Introducción

Las prácticas agrícolas relacionadas con el manejo del suelo, como la preparación del terreno, son una fuente importante de dispersión de Material Particulado (MP) al aire. Sin embargo, es limitada la información disponible relacionada con las emisiones de partículas finas menores a 2.5 µm (MP_2.5) y más gruesas (2.5 a 10 µm, MP₁₀), cuando se realizan diferentes actividades con maquinaria e implementos agrícolas, los cuales generan polvos en función de las características del suelo y factores climáticos; además, hay duda sobre la contribución real de las actividades agrícolas a las emisiones totales de MP a la atmósfera (Holmen et al., 2008; ^{Madden et al., 2009}).

El contenido de arcilla, más que arena o limo, representa un indicador del potencial del suelo para generar MP₁₀ en suelos agrícolas del Valle de San Joaquín, California (^{Carvacho et al., 2001}). La exposición a partículas totales en una cabina abierta de maquinaria en sitios de trabajo agrícola varía de 2 a 20 mg m^-3, pero también hay exposiciones que exceden 100 mg m^-3 (^{Schenker, 2000}). Las exposiciones más altas a polvos ocurren durante el barbecho y rastreo; por ejemplo, en suelos de zonas áridas la fracción inorgánica de los suelos puede estar dominada por el carbonato de calcio y otras sales solubles. Además, las emisiones de polvos en áreas agrícolas contienen arcilla con una superficie específica grande y con mayor potencial para adsorber y transportar materiales orgánicos y pesticidas. La materia orgánica y la formación de agregados del suelo son propiedades importantes en la reducción de MP en suelos agrícolas (^{Baker et al., 2005}). También tienen relevancia las variaciones temporales en algunas propiedades físicas del suelo, como el contenido de agua, la densidad aparente y la cantidad de agregación o desagregación (^{Madden et al., 2009}).

Según ^{Wang et al. (2010)}, en suelos cultivados con algodonero en Las Cruces, Nuevo México, a mayor humedad del suelo fue menor la dispersión de MP₁₀; por ejemplo, con 18 y 23% de humedad en el suelo hay partículas de 2 a 75 µm y con 34 y 37% de humedad se observaron partículas de 0 a 2 µm; en diferentes suelos, tipos de labranza y cultivos, los factores de emisión de MP₁₀ fueron significativamente diferentes (P < 0.001). Estos autores muestran ecuaciones con factores de emisión para modelos de dispersión de polvos en las operaciones agrícolas de labranza:

donde: Qai es el coeficiente para una operación especial en un cultivo, Ei es el factor de emisión (mg m^-2), s es la fracción de limo (g g^-1), y M es la humedad del suelo (g g^-1).

Cada textura de suelo puede retener cantidades de agua variables y tener potenciales de agua diferentes, por lo tanto pueden variar en su potencial para producir MP₁₀. El potencial de emisión de MP₁₀ en suelos secados al aire disminuye al incrementarse el contenido de arena; por el contrario, aumenta cuando se incrementa el contenido de arcilla y limo (^{Zobeck et al., 1999}; ^{Funk et al., 2008}). Las condiciones secas en regiones áridas permiten que las partículas finas se mantengan suspendidas en el aire y así crear nubes de polvo. Por ejemplo, las emisiones de polvo en caminos no pavimentados están en función directa a las partículas menores de 70 µm (^{Cowherd et al., 1974}; ^{Kuhns et al., 2005}). En otro estudio, se compararon datos de laboratorio con emisiones de polvo producidas durante actividades de labranza agrícola y se encontró que la humedad del suelo, la materia orgánica y los agregados del suelo son propiedades que afectan la producción de polvos; de tal manera que cuando la humedad del suelo fue de 540 kPa, la producción de polvo MP₁₀ fue de 20 a 35 mg m^-3 en un suelo con 42% de arena, 39% de limo, y 19% de arcilla (^{Domingo et al., 2010}). Incluso en caminos agrícolas rurales y en campos experimentales la dispersión de polvos está en función del contenido de limo del suelo o de la distribución del tamaño de partículas, de la velocidad y del tamaño del vehículo, y del contenido de humedad del suelo (^{Gillies et al., 2005}; ^{Williams et al., 2008}; ^{Flores et al., 2011}). Los objetivos del presente estudio fueron evaluar las emisiones de MP causadas por operaciones de labranza con diferentes implementos y velocidades del tractor en un suelo cultivado con algodonero, así como relacionar la dispersión de MP con las propiedades físicas del suelo.

Materiales y métodos

El experimento se realizó en el Plant Sciences Research Center (PSRC) de New Mexico State University localizado a 12 km al Sur de Las Cruces en el Valle de Mesilla, Condado de Dona Ana, Nuevo México (32º 11' 3 5.84" N y 106º 44' 08.75" O). Los suelos del área son clasificados como Glendale conforme a la clasificación Soil Taxonomy-USDA del orden Entisoles (fine-silty, mixed, calcareous, thermic typic Torrifluvents), es decir fino-limoso, calcáreo, mezclado, térmico, típico torrifluvents, y Harkey (coarse-silty, mixed, calcareous, thermic typic Torrifluvents), es decir grueso-limoso, mezclado, calcáreo, térmico, típico, torrifluvents (^{Bulloch y Neher, 1980}). La textura del área experimental es franco-arcillosa, pero en esta área el aluvión es alterado por el viento y material eólico. El clima es árido con temperatura media anual de 20 ºC y la precipitación anual varía de 180 a 230 mm (^{Bulloch y Neher, 1980}).

El terreno fue sembrado con algodonero durante 2007; el 8 de enero de 2008 se realizaron las operaciones de labranza para el experimento (Figura 1). El área de estudio se dividió en seis parcelas de 5 × 20 m, las cuales fueron consideradas como unidades experimentales, separadas por una banda de 5 m de ancho. Los cuatro tratamientos consistieron de: dos tipos de labranza, rastreo con discos mediante un implemento Massey Fergusson John Deer 7810 y arado de cincel marca Johnson con 93 cm de altura y 245 cm de ancho, así como dos velocidades promedio del tractor: 4.8 y 6.5 km h^-1 en cada actividad de labranza. Los tratamientos se aplicaron en cada parcela en diferentes periodos para permitir la decantación de partículas de polvo o MP, y por ende, la limpieza del aire. El análisis de varianza para los datos de MP dispersado al aire consistió en determinar los efectos independientes de cada tratamiento (rastreo a 4.8 km h^-1, rastreo a 6.5 km h^-1, arado a 4.8 km h^-1y arado a 6.5 km h^-1) y el efecto anidado de velocidad dentro de cada método de labranza. La medición de MP se realizó con tres muestreadores de polvo (Dust Trak^(r)) que se instalaron a 100 cm de altura sobre la superficie del suelo en el lado expuesto hacia el viento de las parcelas y separados a una distancia de 2.7 m, además se instaló un anemómetro sónico en la parte Sur (Figura 2). La concentración de MP fue registrado cada segundo, mientras que la velocidad del viento en los planos x-y-z, dirección del viento y temperatura fueron registrados cada 1/10 s mediante un anemómetro sónico. Estos instrumentos se movieron a las parcelas conforme se realizó cada actividad de labranza con un total de nueve repeticiones.

Figura 1 Actividades de labranza mediante rastra de discos (izquierda) y arado de cincel (derecha). 

Figura 2 Muestreador de polvos (izquierda) utilizado para registrar la concentración de material particulado y un anemómetro sónico (derecha) para registrar dirección del viento en tres planos x - y - z. 

Un total de 30 muestras de suelo fueron colectadas en las seis parcelas, es decir cinco muestras o repeticiones por parcela experimental, los muestreos fueron con barrena cilíndrica para tener muestras compactas y otras fueron colocadas sueltas en bolsas de plástico. A las muestras sueltas se les analizó el contenido de humedad del suelo y textura (^{Gee y Bauder, 1986}). Las muestras de suelo compactas con barrena cilíndrica se utilizaron para determinar la densidad aparente en cada parcela. Estas muestras también fueron utilizadas para medir el contenido de agua a capacidad de campo, punto de marchitez y contenido de agua disponible (^{Ulery y Drees, 2008}). Tres pruebas de penetrabilidad fueron realizadas por unidad experimental usando un penetrómetro de suelo estándar análogo marca TPM SP06120 para determinar la resistencia a la penetrabilidad a profundidades de 5, 10 y 15 cm. Las variaciones en las propiedades del suelo como textura y densidad pueden ser expresadas por el rango del coeficiente de variación (CV) en diferentes clases, i.e., mínimo (<15%), moderado (15 a 35%) y mayor (>35%), (^{Wilding, 1985}; ^{Shukla et al., 2004}). Los análisis de datos de MP dispersado se realizaron mediante un análisis de varianza con factores fijos de método de labranza, velocidad del tractor y el efecto anidado de velocidad dentro de labranza, así como la prueba de comparación de promedios Tukey, esto con el programa estadístico SAS versión 8 (^{SAS, 1999}).

Resultados y discusión

Propiedades Físicas del Suelo

La textura del suelo fue similar en las áreas evaluadas y se clasificó de franco limosa a franca (Cuadro 1), con promedio de las unidades experimentales de 26.1% de arena, 47.4% de limo y 26.5% de arcilla. La densidad aparente del suelo varió entre 1.2 y 1.34 g cm^-3 que coincide para los grupos texturales mencionados, dado que la suma del porcentaje de limo y arcilla fue entre 70 y 76%, lo cual tiene relevancia en la dispersión de MP por la predominancia de partículas con diámetro a que 0.05 mm (^{Funk et al., 2008}; ^{Wang et al., 2010}). El contenido volumétrico de humedad del suelo fue bajo (0.09 a 0.1 c m^-3 c m^-3) en todas las parcelas durante el experimento, lo cual podría favorecer la dispersión de MP en las actividades de labranza, ya que está demostrado la relación inversa entre humedad del suelo y erosión eólica (^{Madden et al., 2009}). La penetrabilidad varió entre 10.6 y 15.3 kg cm^-2 (1039 kPa y 1500 kPa) lo cual podría considerarse compactación intermedia, ya que valores mayores a 20 kg cm^-2 (1961 kPa) pueden ocasionar crecimientos radiculares limitados en cultivos como algodonero, alfalfa y maíz (^{Castellanos et al., 2000}).

Cuadro 1 Contenido de humedad, tamaño de partícula, densidad aparente y resistencia a penetración del suelo antes de iniciar el experimento de dispersión de material particulado. 

Con relación a la variabilidad de los factores analizados, el contenido de humedad del suelo al iniciar el experimento mostro mínima variación (^{Wilding, 1985}; ^{Shukla et al., 2004}) entre las parcelas con un coeficiente de variación (CV) de 4 a 17%. La baja variabilidad fue también observada para el contenido de arena con un CV que varió de 5 a 12%. Se observaron variaciones bajas para el contenido de limo (CV = 3 a 5%) y el contenido de arcilla (CV = 1 a 7%). Sin embargo, la variabilidad de la densidad aparente del suelo tuvo un rango de bajo a moderado con un CV que varió de 3 a 13%, en rango moderado se observó la variación para la resistencia a la penetrabilidad del suelo (CV = 8 a 19%). El hecho de tener baja a moderada variabilidad en estos parámetros, es un indicador que la emisión de MP pueda atribuirse principalmente a los factores estudiados como el método de labranza y la velocidad del tractor, y no así a la variabilidad del suelo.

Material Particulado Dispersado al Aire Debido a Operaciones de Labranza

La velocidad del viento observada fluctuó de 3.5 a 14 km h^-1(Figura 3). La utilización de factores meteorológicos en tres planos x-y-z ha sido común en estudios de modelos de dispersión para contaminación ambiental porque la velocidad y dirección del viento son factores clave de la emisión de MP (^{Rojano et al., 2000}). Por ejemplo, estos autores indican que paralelo al eje X, la concentración es inversamente proporcional a la velocidad del viento, por lo cual se puede observar en la Figura 3 que se registró mayor variación para el eje X que en las coordenadas Y y Z, lo cual se aprecia por la menor separación de líneas Y y Z. Por su parte, Holmen et al. (2008), mencionan que el tamaño y la dinámica de la nube de polvo generada en actividades agrícolas depende de la velocidad y dirección del viento, por lo que la estabilidad atmosférica que se refiere a como el aire es forzado a desplazarse hacia arriba o hacia abajo, es el parámetro clave que determina la altura de la nube de polvo y por ende, la cantidad de MP dispersado al aire.

Figura 3 Ejemplos de velocidad y dirección del viento en los planos x-y-z registrados por el Anemómetro sónico. 

El rastreo con discos causó impulsos distintos de concentración de partículas de polvo entre parcelas, registrados en los muestreadores de MP (Figura 4). Al analizar las unidades experimentales o parcelas, se observó que la concentración promedio más alta de MP fue de 1.55 mg m^-3 en la parcela 6 (Figura 4F), mientras que la menor concentración media fue de 0.88 mg m^-3 en la parcela 5 (Figura 4E), ambas con velocidad del tractor de 4.8 km h^-1 para el rastreo. Esto puede atribuirse a la menor humedad del suelo en la parcela 6, ya que presentó 0.06 cm c m^-3 más que la parcela 5. Además, la parcela 6 tuvo menor resistencia a penetrabilidad (2.46 kg c m^-2) que la parcela 5 y la suma del porcentaje de limo y arcilla fue mayor en 3.6% en la parcela 5. Esto sugiere que la menor penetrabilidad y la baja humedad contribuyeron a mayor MP dispersado en el rastreo con disco, cuyo valor máximo detectado fue de 1.272 ± 0.85 mg m^-3 a 6.5 km ^h-1 de velocidad del tractor durante el rastreo.

Figura 4 Concentración de material particulado (MP) registrada por el muestreador de polvo en cada parcela durante las operaciones con rastra de discos a 4.8 km h^-1. 

Se encontró efecto significativo entre velocidades del tractor para las emisiones máximas y mínimas de MP detectadas (P ≤ 0.01), es decir los picos observados en las gráficas de los muestreadores (Cuadro 2). En promedio el MP máximo fue a 4.8 km h^-1, mientras que el mayor promedio de picos de MP mínimos detectados por los muestreadores fue a 6.5 km h^-1 (Cuadro 3). El método de labranza solo mostró efecto significativo (P ≤ 0.01) para las emisiones de MP mínimas y no se detectó diferencia significativa para el efecto anidado de velocidad dentro del método de labranza (Cuadro 2). La comparación de promedios indica que el rastreo mostró significativamente una emisión de MP mayor que el arado con cincel para los picos máximos detectados en los muestreadores, mientras que para los picos mínimos el arado con cincel tuvo el promedio mayor (Cuadro 3). Los tres muestreadores de MP utilizados mostraron que el rastreo a 6.5 km h^-1 generó la mayor dispersión de MP en promedio (1.272 ± 0.855 mg m³⁾.

Cuadro 2 Material particulado (MP) máximo y mínimo en los métodos de labranza y velocidad del tractor. 

Fuente de variación	MP(máx)	MP(mín)
Método	0.1933	0.0025**
Velocidad	0.0001**	0.0001**
Velocidad (Método)	0.3375	0.4276
Promedio (mg m-3)	0.5550	0.0047
C.V. (%)	63.16	53.00

Cuadro 3 Material particulado (MP) máximos y mínimos detectados por los muestreadores a diferentes velocidades del tractor y métodos de labranza. 

† Datos con diferente letra son diferentes estadísticamente (P ≤ 0.01), prueba de Tukey.

El arado de cincel, al pasar por las parcelas produjo distintos impulsos en los instrumentos de medición con relación a la dispersión de MP capturado por los muestreadores de polvos (Figura 5). La concentración promedio más alta fue en la parcela 5 (Figura 5E) con una concentración de 0.83 mg m^-3, mientras que la más baja fue registrada en la parcela 2 (Figura 5B) con 0.004 mg m^-3. Ambas parcelas presentaron humedad del suelo similar (0.1 cm³ cm^-3) que es de las mayores entre las parcelas evaluadas, sin embargo, la parcela 2 presentó menor penetrabilidad (10.9 kg cm^-2 o 1068 kPa), menor densidad aparente (1.2 Mg m^-3) y relativamente menor porcentaje de limo más arcilla (74%) que la parcela 5, la cual mostró un valor de penetrabilidad de 13.9 kg c m^-2 o 1363 kPa, densidad aparente de 1.32 Mg m^-3 y 75.2% de limo más arcilla. Esto sugiere que la dispersión de MP en labranza con arado de cincel en condiciones similares de baja humedad del suelo (0.09 a 0.1 cm³ cm^-3) y porcentajes similares de tamaños de partículas pequeños (limo y arcilla) podría estar influenciado por la resistencia del suelo a penetrabilidad y por la densidad aparente. Aunque al comparar las emisiones mayores de MP (1.55 mg m^-3) entre los tipos de implementos se observó que la rastra de discos presentó un 47% más de dispersión de MP al mostrado por el arado de cincel (0.83 mg m^-3), lo cual sugiere que el tipo de implemento en labranza de suelos agrícolas tiene una influencia importante en la dispersión de MP.

Figura 5 Concentración de material particulado (MP) registrada por el muestreador de polvo en cada parcela durante las operaciones con arado de cincel a 4.8 km h^-1. 

Al comparar la parcela 6 con la 5, se observó que la 6 presentó menor humedad del suelo (0.06 cm cm^-3) y menor resistencia a la penetrabilidad (2.46 kg cm^-2 o 241 kPa) que la parcela 5 y la suma del porcentaje de limo y arcilla fue mayor en 3.6% en la parcela 5. Esto sugiere que la menor penetrabilidad y la baja humedad contribuyeron a mayor PM dispersado en el rastreo con disco. Los análisis de regresión por pasos o step-wise entre las concentraciones de polvo generadas en las operaciones de labranza y las propiedades físicas del suelo no mostraron correlaciones significativas para el rastreo con discos, mientras que para la operación con arado de cincel se observaron correlaciones significativas entre las propiedades del suelo y las concentraciones pico de polvo (PicoC), así como con las concentraciones mínimas (MinC); las siguientes ecuaciones de regresión indican como las variables de resistencia a penetrabilidad, humedad del suelo y arcilla explican las concentraciones de polvo detectadas en los instrumentos muestreadores.

PicoC=0.955-7.322*HS R²=0.23; P=0.003

PicoC=0.746-7.333*HS+0.016*RP R²=0.28; P=0.004

MinC=0.029-0.001*Arcilla R²=0.11; P=0.04

MinC=0.019-0.001*Arcilla+0.023*RP R²=0.20; P=0.03

donde: RP es la resistencia a penetrabilidad y HS es contenido de humedad del suelo.

Conclusiones