacidad de humectación de un suelo depende de la distribución cualitativa y cuantitativa de la materia orgánica, variando tanto espacial como temporalmente. Esto permite suponer que la capacidad de humectación de las paredes externas de los agregados es mayor que la del material ubicado al interior de ellos, ya que las variaciones de la materia orgánica al interior de los agregados es menor que en las paredes. Las sustancias orgánicas solubles bajan la tensión superficial de la solución del suelo, de manera que pueden incorporarse al interior de los agregados a través de los poros finos.
En esta investigación se analiza el cambio que experimenta la capacidad de humectación de las distintas capas de agregados en suelos bajo condiciones de pradera y bosque.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se midió la capacidad de humectación de dos suelos Hapludands, series Osorno y Pemehue y dos suelos Palehumults, series Fresia y Metrenco, todos provenientes del sur de Chile. Los cuatro suelos se encontraban bajo manejo de pradera y de bosque. Las muestras fueron tomadas a dos profundidades, de 0-10 cm y 10-20 cm. De cada profundidad se seleccionaron agregados de 4 a 6,3 mm y 10 a 12,5 mm. A partir de los agregados se tomaron tres capas (externa, media e interna), que se obtuvieron raspando el agregado con la ayuda de un bisturí.
El material proveniente de las capaz externas, medias e internas de los agregados, más la matriz del suelo, fueron secados al aire y tamizados, seleccionando la fracción entre 38 y 63 µm. Este material se colocó en un portaobjeto y se midió el ángulo de contacto en una lupa con campo de visión horizontal (Burghardt, 1985), en la cual se aplica una gota de agua de 0,04 cm3. El ángulo formado entre la fase líquida, sólida y gaseosa fue medido con un goniómetro ubicado en el ocular de la lupa.
Se determinó el contenido de materia orgánica por oxidación húmeda (Page, 1982), para cada capa de los distintos tamaños de agregados y la matriz.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la figura 1, se observan los valores de ángulo de humectación para las cuatro series de suelo bajo pradera. Los mayores valores de ángulos de humectación, para ambos tamaños de agregados, correspondieron a las muestras de la serie Pemehue, Hapludand (Figura 1 A y 1 B), lo que representa una mayor resistencia a la humectación. El suelo con mayor capacidad de humectación es el suelo Metrenco (Palehumult).
Figura 1. Ángulos de humectación (º) para suelos bajo pradera. A) Capas provenientes de los agregados de 4 – 6,3 mm, B) capas provenientes de los agregados de 10 – 12,5 mm.
Existe una tendencia de aumento del ángulo de humectación hacia al interior de los agregados, excepto en los agregados de 10-12,5 mm del suelo Metrenco, los que presentan una situación inversa respecto a lo observado en los otros suelos. La matriz de todos los suelos presentó un ángulo de humectación significativamente menor que en los agregados. Estas relaciones pueden deberse a los cambios cuantitativos y cualitativos de la materia orgánica hacia el interior de los agregados producto de una menor oxigenación (Ellies et al., 2002)
En la figura 2 se muestran los ángulos de humectación para las cuatro series de suelos bajo bosque. Nuevamente, los ángulos de humectación son mayores en el suelo Pemehue en ambos tamaños de agregados. Además, en este suelo los valores de ángulo de contacto bajo bosque son mayores para el mismo suelo bajo pradera.
Para el suelo Fresia (Palehumult) existe una tendencia de aumento del ángulo de humectación desde el exterior hacia el interior del agregado en ambos tamaños (4 a 6,3 mm y 10 a 12,5 mm), y a su vez este es mayor que en la matriz, lo que concuerda con la mejor agregación de estos suelos.
En la figura 3, se presenta la relación entre el contenido de materia orgánica y el ángulo de humectación para los grupos de suelos.
En ambas profundidades el ángulo de humectación presenta un aumento con relación a un aumento de la materia orgánica. Sin embargo, en el suelo Metrenco (Palehumult), el aumento del contenido de materia orgánica no permite explicar aumentos en el ángulo de humectación.
Se observa además que la profundidad tiene un efecto importante sobre el ángulo de contacto, en los suelos bajo bosque a una profundidad de 10-20 cm (Figura 3 B), existe una disminución de esta propiedad, esto se puede deber a que los mismos suelos bajo pradera presentan una homogeneización de la materia orgánica en profundidad.
A
0 20 40 60 80 100 120
Fresia Metrenco Osorno Pemehue
Angulo de contacto (º)
B
0 20 40 60 80 100 120
Fresia Metrenco Osorno Pemehue
Angulo de contacto (º)
Externa Media Interna Matriz
Agregados de 4 - 6,3 mm
Agregados de 10 - 12,5 mm
A
0 20 40 60 80 100 120
Fresia Metrenco Osorno Pemehue
Angulo de contacto (º)
B
0 20 40 60 80 100 120
Fresia Metrenco Osorno Pemehue
Angulo de contacto (º)
Externa Media Interna Matriz
Agregados de 4 - 6,3 mm
Agregados de 10 - 12,5 mm
Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo.
VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003
Según Ellies et al. (2002) el ángulo de contacto es mayor en las capas superficiales que en las subsuperficiales, lo cual se ve más marcadamente en los Hapludands, tanto bajo bosque como para los que se encuentran bajo pradera.
Figura. 2. Ángulos de humectación (º) para suelos bajo bosque. A) Capas provenientes de agregados de 4 – 6,3 mm, B) Capas provenientes de agregados de 10 – 12,5 mm.
CONCLUSIONES
Según los resultados presentados se puede concluir que:
- Existe una tendencia de aumento del ángulo de contacto hacia el interior de los agregados, tanto para los suelos bajo bosque como bajo pradera.
- Existe tendencia de aumento del ángulo de contacto al incremento de materia orgánica, siendo más claro para los suelos Hapludands.
- El ángulo de contacto es menor en las capas subsuperficiales, siendo esto más marcado en los suelos bajo bosque.
A
0 20 40 60 80 100 120
Fresia Metrenco Osorno Pemehue
Angulo de contacto (º)
B
0 20 40 60 80 100 120
Fresia Metrenco Osorno Pemehue
Angulo de contacto (º)
Externa Media Interna Matriz
Agregados de 4 - 6,3 mm
Agregados de 10 - 12,5 mm
A
0 20 40 60 80 100 120
Fresia Metrenco Osorno Pemehue
Angulo de contacto (º)
B
0 20 40 60 80 100 120
Fresia Metrenco Osorno Pemehue
Angulo de contacto (º)
Externa Media Interna Matriz
Agregados de 4 - 6,3 mm
Agregados de 10 - 12,5 mm
Figura 3. Relación entre el ángulo de humectación y el contenido de materia orgánica para distintos suelos y manejos. A) Capa de 0-10 cm y B) Capa de 10-20 cm. (a) manejo de pradera y (b) manejo de bosque.
REFERENCIAS
Bachmann J. 1988. Auswirkung der organischen Substanz verschiedenen Zersetzungs -grades auf die physikalischen Bodeneigenschaften. Diss. Univ. Hannover.
Burghardt, W. 1985. Determination of the wetting characteristics of peat soils extracts by contact angle measurements. Z. Pflanenzenernähr Boden. 148: 66-72.
Ellies A.; Grez R.; Ramírez C. 1996. Efecto de la materia orgánica sobre la capacidad de humectación y las propiedades estructurales en algunos suelos de la zona Centro Sur de Chile. Agro Sur, 24 (1):48- 58.
Ellies A.; Mac Donald R.; Ramírez C.; Campos P. 2002. Manejo del suelo y capacidad de humectación en los agregados. IX Congreso Nacional de la Ciencia del Suelo, Talca, Chile. Boletín Nº 18, Sociedad Chilena de la Ciencia del Suelo. pp. 103-106.
Page A. 1982. Methods of soil analysis. Part 2. Editor American Society of Agronomy, Wisconsin. 1159.
Esta investigación fue financiada por el Proyecto FONDECYT 1010160
A
0 20 40 60 80 100 120 140
0 5 10 15 20 25 30
Contenido de Materia Orgánica (%)
Angulo de contacto (º)
B
0 20 40 60 80 100
0 3 6 9 12 15 18
Contenido de Materia Orgánica (%)
Angulo de contacto (º)
Fresia (a) Metrenco (a) Osorno (a) Pemehue (a) Fresia (b) Metrenco (b) Osorno (b) Pemehue (b)
Estrata 0 – 10 cm
Estrata 10 – 20 cm
A
0 20 40 60 80 100 120 140
0 5 10 15 20 25 30
Contenido de Materia Orgánica (%)
Angulo de contacto (º)
B
0 20 40 60 80 100
0 3 6 9 12 15 18
Contenido de Materia Orgánica (%)
Angulo de contacto (º)
Fresia (a) Metrenco (a) Osorno (a) Pemehue (a) Fresia (b) Metrenco (b) Osorno (b) Pemehue (b)
Estrata 0 – 10 cm
Estrata 10 – 20 cm
Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo.
VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003
Efecto de la dinámica del agua en el comportamiento mecánico del suelo.
Oscar Seguel S.
Universidad Austral de Chile. Facultad de Ciencias Agrarias, Instituto de Ingeniería Agraria y Suelos. Casilla 567, Valdivia, Chile. oscarseguel@uach.cl
Universidad de Chile. Facultad de Ciencias Agronómicas, Departamento de Ingeniería Agraria y Suelos.
Casilla 1004, Valdivia, Chile. oseguel@uchile.cl
INTRODUCCIÓN
La teoría de la tensión efectiva desarrollada por Bishop (1959) señala que, en suelos no saturados, ésta se transmite por las tres fases y queda determinada por:
σ’ = (σ - ua) + X (ua - uw) (1) Donde σ’ es la tensión efectiva sobre la fase sólida, σ la tensión total, ua la presión de aire, X el factor de saturación y uw la presión de agua (Fredlund y Rahardjo, 1993). Como el espacio poroso lleno de aire es el primero en comprimirse cuando existe una continuidad de poros hacia el exterior, la tensión efectiva es:
s' = σ - X ? (2)
Donde ? es el potencial mátrico. El factor X depende del grado de saturación del sistema poroso, de las propiedades hidráulicas y del arreglo de las partículas del suelo. La resistencia del suelo aumenta cuando la disminución del potencial mátrico excede la disminución del factor X, por ende cada suelo tiene una máxima resistencia para un determinado potencial mátrico (Horn et al, 1995).
Los antecedentes señalan que el comportamiento del potencial mátrico durante una prueba mecánica de corte o consolidación es variable, y su cambio depende de la agregación y la distribución del tamaño de poros (Bohne y Lessing, 1988; Horn et al, 1995). Cuando un suelo no saturado se somete a un estrés externo, en una primera fase la porosidad gruesa disminuye en su diámetro, lo que provoca una re-distribución del agua del suelo, con la disminución del potencial mátrico y un aumento del factor X. Esto se traduce en el aumento de la resistencia del suelo (Horn, 1993; Horn et al, 1994). Si el estrés aumenta, el re-arreglo de partículas genera meniscos de agua convexos (presión de agua), la resistencia disminuye y el suelo se corta o deforma (Bohne y Lessing, 1988).
La superficie silvoagropecuaria de la zona sur de Chile es dominada por suelos Andisoles (localmente llamados trumaos y ñadis) y suelos Ultisoles (localmente llamados Rojo Arcillosos), los cuales ocupan el 50 a 60% de la superficie arable del país (Besoaín, 1985).
Los suelos del Orden Andisol poseen una alta retención de fósforo, un abundante contenido de hierro y aluminio en solución y una baja densidad aparente. Del punto de vista físico-mecánico, la baja densidad aparente (< 0,85 Mg m-3), asociada a una alta porosidad y una microagregación en unidades esféricas, le confiere a estos suelos una muy buena aptitud para sustentar diferentes niveles de manejo (Ellies, 1988; 1995). Los Ultisoles presentes en esta zona poseen altos contenidos de fracción arcilla, con abundancia de alófana, baja saturación de bases y alta densidad aparente. Ambos tipos de suelos poseen elevados contenidos de materia orgánica (Ellies, 1986).
Al dominar las fracciones texturales medias a finas, se espera que las propiedades mecánicas de estos suelos tengan una fuerte dependencia del potencial mátrico. Dada su excelente agregación superficial, se espera que el comportamiento del potencial mátrico de un suelo Andisol durante una prueba mecánica sea similar a la de los suelos de mineralogía cristalina descritos en la literatura.
En este trabajo se presentan resultados de un proyecto de investigación y de una tesis doctoral, ambos desarrollados en el laboratorio de suelos de la Universidad Austral de Chile. El objetivo principal es cuantificar la dependencia de las propiedades mecánicas con el cambio de uso del
suelo, pero para el presente artículo el objetivo específico es establecer la dependencia de las propiedades mecánicas con la dinámica del potencial mátrico del agua del suelo.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se utilizaron muestras no disturbadas de suelos con influencia de cenizas volcánicas, más un Alfisol de la zona Central, también con algún grado de aporte de cenizas. Las muestras fueron colectadas entre los 35 y 41° Latitud Sur, con precipitaciones anuales variables entre 500 y 1500 mm de norte a sur, respectivamente. Los suelos y algunas de sus características se encuentran detallados en el cuadro 1.
Cuadro 1. Clasificación taxonómica, ubicación y algunas propiedades importantes de los suelos estudiados
Arcilla‡ Limo‡ Serie Clasificación
taxonómica†
Ubicación Materia orgánica (%)‡
(%) Mariposa Ochreptic Haploxeralf 35° 50’ S 3,8 38,7 56,1
Pemehue Pachic Fulvudand 38° 80’ S 18,9 22,5 67,3
Metrenco Typic Palehumult 38° 70’ S 7,5 48,0 43,5
Osorno Typic Hapludand 40° 60’ S 23,0 39,1 50,9
Fresia Typic Hapludult 40° 80’ S 13,1 61,3 30,3
† Fuente: USDA (1998).
‡ Fuente: Mella y Kühne (1985).
El muestreo se realizó en sectores cercanos con bosque o matorral nativo y pradera de más de cuatro años de establecimiento. Se tomaron muestras en profundidades de 0-10 y 10-20 cm para contrastar la agregación superficial. Para la Serie Osorno también se tomaron muestras de 40-60 cm. Las evaluaciones generales correspondieron a la densidad aparente, por el método del cilindro y el terrón; la distribución de tamaño de poros, a través de la olla de presión y; la conductividad hidráulica saturada, mediante una metodología de carga constante.
Las pruebas mecánicas evaluadas correspondieron a la resistencia tensil no confinada de los agregados (Blazejczak et al, 1995), la capacidad de soporte, mediante consolidación confinada con drenaje libre (Hartge, 2000) y la resistencia al corte, mediante caja de corte directo (Kézdi, 1980) a una velocidad de 1 cm h-1. La prueba de consolidación se realizó con cargas crecientes de 6,25; 12,5; 25; 50; 100; 200; 300; 400 y 800 kPa, con intervalos de 10 minutos entre cada carga. Las muestras de la Serie Osorno se consolidaron con intervalos de 10 y de 30 minutos. La capacidad de soporte se estimó a partir de la metodología gráfica propuesta por Casagrande (Dias Junior y Pierce, 1995), mientras que las propiedades de corte se determinaron a partir de la recta de Coulomb, mediante un ajuste de regresión lineal. Las muestras fueron evaluadas a distintas tensiones mátricas, desde saturado a seco al aire. Para las muestras de la Serie Osorno, se midió el cambio del potencial mátrico durante las pruebas de consolidación y corte.
Todos los análisis consideraron tres repeticiones, excepto la prueba de corte, la cual se realizó con cinco repeticiones.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El cuadro 2 presenta los resultados de la capacidad de soporte de los suelos, determinada a partir de la curva de consolidación y para distintos equilibrios de tensión mátrica. Se incluye el rango de variación de la densidad aparente.
Como era de esperar, la capacidad de soporte aumenta a medida que el suelo se seca, pero la muestra subsuperficial de la pradera de la Serie Pemehue tuvo un comportamiento contrario a lo esperado. Los suelos Andisoles poseen una marcada condición estructural, con agregados bien definidos en superficie, pero en profundidad disminuye rápidamente el contenido de carbono orgánico y la estructuración. Para el caso de la Serie Pemehue, éste corresponde a un Andisol joven, donde los ciclos de secado y humedecimiento no han sido lo suficientemente intensos como para lograr el ordenamiento de las partículas en agregados estables, por lo que en su estado actual se comporta como un material arenoso, ya que al secarse pierde cohesión.
Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo.
VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003
Cuadro 2. Valores de preconsolidación (kPa) y densidad aparente (Mg m-3) de los suelos.
Serie Tensión (kPa)
Bosque 0-10 cm
Bosque 10-20 cm
Pradera 0-10 cm
Pradera 10-20 cm
Densidad aparente
(Mg m-3)
-1600 215 252 251 266
-60 59 98 76 105 0,60 - 0,80
Osorno Andisol
-1 38 65 50 88
-1600 188 77 204 29
-60 14 56 55 53 0,30 - 0,66
Pemehue Andisol
-1 6 15 37 56
-1600 259 249 169 167
-60 68 41 64 84 0,68 - 0,86
Fresia Ultisol
-1 61 22 46 72
-1600 145 132 107 164
-60 24 29 69 156 0,73 - 1,13
Metrenco Ultisol
-1 23 32 72 88
-1600 231 233 173 200
-60 79 123 101 156 1,19-1,50
Mariposa Alfisol
-1 81 86 31 77
Estos resultados se corroboran en el cuadro 3, donde se presentan los valores de cohesión derivados de la recta de Coulomb.
Cuadro 3. Valores de cohesión (kPa) de los suelos en función del potencial mátrico.
Serie Tensión (kPa)
Bosque 0-10 cm
Bosque 10-20 cm
Pradera 0-10 cm
Pradera 10-20 cm
-1600 32 39 82 54
-60 21 31 26 36
Osorno Andisol
-1 21 26 18 14
-1600 24 2 23 0
-60 6 8 18 5
Pemehue Andisol
-1 3 7 12 8
-1600 50 48 55 64
-60 24 15 26 21
Fresia Ultisol
-1 2 9 22 27
-1600 23 54 36 75
-60 10 21 25 17
Metrenco Ultisol
-1 9 15 15 9
-1600 58 65 98 81
-60 30 20 27 22
Mariposa Alfisol
-1 24 27 19 11
Nuevamente se observa el efecto de la tensión mátrica, cuya disminución ocurre a una mayor tasa que la disminución del factor X, lo que resulta en una mayor tensión efectiva. El ángulo de fricción interna manifestó la misma tendencia, ya que los cortes se realizaron con cargas normales bajas (< 60 kPa), lo que permitió manifestar el roce entre los agregados. Las muestras de 10-20 cm de la Serie Pemehue se comportan como un material arenoso, esta vez en ambos tipos de manejo, donde a medida que el suelo se seca pierde cohesión. Al evaluar los agregados individuales de la Serie Osorno mediante la prueba de resistencia tensil, se observó también una fuerte dependencia de los resultados en función del potencial mátrico (Figura 1).
A medida que el suelo se seca, el aumento de la resistencia tensil en las muestras subsuperficiales ocurre a una menor tasa respecto a la muestra superficial, lo que indicaría que, en suelos Andisoles, el comportamiento similar a un suelo arenoso se encontrará en función del grado evolutivo del suelo (profundidad de muestreo).
Figura 1. Resistencia tensil (kPa) de agregados de la Serie Osorno en función del potencial mátrico (pF, log hPa de tensión).
En el horizonte de 40 a 60 cm, los procesos de formación de suelo, con la consecuente agregación, han sido menos intensos, debido a la menor exposición a las condiciones climáticas.
Los agregados de este horizonte también poseen una menor estabilidad al agua, debido al bajo contenido de Carbono orgánico (0,54%, versus el horizonte de 0-10 cm, con 5,9%), lo que se traduce en una ausencia de resistencia tensil a potenciales mátricos de –10hPa, derivado de la extrapolación de la recta de ajuste. Por su parte, los agregados del horizonte superficial, altamente estables al agua, tendrían una resistencia tensil aún en condiciones saturadas.
Hasta el momento se ha discutido la dependencia de las propiedades mecánicas considerando al potencial mátrico como un factor constante. Sin embargo, en las muestras de la Serie Osorno se midieron los cambios de la tensión del agua, tanto en las pruebas de consolidación como en las de corte. La figura 2 presenta la variación de esta propiedad durante la consolidación de muestras superficiales con distintos equilibrios mátricos iniciales.
El proceso de carga de la figura 2 se realizó con dos intervalos de tiempo entre etapas de aumento de la carga normal, el de 10 minutos como metodología estándar al determinar la capacidad de soporte, y el de 30 minutos para asegurar el movimiento de agua sin generar cargas neutrales entre etapas de carga. El descenso inicial que se esperaba a consecuencia del cambio en los tamaños de poros con aire fue más claro cuando la prueba se realizó con una mayor cantidad de poros con aire (tensiones iniciales de –250 hPa).
Figura 2. Cambio en la tensión del agua durante la prueba de consolidación (Andisol, Serie Osorno, 0 - 10 cm). Las flechas indican el momento en que se aplicó una carga normal de 300 kPa.
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50
0 100 200 300 400 500
Tiempo (min)
Potencial mátrico (hPa)
10 minutos 30 minutos y = 8.3774x - 8.4108
R2 = 0.94 y = 4.503e0.609x
R2 = 0.8957
0 20 40 60 80 100
0 1 2 3 4 5
pF
Resistencia (kPa)
0-10 cm 40-60 cm
Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo.
VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003
Sin embargo, el potencial mátrico se mantuvo más o menos constante, hasta el momento en que la carga normal aumentó a 300 kPa, indistintamente del potencial mátrico inicial y del intervalo de tiempo entre cargas. El cambio en el potencial mátrico es más significativo en las muestras consolidadas con una alta tensión mátrica inicial, ya que en esta condición se desarrollan cargas neutrales (valores positivos) que contribuyen a disipar las cargas externas y que explican los valores de capacidad de soporte en suelos saturados, donde el sistema poroso lleno de agua contribuye a disipar cargas a través de la fase líquida.
Para el caso de las pruebas de corte, junto con la carga normal se aplica un esfuerzo tangencial, que provoca una discontinuidad del sistema poroso. Es decir, aún con una muy baja velocidad de corte, el flujo de agua se ve restringido, lo que favorecerá la generación de tensiones neutrales.
Las figuras 3 y 4 muestran resultados representativos de las pruebas de corte.
Figura 3. Resistencia, asentamiento y potencial mátrico en pruebas de corte directo del Andisol Serie Osorno con carga normal (a) mayor a 200 kPa y (b) menor a 200 kPa. Las muestras inicialmente se encontraban a una tensión mátrica de –60 hPa.
Figura 4. Resistencia, asentamiento y potencial mátrico en pruebas de corte directo del Andisol Serie Osorno con carga normal (a) mayor a 200 kPa y (b) menor a 200 kPa. Las muestras inicialmente se encontraban a una tensión mátrica de –300 hPa.
Indistintamente del potencial mátrico inicial, una carga normal mayor a 200 kPa generó un aumento del potencial mátrico, hasta llegar a valores de presión de agua. La naturaleza dinámica de la prueba de corte, con un esfuerzo normal constante y un esfuerzo de corte creciente, trae como consecuencia que la generación de cargas neutrales ocurra con cargas normales de menor magnitud, respecto a las pruebas de consolidación, efecto que es mucho más claro mientras más cercano a saturación se encuentre el suelo. Por lo tanto, existiría una carga normal crítica a partir de la cual se genera presión de agua en el sistema poroso, y que depende de los esfuerzos externos. Sin embargo, cuando la carga normal no supera este valor crítico, los agregados no se destruyen, el sistema poroso mantiene su funcionalidad, y la tensión efectiva aumenta.
La importancia de estos resultados radica en que los suelos sufren procesos acoplados, en que se asocian cambios de tipo mecánico (compactación, corte) con cambios en la hidrología del suelo (variación del potencial mátrico), afectando la resistencia mecánica y los flujos de agua y aire. El entender estos fenómenos asociados permitirá establecer mejores estrategias de
0 50 100 150 200 250 300
0 40 80 120
Tiempo (min)
Resistencia (kPa)
-80 -40 0 40 80
Potencial (hPa)
asentamiento (1/10 mm)
resistencia asentamiento potencial
0 10 20 30 40 50
0 20 40 60 80
Tiempo (min)
Resistencia (kPa)
-80 -40 0 40 80
Potential (hPa)
asentamiento (1/10 mm)
resistencia asentamiento potencial
a b
0 50 100 150 200 250 300
0 50 100
Tiempo (min)
Resistencia (kPa)
-200 -150 -100 -50 0 50
Potential (hPa)
asentamiento (1/10 mm)
resistencia asentamiento potencial
0 10 20 30 40 50
0 20 40 60 80
Tiempo (min)
Resistencia (kPa)
-200 -150 -100 -50 0 50
Potential (hPa)
asentamiento (1/10 mm)
resistencia asentamiento potencial
a b
labranza, lo que contribuirá al uso más eficiente de los recursos energéticos y a una mejor conservación del suelo.
CONCLUSIONES
- Las propiedades mecánicas dependen fuertemente del potencial mátrico (Ψm) del agua del suelo. Mientras más negativo es el ? m, mayor es la capacidad de soporte, la cohesión y la resistencia tensil. Este principio no sería aplicable a suelos con dominancia de poros gruesos, donde la disminución del volumen de poros con agua es mayor que la disminución del potencial mátrico, resultando en una pérdida de cohesión a medida que el suelo se seca.
- La resistencia tensil de agregados individuales en función del Ψm tiene relación con los componentes del suelo, principalmente materiales coloidales y carbono orgánico, y con el grado evolutivo de la estructura. Durante un evento mecánico, inicialmente el Ψm puede disminuir, pero su comportamiento posterior afectará la tensión efectiva en una dirección y magnitud que depende del grado de saturación del sistema poroso del suelo y de los estreses externos.
- En el suelo Andisol de la Serie Osorno se determinó una carga normal (σn) crítica, que corresponde a aquélla que provoca una condición de inestabilidad del suelo. Durante una prueba mecánica, la σn crítica resulta en un ascenso en el potencial mátrico debido a cambios en la distribución del sistema poroso, pudiendo generarse cargas neutrales.
- La σn crítica es menor en fenómenos de corte (200 kPa) que en procesos de consolidación (300 kPa) debido a que en el corte los estreses son bidireccionales, por lo que la funcionalidad del sistema poroso se afecta en mayor grado.
REFERENCIAS
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Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo.
VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003
Permeabilidad saturada en Vertisoles. Uso del Permeámetro Guelph.
Jorge Alberto Cerana, Pablo Gustavo Fontanini , Oscar Duarte, Silvia Rivarola, Eduardo Díaz, Rene Benavidez
Facultad de Ciencias Agropecuarias - Universidad Nacional de Entre Ríos, Argentina jcerana@yahoo.com
INTRODUCCIÓN
La determinación de los parámetros hidráulicos en suelos de texturas arcillosas exige la selección de técnicas especiales que se adecuen a esas condiciones. Las dificultades son mayores en suelos Vertisoles, expansivos y que se agrieten al secarse. (Bouma y Loveday, 1988). Las técnicas de medición y monitoreo empleadas en suelos arenosos o francos pueden producir resultados erróneos en suelos arcillosos y son inútiles en suelos expansivos. (Bagarello 1993.). El Permeámetro de Guelph (Reynolds y Elrick 1985a) permite efectuar determinaciones en condiciones de campo, en la zona no saturada del suelo. Este método se sustenta en los análisis efectuados por Richards, que ha encontrado una solución efectiva de cálculo de la Conductividad Hidráulica Saturada (Kfs), considerando el flujo tridimensional del agua en el suelo, a partir de un hoyo en donde se mantiene una Carga Hidráulica (H) constante.
Las primeras experiencias con el Permeámetro de Guelph en Argentina fueron las realizadas por Benavídez y Bricchi (1995), que trabajaron en suelos franco arenosos de Río Cuarto, Córdoba, habiendo encontrado ventajas sobre otros métodos.
El objetivo del presente trabajo es la determinación de Kfs en suelos expansivos dedicados a la producción de arroz en condiciones de alta humedad, utilizando el permeámetro de Guelph.
MATERIALES Y MÉTODOS
La Kfs se determinó en 3 localidades de la Provincia de Entre Ríos: San Salvador (Peludert argiacuólico) y Jubileo, (Peludert argiacuólico), Villa Mantero, (Peludert argiudólico (Entre Ríos) y en una localidad de la Provincia de Corrientes, Monte Caseros (Peludert típico), (Figura 1), durante los años 2000 y 2001. Las determinaciones fueron realizadas a una profundidad entre los 25-30 cm. y se totalizaron 27 ensayos. Para todas las mediciones se calculó el porcentaje de humedad edáfica por secado en estufa y las texturas a la profundidad donde se efectuaron las medidas. (Cuadro 1).
Cuadro 1. Clasificación y Textura de los suelos bajo estudio
Textura profundidad 5-30 cm Provincia y
localidad
Subgrupos de
suelos arcilla limo arena (%)
Entre Ríos Argiudolic Peludert 37,00 48,20 14,80 Entre Ríos Argiacuolic Peludert 32,90 62,80 4,40 Corrientes Typic Peludert 38,90 58,00 3,20
La medición de la Kfs se realizó por medio del permeámetro de Guelph, SOILMOISTURE 2800K1, instrumento que permite mantener una H constante, en un hoyo previamente barrenado.
Mientras el agua fluye a través del suelo, la columna de agua en los reservorios del permeámetro desciende, manteniendo estable la altura de H. Esta velocidad de descenso es registrada por medio de una escala graduada a 0,1 cm, en intervalos constantes de tiempo, permitiendo
lecturas correctas aún a muy bajos caudales. Cuando las velocidades de descenso se estabilizan obteniendo 3 ó 4 valores iguales o con diferencias menores al 5% se termina la medición. Con el valor de velocidad de descenso estable obtenido se procede al cálculo de la Kfs,
Figura 1. Ubicación de las localidades
Las recomendaciones seguidas para su utilización en suelos Vertisoles, ajustadas por Cerana et al. (2002), fueron:
a. Uso del barreno
El barreno incorporado en la caja de herramientas del Permeámetro de Guelph, no es recomendable para realizar el orificio en condiciones de plasticidad, debido a la gran compactación y sellado que produce en los suelos Vertisoles, Si bien todos los barrenos alteran el estado estructural de las paredes el barreno de hoja cortante, resulta más conveniente, debiendo considerarse las medidas del hoyo logrado. El cepillo descompactador que trae el permeámetro, no produce mejoras en estas condiciones de trabajo; por el contrario cuando el suelo se encuentra muy húmedo el enlodamiento y sellado de poros se ve aumentado con su uso.
b. Utilización de arena en el orificio barrenado
El sellado de las ranuras de salida de agua del permeámetro, ocasiona subestimaciones en los valores obtenidos de Kfs, y la in operatividad del equipo. Lilly (1994) recomienda el uso de arena dentro del hoyo para evitar el sellado de las ranuras por el barro, facilitando el correcto funcionamiento del permeámetro en suelos de texturas finas.
c. Resultados negativos y solución de Elrick
La heterogeneidad que presentan los Vertisoles, junto con los cambios volumétricos sufridos por la humectación a través del tiempo; causaron que en todas las mediciones realizadas donde el sistema de dos cargas hidráulicas (procedimiento recomendado por el manual de instrucciones)
