Agua–suelo–clima

 

La relación entre la densidad aparente y la resistencia mecánica como indicadores de la compactación del suelo

 

Relationship between bulk density and mechanical resistance as an indicator of soil compaction

 

Rafael Blanco–Sepúlveda

 

Departamento de Geografía. Universidad de Málaga. Campus de Teatinos, s/n., 29071. Málaga, España. *Autor responsable: (rblanco@uma.es)

 

Recibido: Septiembre, 2007.
Aprobado: Enero, 2009.

 

Resumen

La relación entre la densidad aparente (ρ_a) y la resistencia mecánica (Rm) del suelo ha originado resultados contrastantes en la literatura científica. El objetivo de este trabajo fue demostrar que existe una correlación significativa entre la ρ_a y la Rm si el muestreo es efectuado con el contenido de humedad a la capacidad de campo y se controla la profundidad de muestreo en suelos con alto contenido en gravas. La ecuación de regresión obtenida permite explicar 60 % de la variabilidad de la ρ_a a partir de la Rm y la plasticidad del suelo.

Palabras clave: Análisis de correlación y regresión, capacidad de campo, contenido de gravas, degradación física del suelo, penetrómetro, plasticidad.

 

Abstract

In scientific literature contrasting results have been reported concerning the relationship between bulk density (pj and soil penetration resistance (cone index = CI). The objective of this study was to demonstrate that there is a significant correlation between p_a and CI if sampling is conducted with moisture content at field capacity and sampling depth in soil with high gravel content is controlled. The regression equation obtained explained 60 % of the variability of ρ_a from CI and soil plasticity.

Key words: Correlation and regression analysis, field capacity, gravel content, physical degradation of soil, penetrometer, plasticity.

 

INTRODUCCIÓN

La compactación es un proceso por el cual se comprime la masa de suelo como consecuencia de la aplicación de cargas o presiones. En términos físicos, la compactación disminuye el volumen de poros, modifica la estructura porosa y aumenta la densidad aparente (ρ_a) (Baver et al., 1991). Un examen a microescala permite observar un cambio en la forma y continuidad de los poros, en especial una reducción del tamaño y número de los macroporos.

Estos cambios estructurales por compactación alteran las propiedades volumétricas del suelo, lo que repercute en el desarrollo y crecimiento de las plantas porque decrece la conductividad hidráulica y la capacidad de retención de agua y se altera la difusión de gases en su interior. Estos cambios provocan una deficiente aireación y un suministro inadecuado de oxígeno para el desarrollo de las plantas. Así mismo, la degradación de la estructura del suelo por compactación provoca una ralentización o paralización del desarrollo de las raíces, al aumentar la Rm (Bengough, 1991; Atwell, 1993). Los valores críticos de impedancia mecánica del suelo son variables y dependen del tipo de planta y de las características y propiedades del medio edáfico (Bengough, 1991). Según Graecen (1986), Bengough (1991) y Atwell (1993), con valores de impedancia mecánica superiores a 2 MPa se reduce significativamente el crecimiento de las raíces.

La ρ_a y la Rm son propiedades usadas para analizar la degradación del suelo por compactación debido a las actividades agropecuarias. La relación entre ambas variables ha originado a resultados contrastantes. Así, Voorhees (1983), Sojka et al. (2002) y Bruand et al. (2004) señalan que cada una presenta una diferente sensibilidad para medir la compactación del suelo y, por tanto, no hay buena correlación entre ellas. En este sentido, la Rm sería un método más sensible para medir la compactación del suelo, sobre todo en profundidad (Voorhees, 1983; Rodd et al., 1999; Clark et al., 2004). Para explicar estas diferencias de sensibilidad para medir la compactación del suelo, Voorhees (1983) indica que la Rm es sensible a los cambios producidos en el suelo por microgrietas, planos de fractura y porosidad; mientras que, la ρ_a es sensible sólo a los cambios en la porosidad del suelo. Además, el diferente volumen de porosidad medido por ambos métodos, es más alto en la ρ_a (Sojka et al., 2001).

Se ha observado una relación directamente proporcional entre la Rm y la ρ_a (Stitt et al., 1982; Christensen et al., 1989; Willat y Pullar, 1983), con correlaciones de0.89 (p<0.05) a0.99 (p<0.001) (Cruse etal. (1981). Sin embargo, se debe destacar que tales resultados son de experimentos en laboratorio, donde no interfieren la variabilidad ambiental y las condiciones de muestreo. Los resultados de ρ_a y Rm se caracterizan por una elevada variabilidad espacial debido a las variaciones espaciales de las condiciones ambientales en las áreas de muestreo. La Rm destaca por ser una medida puntual y, por tanto, tiende a presentar una mayor variabilidad espacial, incluso en muestreos a distancias muy próximas (Gerrard, 1982), lo cual determina la relación entre ambas variables. Por este motivo es necesario controlar los factores de variabilidad que influyen en la ρ_a y la Rm para comparar los resultados. Campbell y O'Sullivan (1991), Blanco (2000) y Lowery y Morrison (2002) indican que los factores de variabilidad más importantes son: textura, estructura, porosidad, contenido de carbonato cálcico y de gravas, exposición de ladera, pendiente, cobertura herbácea, propiedades mecánicas del suelo (consistencia, adhesividad y plasticidad), contenido de agua y capacidad de retención de agua en el suelo.

El primer objetivo de este trabajo fue determinar si hay una correlación significativa entre la ρ_a y la Rm. La hipótesis fue que esta correlación está determinada por el contenido de gravas y las condiciones de humedad del suelo en el momento del muestreo de la Rm.

El segundo objetivo fue predecir la ρ_a a partir de la Rm y los factores de variabilidad, para lo cual se analizó el peso de los factores de variabilidad en la predicción, para determinar cuáles tienen una mayor influencia. La hipótesis fue que dichas variables se pueden usar para predecir la citada propiedad física.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio se realizó en terrenos de una explotación caprina afectada por diferentes grados de compactación debido al pastoreo. El sistema de pastoreo, característico de la montaña mediterránea, es continuo y de duración diaria ya que el pastor guía el ganado en sus recorridos y regresa a las instalaciones en la noche. Este sistema genera elevadas cargas instantáneas por unidad de superficie porque afecta a pequeñas áreas, lo que favorece los senderos de pastoreo preferentes (Blanco, 2001).

La explotación tiene 176 ha y está situada en la comarca de los Montes de Málaga, 30 km al norte de la ciudad de Málaga (Casabermeja, España). El relieve es muy compartimentado, con una altitud entre 650 y 977 m y una pendiente media de 40 %. El clima es mediterráneo, la precipitación y la temperatura media anual es 701 mm y 14.2 °C. Los suelos son principalmente de textura franca, 0.5–2 % de materia orgánica, pH en agua de 6.7–8.0, capacidad de intercambio catiónico de 10.5–15.0 meq 100 g^–1 y tasa de saturación en bases de 85–100 %. Los suelos presentan una elevada pedregosidad superficial (muy pedregosos según la clasificación de la FAO, 1990) y un alto contenido (superior a 65 %) en gravas en el interior del perfil.

El muestreo de la ρ_a y la Rm se realizó en diciembre de 2006 en 20 parcelas de muestreo, diferenciadas en función de los factores de variabilidad que influyen en las citadas propiedades (Cuadro 1). Los métodos para determinar los factores fueron: contenido de carbonato cálcico (método visual y auditivo, FAO, 1990); tipo, tamaño y grado de la estructura, consistencia en seco y en húmedo, adhesividad y plasticidad (determinación visual y táctil, FAO, 1990); textura (método de tamizado en seco para las arenas y de la pipeta de Robinson para limo y arcilla; los tipos de texturas se agruparon según Marañés et al., 1998); cobertura herbácea (método Line Intercept, Pinilla et al., 1995; se realizaron tres transectos por parcela de muestreo); porosidad total (Guitian y Carballas, 1976); retención de agua en el suelo a la capacidad de campo (Cassel y Nielsen, 1986). La profundidad de muestreo de las variables edáficas se realizó en los primeros 3 cm de suelo, para hacerlo coincidir con el muestreo de la ρ_a. Todas ellas se valoraron en una escala de 1 a 4. Los contenidos de agua y gravas tienen una alta variabilidad en la zona de estudio, por lo que fue necesario controlar dichos factores directamente durante el muestreo, como se describe en los párrafos siguientes.

El muestreo en cada parcela se realizó usando transectos, haciéndolos coincidir con los senderos de pastoreo, debido a que estas zonas están dañadas por el pisoteo del ganado. El tamaño de muestreo (repeticiones) en cada parcela fue 7 (n=7) para la Rm y 3 (n=3) para la ρ_a (Montiel y Blanco, 2001).

La ρ_a se determinó usando el método del terrón (Brasher et al., 1966). Los terrones fueron tomados a una profundidad de 0 a 3 cm, donde se produce el mayor índice de impacto por compactación animal (Wind y Schothorst, 1964). Los suelos con alto contenido en gravas desvirtúan las mediciones porque la ρ_a de la fracción fina es significativamente más baja que la ρ_a total. Considerando que el impacto por compactación se produce en la fracción fina del suelo, es más significativo expresar la ρ_a de dicha fracción para analizar este tipo de impacto. Por tanto, la extracción de gravas se realizó según Page–Dumrouse et al. (1999) para suelos con estas características. Primero se analizó la ρ_a con las gravas y luego se rompió el terrón para extraerlas y recalcular la ρ_a de la tierra fina sin la influencia de las gravas.

La resistencia mecánica (Rm) del suelo se determinó con un penetrómetro manual tipo IB (marca Eijkelkamp) con dos muelles de 100 y 150 N de compresión, junto con dos puntas cónicas con una superficie de área de 0.25 y 0.50 cm². Se realizaron tres muestreos de Rm usando combinaciones de grado de humedad y profundidad de muestreo. Éste se realizó en suelo seco y con contenido de agua a la capacidad de campo (—33 kPa), es decir 48 h después de un evento lluvioso de 31 L que saturó el suelo. El muestreo se realizó a 1.5 y 3 cm de profundidad, pero con suelo seco sólo a 1.5 cm debido a que la elevada compactación y pedregosidad del suelo no permitieron muestrear a mayor profundidad.

Para determinar la relación entre la ρ_a, la Rm y los factores de variabilidad se efectuó un análisis de correlación bivariada y un análisis de regresión lineal múltiple (método stepwise), usando el programa SPSS 14.0.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El análisis de los resultados del muestreo de la ρ_a y la Rm (Cuadro 2) indica un mayor grado de dispersión en las medidas puntuales realizadas con el penetrómetro, lo que coincide con los resultados de Gerrard (1982) como ya se indicó. A su vez, el primer muestreo realizado en suelo seco (Pmetro1) muestra una dispersión mayor que los otros dos. El coeficiente de variación medio de la distribución fue 21.5 %, pero se redujo a 14.88 % y 14.13 % para los muestreos Pmetro2 y Pmetro3. El muestreo en suelo seco aumenta la dispersión de los resultados, sobre todo en las zonas de montaña donde hay marcados contrastes microclimáticos a causa de la diferente radiación solar que incide en suelos con distintas exposiciones de ladera. Por tanto, los suelos con exposición norte presentan un balance de humedad mayor durante el año que los suelos de laderas expuestos a solana, porque los procesos de humectación–desecación son más suaves. Así, el muestreo en suelo seco, o más bien aparentemente seco, introduce un factor de variabilidad en las condiciones ambientales iniciales, lo que se refleja en los resultados.

Soane et al. (1980), Busscher et al. (1997) y Pires da Silva et al. (2002) reconocen la influencia del contenido de agua en la variabilidad de los resultados. Pires da Silva et al. (2002) indican que 43 % de la variación de la Rm es atribuible a la humedad del suelo. Por tanto, es necesario muestrear en condiciones homogéneas de humedad para reducir las variaciones atribuidas al contenido de agua en el suelo.

El análisis de correlación (Cuadro 3) indica que los resultados más significativos entre ρ_a y Rm se obtuvieron con el muestreo realizado en suelo con un contenido de humedad a la capacidad de campo y a una profundidad de muestreo de 1.5 cm (Pmetro2; R=0.69; p<0.01), mientras que la correlación de los restantes muestreos de Rm con la ρ_a, no fue significativa (p>0.05). Al mismo tiempo, la ρ_a se correlacionó significativamente (p<0.05) con los siguientes factores de variabilidad: consistencia del suelo en seco y en húmedo, adhesividad y plasticidad.

El análisis de estos resultados permite deducir las influencias de las condiciones de humedad del suelo y las interferencias que producen las gravas en el interior del perfil. El coeficiente de correlación más bajo con la ρ_a (R=0.28) fue con el primer muestreo de Rm (Pmetro1), el cual se realizó con el suelo seco. Así se confirma este factor de dispersión como causa de la reducida significación en la correlación. Las gravas del suelo interfieren en los resultados mediante la influencia de la profundidad de muestreo. Por este motivo, los resultados fueron mejores en el muestreo realizado hasta 1.5 cm de profundidad (Pmetro2) (R=0.69) que en el muestreo a 3 cm (Pmetro3) (R=0.44). Por tanto, se puede deducir que los muestreos a menor profundidad evitan parcialmente la interferencia de la pedregosidad.

En el análisis de regresión lineal múltiple la variable dependiente fue la ρ_a y las independientes fueron aquellas con p<0.05. El análisis de regresión introdujo en el modelo la Rm (Pmetro2) y la plasticidad como variables de predicción; las demás variables fueron excluidas. La plasticidad fue el único factor de variabilidad que tuvo mayor peso para predecir la ρ_a. Las ecuaciones de regresión son:

La ecuación (1) indica una relación significativa (R²=0.48; p=0.001) entre la ρ_a y la Rm. Esta última explica 48 % de la variabilidad de la ρ_a y en la Figura 1 se observa una relación lineal positiva entre estas variables. Este resultado es similar al obtenido por House et al. (2001), quienes indican que 52 % de los valores de la ρ_a pueden ser explicados por la Rm. La ecuación (2) mejora los resultados anteriores (R²=0.60; p=0.000) al introducir la variable plasticidad. En este caso se puede explicar 60 % de los resultados de ρ_a con la Rm y la plasticidad, lo que supone que esta última variable explicaría 12 % de la variabilidad de la ρ_a.

Estos resultados responden a la estrecha relación entre la plasticidad y la consistencia del suelo. Por tanto, esta cualidad suele ser usada para caracterizar el comportamiento mecánico del suelo. Esto coincide con los resultados obtenidos por Ball et al. (2000), quienes indican que la plasticidad es una variable importante para predecir la susceptibilidad a la compactación del suelo.

 

CONCLUSIONES

La densidad aparente (ρ_a) presenta una correlación significativa con la resistencia mecánica (Rm) del suelo, resultado obtenido manteniendo unas condiciones particulares de muestreo para la Rm. El muestreo realizado con el suelo a la capacidad de campo y a una profundidad de 1.5 cm fue el más significativo (R=0.69; p<0.01). El muestreo de suelos en condiciones homogéneas de humedad es fundamental para reducir la dispersión en los resultados y obtener una relación significativa entre ambas propiedades. El contenido de gravas del suelo interfiere en los resultados a partir de la profundidad de la toma de muestras. Así, al aumentar la profundidad de muestreo en suelos con un alto contenido en gravas, aumenta la dispersión de los resultados y éstos se alejan de los efectos atribuibles a la compactación del suelo. En tales condiciones, la relación entre la ρ_a y la Rm es poco significativa.

La relación fue altamente significativa entre la ρ_a, la Rm y la plasticidad, explicando 60 % de la variabilidad de la ρ_a. La Rm explicaría 48 % de la variabilidad de la ρ_a y la plasticidad, el 12 % restante.

 

LITERATURA CITADA

Atwell, B. J. 1993. Response of roots to mechanical impedance. Environ. Exp. Bot. 33(1): 27–40.         [ Links ]

Ball, B. C., D. J. Campbell, and E. A. Hunter. 2000. Soil compactibility in relation to physical and organic properties at 156 sites in UK. Soil and Tillage Res. 57: 83–91.         [ Links ]

Baver, L. D., W. H. Gardner, and W. R. Gardner. 1991. Física de Suelos. Limusa. México. 529 p.         [ Links ]

Bengough, A. G. 1991. The penetrometer in relation to mechanical resistence to root growth. In: Smith, K. A., and CH. Mullins (eds). Soil Analysis. Physical Methods. Marcel Dekker, Inc. New York. pp: 431–445.        [ Links ]

Blanco, R. 2000. Propuesta Metodológica para la Aplicación del Análisis de las Propiedades Físicas Edáficas a la Evaluación del Suelo para Usos Ganaderos. Tesis Doctoral. Servicio de Publicaciones de la Universidad de Málaga. 434 p.        [ Links ]

Blanco, R. 2001. Variaciones estacionales en la gestión del pastoreo en una explotación caprina lechera de un área de montaña mediterránea. Pirineos 156: 119–134.        [ Links ]

Brasher, B. R., D. P. Franzmeier, V. Valassis, and S. E. Davidson. 1966. Use of Saran Resin to coat natural soil clods for bulk density and moisture retention measurements. Soil Sci. 101: 108.        [ Links ]

Bruand, A., CH. Hartmann, S. Ratana–Anupap, P. Sindhusen, R. Poss and M. Hardy. 2004. Composition, fabric and porosity of an Arenic Haplustalf of Northeast Thailand: Relation to penetration resistance. Soil Sci. Soc. Am. J. 68: 185–193.        [ Links ]

Busscher, W. J., P. J. Bauer, C. R. Camp, and R. E. Sojka. 1997. Correction of cone index for soil water content differences in a coastal plain soil. Soil Tillage Res. 43: 205–217.        [ Links ]

Campbell, D. J. and M. F. O'Sullivan. 1991. The cone penetrometer in relation to trafficability, compaction and tillage. In: Smith, K. A., and CH. Mullins (eds). Soil Analysis. Physical Methods. Marcel Dekker, Inc. New York. pp: 399–429.        [ Links ]

Cassel, D. K., and D. R. Nielsen. 1986. Field capacity and available water capacity. In: Page, A. L., R. H. Miller, and D. R. Keeney (eds). Methods of Soil Analysis. Part I. Physical and Mineralogical Methods. Second Edition. Agronomy 9. Madison. Wisconsin, USA. pp: 901–926.         [ Links ]

Christensen, N. B., J. B. Sisson, and P. L. Barnes. 1989. A method for analyzing penetration resistance data. Soil and Tillage Res. 13: 83–91.         [ Links ]

Clark, J. T., J. R. Russell, D. L. Karlen, P. L. Singleton, W. D. Busby, and B. C. Peterson. 2004. Soil surface property and soybean yield response to corn stover grazing. Agron. J. 96: 1364–1371.         [ Links ]

Cruse, R. M., D. K. Cassel, R. E. Stitt, and F. G. Averette. 1981. Effect of particle surface roughness on mechanical impedance of coarse textured soil materials. Soil Sci. Soc. Am. J. 45: 1210–1214.        [ Links ]

FAO. 1990. Guidelines for Soil Description. 3rd edition. Roma. 70 p.         [ Links ]

Gerrard, A. J. 1982. The use of hand–operated soil penetrometers. Area 14: 227–234.         [ Links ]

Graecen, E. L. 1986. Root response to soil mechanical properties. Trans. 13^th Congress Inter. Soc. Soil Sci. Hamburg 5: 20–47.         [ Links ]

Guitián, F., y T. Carballas. 1976. Técnicas de Análisis de Suelos. Pico Sacro, Santiago de Compostela. 288 p.         [ Links ]

House, M. L., W. L. Powers, D. E. Eisenhauer, D. B. Marx, and D. Fekersillassie. 2001. Spatial analysis of machine–wheel traffic effects on soil physical properties. Soil Sci. Soc. Am. J. 65: 1376–1384.         [ Links ]

Lowery, B., and J. E. Morrison. 2002. Soil penetrometers and penetrability. In: Dane, J. H., and G. Clarke (eds). Methods of Soil Analysis. Part 4. Physical Methods. Soil Science Society of America. Madison, Wisconsin, USA. pp: 363–388.         [ Links ]

Marañés, A., J. A. Sánchez, S. De Haro, S. T. Sánchez, y F. Del Moral. 1998. Análisis de Suelos. Metodología e Interpretación. Universidad de Almería. 184 p.         [ Links ]

Montiel, A. M., y R. Blanco. 2001. Métodos de optimización de muestreo en los estudios de las propiedades físicas del suelo. Edafología 8: 51–59.         [ Links ]

Page–Dumrouse, D. S., M. F. Jurgensen, R. E. Brown, and G. D. Mroz. 1999. Comparision of methods for determining bulk densities of rocky forest soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 63(2): 379–383.        [ Links ]

Pinilla, P., R. Tamanjón, y J. M. Muñoz. 1995. Vegetación actual del P.N. Sierra de Hornachuelos. In: Moreira, J.M. (ed). Reconocimiento Biofísico de Espacios Naturales Protegidos. P.N. Sierra de Hornachuelos. Consejería de Medio Ambiente. Junta de Andalucía. pp: 231–318.        [ Links ]

Pires Da Silva, A., S. Imhoff, and M. Corsi. 2002. Soil compaction versus cow–stocking rates on an irrigated grazing system. In: Pagliai, M., and R. Jones (eds). Sustainable Land Management – Environmental Protection. A Soil Physical Approach. Adv. in GeoEcology 35: 397–406.        [ Links ]

Rodd, A. V., Y. A. Papadoloulos, L. F. Laflamne, K. B. McRae, S. A. B. Fillmore, and R. W. Wilson. 1999. Effect of rotational grazing on selected physical properties of a Gleyed Brunisolic Gray Luvisol loam in Nova Scotia. Can. J. Soil Sci. 79: 117–125.        [ Links ]

Soane, B. D., P. S. Blackwell, P. S. Dickson, and D. J. Painter. 1980. Compaction by agricultural vehicles: a review. I. Soil and wheel characteristics. Soil and Tillage Res. 1: 207–237.        [ Links ]

Sojka, R. E., W. J. Busscher, and G. A. Lehrsch. 2001. In situ strength, bulk density and water content relationships of a Durinodic Xeric Haplocalcid soil. Soil Sci. 166: 520–529.        [ Links ]

Stitt, R. E., D. K. Cassel, S. B. Weed, and L. A. Welson. 1982. Mechanical impedance of tillage pans in Atlantic Coastal Plains soil and relationships with soil physical, chemical and mineralogical properties. Soil Sci. Soc. Am. J. 46: 100–106.        [ Links ]

Voorhees, W. B. 1983. Relative effectiveness of tillage and natural forces alleviating wheel induced soil compaction. Soil Sci. Soc. Am. J. 47: 129–133.        [ Links ]

Willat, S. T., and D. M. Pullar. 1983. Changes in soil physical properties under grazed pastures. Aust. J. Soil Res. 22: 343–348.        [ Links ]

Wind, G. P., and C. J. Schothorst. 1964. The influence of soil properties on suitability for grazing and of grazing on soil properties. Trans. of the Eighth Int. Congress of Soil Sci. Bucharest. pp: 571–580.        [ Links ]