Artículos

 

Sistema de Notación Munsell y CIELab como herramienta para evaluación de color en suelos*

 

Munsell Notation System and CIELab as a tool for evaluation colors in soils

 

Julia María Domínguez Soto¹, Alma Delia Román Gutiérrez^1§, Francisco Prieto García¹ y Otilio Acevedo Sandoval²

 

¹ Área Académica de Químicas. Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Carretera Pachuca-Tulancingo, km 4.5. Pachuca, Hidalgo, México. C. P. 42076. Tel. 01 771 7172000. Ext. 2514 y 2220. (julia_moon_star@yahoo.com.mx), (aroman@uaeh.edu.mx), (prietog@uaeh.edu.mx). ^§Autora para correspondencia: aroman@uaeh.edu.mx

² Área Académica en Materiales y Metalurgia. Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. (acevedo@uaeh.edu.mx).

 

*Recibido: septiembre de 2011
Aceptado: diciembre de 2011

 

Resumen

El color es una de las características morfológicas más importantes, la más obvia, fácil de determinar y relevante en la identificación taxonómica de los suelos. El color de los suelos guarda una estrecha relación con los componentes sólidos (materia orgánica, textura, composición mineralógica, morfología); siendo los metales de transición, principalmente, los que pueden dotar a los suelos esta característica particular. El Sistema de Notación Munsell y CIELab, son dos técnicas que permiten la determinación del color del suelo. El objetivo de este estudio es evaluar las propiedades físicas, químicas y mineralógicas en suelo del cerro de Denganthza, y su relación son la coloración característica que presentan las muestras, usando como métodos de evaluación de color el Sistema de Notación Munsell y el Sistema Espectrofotométrico CIELab. En el Sistema de Notación Munsell los suelos presentan coloraciones desde amarillo pálido a rojizas, para valores de <<hue>> se encuentra entre 2.5Y, 5Y, 2.5YR, 7.5YR y 10YR mostrando coloraciones claras indicando un empobrecimiento de Fe y Mn, llevando a plantear que debido a causas pedogenéticas se ha producido un proceso de podzolización. En CIELab el color de los suelos estudiados se ubican en los cuadrantes +a* y +b* corresponden al color rojo y amarillo, el color de los suelos en húmedo corresponde a un color amarillo-rojizo, con mayor saturación en amarillo presentándose en los suelos 1, 6 y 13, en el resto se observa una tendencia hacia las tonalidades claras; sin embargo, en los suelos secos se presenta la misma coloración amarillo-rojizo, sin saturaciones con tonalidades claras en todas las muestras.

Palabras claves: color, espectrofotometría, sistemas, suelo.

 

Abstract

The color is one of the most important morphological features, the most obvious, easy to determine and relevant taxonomic identification of soils. The color of soils is closely related with the solid components (organic matter, texture, mineralogical composition, morphology) being the transition metals, mainly those soils can provide this characteristic. Munsell Notation System and CIELab are two techniques for determining the color of the soil. The aim of this study is to evaluate the physical, chemical and mineralogical properties of Denganthza hill's soil, and its relationship with the characteristic color showed in the samples, using methods of assessment color Munsell Notation System and CIELab Spectrophotometric System. In the Munsell Notation System soils have colors from pale yellow to reddish to values <<hue>> between 2.5Y, 5Y, 2.5YR, 7.5Y Rand 10YR showing clear staining indicating a depletion of Fe and Mn, leading to suggest that due to palaeosols causes, there has been a podzolization process. In CIELab color of the soils studied are located in quadrants +a* and +b* and correspond to red and yellow, the color of wet soils corresponds to a reddish-yellow, high a higher yellow saturation occurring in the soils 1, 6 and 13, the rest is a trend toward lighter shades, but in dry soils shows the same yellow-red, without saturation with light shades in all samples.

Key words: color, spectrophotometry, systems, soil.

 

Introducción

Los suelos de la región del cerro de Denganthza, desarrollados sobre rocas volcánicas epiclásticas pertenecientes a la Formación Tarango, del Plioceno Superior-Cuaternario, presentan rasgos edafológicos característicos de los cuales sus propiedades físicas y químicas, derivan de sus componentes mineralógicos y del entorno pedogenético en el que se encuentran, lo que determina la evolución de los suelos que la sobreyacen (Shoji et al., 1993). El estudio del color del suelo es una de las características morfológicas más importantes, la más obvia y fácil de determinar, permite identificar clases de suelos, es el atributo más relevante utilizado en la separación de horizontes y tiene una estrecha relación con los principales componentes sólidos de este recurso.

Tomando como referencia los nuevos intentos de utilizar el color del suelo, como un indicador que podría orientar de forma práctica la toma de decisiones sobre el uso, manejo y clasificación del suelo; el objetivo de este trabajo a nivel morfológico fue: evaluar las propiedades físicas, químicas y mineralógicas en suelo del cerro de Denganthza y su relación con la coloración característica que presentan las muestras. Así mismo se describen los sistemas más empleados en la designación de color, siendo el Sistema de Notación Munsell, método colorimétrico más utilizado, y el Sistema Espectrofotométrico CIELab como método de comparación.

Antecedentes

Una sustancia aparece coloreada porque absorbe la luz que corresponde a una o más de las longitudes de onda de la región visible del espectro electromagnético y transmite o refleja las otras longitudes de onda. La luz visible es radiación electromagnética, cuya longitud de onda, %, varía de 400 nm a 700 nm. La energía de esta radiación es inversamente proporcional a su longitud de onda: E= hv= h(c/ λ). Una combinación de todas las longitudes de onda de la región visible se llama "luz blanca"; la ausencia de todas las longitudes de onda de la región visible es oscuridad.

El color espectral es el color asociado con las longitudes de onda de la luz absorbidas por la muestra. Cuando se absorben ciertas longitudes de onda variables de la luz blanca incidente, la luz no absorbida permanece visible para nosotros como luz blanca transmitida o reflejada; a esto se le conoce como espectro de absorción (Figura 1).

El color complementario es el color asociado con las longitudes de onda que no son absorbidas por la muestra. El color complementario se ve cuando el color espectral se elimina de la luz blanca. Uno de los aspectos más notables de los compuestos de los metales de transición es que suelen tener color. En general, los colores dependen también del metal en particular y de su estado de oxidación. A veces se requiere la presencia de un subnivel "d" parcialmente lleno en el ión metálico. Los iones metálicos que tiene los subniveles "d" completamente vacios (como Al³⁺y Ti⁴⁺) o completamente llenos (como el 3d¹⁰ en Zn²⁺) son incoloros.

Aunque la capacidad para formar complejos es común en todos los iones metálicos, los más numerosos e interesantes están formados por los elementos de transición. Las propiedades magnéticas y los colores de los complejos de los metales de transición, están relacionadas con la presencia de electrones "d" en los orbitales del metal. El modelo que explica las propiedades que se observan en estas sustancias es llamada: teoría del campo cristalino.

La diferencia de energía entre los orbitales "d", representado por Δ, es del mismo orden de magnitud que la energía de un fotón de luz visible (la diferencia de energía Δ, algunas veces se denomina energía de desdoblamiento del campo cristalino). Por consiguiente para un complejo de un metal de transición es posible absorber la luz visible, la cual excita un electrón de los orbitales "d" de energía menor, hacia los de energía superior.

La magnitud de la diferencia de energía, Δ- y en consecuencia del color de un complejo, dependen tanto del metal como de los ligantes circundantes. Los ligandos se pueden acomodar en orden a sus capacidades para aumentar la diferencia de energía, Δ. A medida que el campo ejercido por los ligandos aumenta, el desdoblamiento de los orbitales "d" también aumenta. Debido a que el espectro de absorción está relacionado con esta separación de energía, estos complejos varían de color figura (Figura 2).

La manera en que la luz interactúa con los suelos ha sido descrita por varios autores (Hunter, 1975; Judd y Wyszecki, 1975; Wyszecki y Stiles, 1982) y mencionan que en muestras de suelos granulados o pulverizados, la incidencia de un haz de luz en una pequeña fracción de la superficie del suelo es reflejada especularmente. Al penetrar el haz encuentra muchas superficies de partículas minerales y orgánicas, es aquí donde la luz experimenta la reflexión múltiple y la difracción (Hunter, 1975; Torrent y Barron, 1999).

El color de esta luz resulta de la capacidad de los diversos componentes del suelo de absorber la luz en algunas longitudes de onda que otras. El color no sólo depende de las características físicas, químicas y biológicas del suelo (Velázquez et al., 2007), o de la estrecha relación que guarde con sus principales componentes sólidos (materia orgánica, textura, composición mineralógica, morfología) (Shulze et al., 1993; Schwertmann, 1993; Jaramillo, 2002); se debe considerar la distribución espectral de la luz.

El color del suelo es una de las características morfológicas más importantes, la más obvia, fácil de determinar y relevante utilizado en la separación de horizontes (Soil Survey Division Staff, 1999), permitiendo identificar distintas clases de suelos. Basados en la importancia que tiene el color del suelo, cualquier error en su determinación acarrea conclusiones equivocadas respecto a las características que se relacionan con él.

Sistema de notación y color Munsell

Las tablas de color Munsell incluyen todos los matices del rango visible del espectro electromagnético, en suelos se utiliza sólo alrededor de la quinta parte del rango total de matices. La tabla Munsell está compuesta de hojas, representando cada una de ellas un matiz (hue) específico que aparece en la parte superior derecha de dicha página. Cada hoja presenta una serie plaquitas o "chips" diferentemente coloreados y sistemáticamente arreglados en la hoja, que representan la claridad (value) y la pureza (chroma). Las divisiones de claridad (value) se presentan en sentido vertical, incrementando su valor (haciéndose más claro) de abajo hacia arriba; las divisiones de pureza (chroma) se presentan en sentido horizontal, en la parte inferior de la hoja, incrementándose de izquierda a derecha (Figura 3).

Sistema CIELab

El espacio CIELab, (también conocido como CIELab) fue establecido por la Comision Internacionale de L'Eclairage (CIE, 1978), se definen las magnitudes colorimétricas que se derivan matemáticamente de los valores triestímulo y pueden considerarse una respuesta de los observadores patrones a un estímulo luminoso. Tratando de imitar a los observadores reales, estas respuestas se hacen depender del tipo de estímulo y del blanco de referencia. Los estímulos dependientes aparecen a los observadores reales como estímulos no autoluminosos, es el caso de cualquier superficie o material no emisor de luz. Como blanco de referencia se toma el difusor perfecto cuyos valores triestímulo son los del iluminante utilizado y se designan Xn, Yn, Zn. Las ecuaciones que describen la dinámica del color a lo largo de las tres coordenadas, para cada uno de los puntos de cromaticidad antes mencionados son (Sánchez-Marañon et al., 1995).

L*= 116 (Y/Yn)^1/3 - 6 si (Y/Yn) > 0.008856

903.3 (Y/Yn) si (Y/Yn)< 0.008856

a*= 500 [ (X/Xn)^1/3 - (Y/Yn)^1/3 ]

b*= 200 [ (Y/Yn)^1/3 - (Z/Zn)^1/3]

Donde: [Xn, Yn, Zn] corresponde con el blanco de referencia. L* se representa en un rango de valores [0,100], mientras que a* y b* en [-60, 60]. La conversión inversa se representa como: Y= [(L* + 16)/116]³Yn; X= [- aV500 + (Y/Yn)^1/3]³ Xn: y Z= [- bV200 + (Y/Yn)^1/3]³ Zn.

En el caso en que el cociente Yn/Y (factor de luminancia) sea igual o menor que 0.008856 (muestras muy oscuras), el cálculo de las coordenadas colorimétricas se realizará con las expresiones siguientes: L*= 903.292 (Y/Yn); a*= 3893.5 ((X/Xn) - (Y/Yn)); y b*= 1557.4 ((Y/Yn) - ((Z/Zn))

La coordenada L* recibe el nombre de claridad y puede tomar valores entre 0 y 100, para estímulos independientes toma siempre el valor 100 y no sirve para su especificación. Las coordenadas colorimétricas a* y b* forman un plano perpendicular a la claridad. La coordenada a define la desviación del punto acromático correspondiente a la claridad, hacia el rojo si a*> 0, hacia el verde si a*< 0. Análogamente la coordenada b define la desviación hacia el amarillo si b*> 0, hacia el azul si b*< 0, como muestra la Figura 4.

Materiales y métodos

Localización del área de estudio

El cerro de Denganthza se localiza entre 20° 17' latitud norte y 99° 07' longitud oeste, con una altitud de 2 460 msnm en el municipio de Tepatepec de Francisco I. Madero, en el estado de Hidalgo. Regionalmente el área de estudio se localiza en la provincia fisiográfica denominada: "zona de fosas tectónicas y vulcanismo reciente" o "eje neovolcánico", se caracteriza por predominar en ella derrames basálticos, numerosos volcanes y lagos o fases tectónicas. Los derrames volcánicos incluyen basalto, andesita, riolita y dacita, cuya morfología está representada por estructuras montañosas de mediana altura. El cerro de Denganthza se ubica dentro de la provincia geológica llamada "Cinturón Mexicano de Pliegues y Fallas, del Mesozoico", origen sedimentario marino y ambiente geotectónico orógeno.

Localmente la zona de interés queda comprendida en el Valle del Mezquital, sobre la ladera sur de la sierra de San Miguel de la Cal o San Miguel Acambay, sus límites orográficos son: al norte el Valle de Ixmiquilpan, al sur los lomeríos de Chicavasco y Tepeji del Río, al este la sierra de Pachuca y al oeste la sierra Xinthé. El clima con base en Köppen, modificado por García (1988) es Bs1K seco estepario con lluvia en verano, siendo la precipitación total anual de 350 mm y la temperatura media anual de 16.9 °C. El Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI) reportó que los suelos dominantes corresponden a la asociación de Litosol + Redzina, con una fase petrocálcica (INEGI, 2003). Con relación a la vegetación es escasa y está formada por matorrales xerófilos, con la dominancia de especies espinosas tales como mezquite (Prosopis sp.), lechuguilla (Agave lechuguilla sp.), garambullo (Lophocereus sp.), cardón (Pachycereus sp.) y ocotillo (Pringlei sp.) (Figura 5).

Trabajo en campo

La ubicación de los sitios de muestreo se determinó a partir de un muestreo aleatorio estratificado, mediante el análisis de fotografías aéreas pancromáticas blanco y negro a escala 1: 20 000, apoyándose con diversos recorridos por área. En total se seleccionaron 14 puntos entre 2260 y 2338 msnm en función a la coloración que presentaban los suelos (Figura 6).

Trabajo en laboratorio

Determinaciones físicas y químicas. Las determinaciones que se realizaron a cada una de las muestras de suelo fueron: Textura (hidrómetro de Bouyoucos), los valores de densidad real por el método del picnómetro (Klute, 1982), densidad aparente se determinó por el método de la probeta (Klute, 1986). La porosidad se obtuvo relacionando la densidad real y la densidad aparente del suelo. Las determinaciones químicas que se llevaron a cabo fueron: pH relación 1:2 mediante el potenciómetro con electrodo de vidrio, conductividad eléctrica en el extracto de saturación y materia orgánica por Walkley y Black (1934). El análisis de óxidos totales por Verbeck et al. (1982) se realizó en un equipo de fluorescencia de rayos X (FRX) marca Siemens modelo SRS-3000.

Determinación de color. La determinación de color se realizó en seco y húmedo mediante el Sistema de Notación Munsell, la notación define los valores para los parámetros hue (matiz), value (valor) y chroma (croma) del color del suelo y el color Munsell asigna un nombre de color a una determinada notación; de igual manera se realizó la medición de las coordenadas colorimétricas L*, a* y b* del Sistema CIELab con un colorimétrico Hunter Lav Mini Scan XE Plus. Con ayuda del programa ColorEng. Inc, Applet^©1998, se realizó la transformación de las coordenadas cromáticas (L*, a*, b*) a imágenes de color.

 

Resultados y discusión

Caracterización fisicoquímica

El comportamiento de los rasgos morfológicos y las características de los suelos estudiados, expresan una baja fertilidad al observar bajos contenidos de materia orgánica, fluctúan en un rango de 0.65 a 1.76%, propiedad que influye en los valores altos de densidad aparente, así como en la disponibilidad de otros nutrientes, que dependen o son sinérgicos con la materia orgánica como el nitrógeno y el azufre. Autores como Gibbs y Reid (1988); Leiva (1998); Ohep et al. (1998); Sa et al. (2001) mencionan que las propiedades físicas del suelo como la densidad aparente, la estructura, así como las tasas de infiltración, se ven mejoradas por la presencia de la materia orgánica; sin embargo, en la zona está característica se ve afectada por la escaza cubierta vegetal y el origen del material edáfico.

La textura de los suelos es franco-arenos a conaltos porcentajes de arena (>50%) siendo muy permeables al aire, contienen espacios porosos entre 40-60% teniendo en su estructura mayor cantidad de sólidos (material mineral) y menor volumen de poros (aire y agua), resultado que coincide con lo reportado por Bravo (2004), en donde los suelos con una alta capacidad de aire aciónles confiere una baja capacidad de almacenamiento y gran capacidad para perder agua.

Óxidos totales

Las muestras de la región de Denganthzaestán caracterizadas por el enriquecimiento de SiO₂, CaO, Al₂O₃ y Fe₂O₃, con disminución de TiO₂ y MnO. El orden y la abundancia de los óxidos es SiO₂> CaO> Al₂O₃> Fe₂O₃, que corresponden a una etapa temprana en el desarrollo de los suelos, reflejándose un bajo grado de alteración del material (Chesworth, 1979; Acevedo y Flores, 2000). Las relaciones molares del índice de meteorización SiO₂/Al₂O₃ (4.55 a 9.19) y de SiO₂/ Fe₂O₃ (10.72 a 74.73), mostraron un predominio del SiO₂ indicando un bajo grado de alteración en las 14 muestras, estos valores se consideran característicos de materiales poco alterados, donde la escasa precipitación favorece la acumulación de sílice (Kendrick y Mc Fadde, 1996).

La evolución geoquímica sufrida durante la alteración y edafogénesis pone de manifiesto el carácter abierto de los sistemas, con una pérdida significativa de los elementos más móviles, sobre todo Ca, y una clara tendencia de los materiales hacia el sistema residual (Chesworth, 1979; Ruíz, 1998; Torrado, 2007) en los suelos 1, 5, 9 y 10 a medida que avanzan estos procesos (Cuadro 1). Entre los principales componentes del sistema residual, el silicio es el elemento más móvil. La movilidad de los componentes muestra el siguiente orden: SiO₂, CaO> Al₂O₃ > Fe₂O₃ que da lugar a un fuerte enriquecimiento del material residual en productos ricos en aluminio y en menor medida el hierro. Esta alteración tiene una tendencia similar a la que experimentan las rocas básicas o metabásicas en los medios tropicales (Macías et al., 1980). Globalmente, el proceso de alteración tiene una tendencia aluminizante, la movilidad geoquímica de Fe muestra menor movilidad o igual que Al (Ruíz, 1998).

Sistema de notación y color Munsell

En el Figura 7 se muestran todos los valores de las cartas de color Munsell, obtenidos por las 14 muestras de suelo en húmedo y seco. Los suelos presentan coloraciones desde amarillo-pálido a rojizas y según lo reportado por el sistema FAO (2007), se consideran suelos rojos aquellos que presentan color en un <<hue>> entre 5YRy 10YR, para el caso de las muestras analizadas el <<hue>> se encuentra entre 2.5Y, 5Y, 2.5YR, 7.5YRy 10YR presentando coloraciones claras, que indica con frecuencia un empobrecimiento de Fe y Mn. Esta coloración que presentan los suelos, es indicativo de estados iníciales a intermedios de alteración del suelo bajo ambientes aerobios (oxidación), se relaciona con condiciones de niveles bajos a medios de materia orgánica y un rango muy variable de fertilidad, corroborando la caracterización físico-química realizada a los suelos.

Las sustancias presentes en los suelos que dan dicha coloración, se debe a minerales que en sí mismo, son poderosos agentes colorantes como son los distintos compuestos de hierro, hematita, lepidrocrocita, limonita, ferrhidrita, cuarzo y goethita; siendo la goethita tal vez la principal sustancia colorante en los suelos, cuyo color depende del grado de hidratación. La goethita no hidratada imparte en el campo a los suelos colores rojos, pero en secciones delgadas por lo común tiene un tinte pardo-rojizo. Por otra parte, la goethita hidratada por completo es de color amarillo-parduzco; estos colores que presentan los suelos nos llevan a plantear que a través de procesos pedogenéticos se ha producido la podzolización. La respuesta depende de la definición que se tome; en cualquier caso, las condiciones que presenten los suelos dependerán del tipo de material de partida, la composición mineral y las condiciones climáticas actuales o pasadas y el grado de desarrollo.

Sistema CIELab

Según Sánchez-Marañon et al. (1995); Matthias et al. (2000), notaron que durante la molienda y homogenización del suelo cambia significativamente el color de la muestra, donde el atributo más afectado es la luminosidad; en el presente estudio los valores colorimétricos de L*, definen la capacidad para reflejar la luz que varía del negro al blanco (0 a 100), el cual se encuentra en rangos de 28.44 a 71.59 en suelos húmedos y de 34.16 a 83.32 en suelos secos, presentándose la más alta luminosidad en el suelo 2 y las más baja en el suelo 6 tanto en húmedo como en seco, indicando que el suelo 2 es menos luminoso y el 6 refleja más la luz. Característica que se relaciona con la Ley de Wien, donde a mayor temperatura los objetos emiten la mayoría de su radiación en longitudes de onda más cortas por lo tanto parecerán ser más azules.

Los resultados representan el color de los suelos estudiados y se ubican en los cuadrantes +a*y +b* corresponden al color rojo y amarillo, respectivamente. Para las coordenadas de cromaticidad a* varía de 15.23 a 0.29 y para b* de 38.15 a 5.76 en húmedo; mientras que en seco para a* los valores están comprendidos entre 13.82 a 0.21 y en b* se encuentran en rangos de 32.53 a 4.15. Por los resultados obtenidos el color de los suelos en húmedo, corresponde a un color amarillo-rojizo, con mayor saturación en amarillo, presentándose en los suelos 1,6y 13, en el resto se observa una tendencia hacia las tonalidades claras; sin embargo, en los suelos secos se presenta la misma coloración amarillo-rojizo sin saturaciones con tonalidades claras en todas las muestras.

Los valores de los tres atributos del color determinados a las 14 muestras de suelos en húmedo, superaron en promedio de 7.24 y 20.01 % los valores de a* y b*, respectivamente, a los obtenidos en las muestras en seco. Estas diferencias se atribuyen al efecto de los componentes sólidos del suelo, los cuales tienen propiedades refractivas muy diferentes al aire, por lo que la luz que cae sobre un suelo seco es casi totalmente reflejada. Las propiedades refractivas del agua y de las partículas del suelo son muy parecidas, por lo que una mayor cantidad de luz penetra al suelo y menor intensidad es reflejada.

Es evidente que la mayor parte de los suelos aparecen más oscuros cuando están húmedos que cuando están secos. Esto es una consecuencia de la disminución de la reflectancia en la región visible del espectro. Evans (1948); Brooks (1952); Kojima (1958), confirmaron experimentalmente el descenso de reflectancia para un aumento de la humedad. Se atribuye el descenso a las reflexiones múltiples de la radiación en el interior de la fina película de agua que cubre las partículas, reflejándose sucesivamente en la superficie de la partícula y la superficie de la película.

 

Conclusiones

La fertilidad de los suelos se traduce en densidades aparentes altas, suelos con escasa estructura y porosidad; presentándose en la textura de los suelos contenidos de arcilla bajos asociados a contenidos de arena altos, nos presenta suelos arenosos y arcillo-arenosos que reducen sustancialmente la capacidad de almacenamiento de agua. El sistema de notación Munsell es una herramienta útil, económica y fácil de manipular para la evaluación de color del suelo en campo como en el laboratorio; sin embargo, el color puede caracterizarse en forma precisa mediante el uso de los espectrofotómetros como fue el caso de CIELab. Ambas técnicas resultaron confiables al dar la clasificación y notación de color que presentaban las muestras del área de Denganthza, para fines pedogéneticos se recomienda la caracterización físico-química y mineral de las muestras. El estudio de la geoquímica del proceso de alteración de las muestras de suelo de la región de Denganthza, permite concluir que la evolución química actual es baja, misma que se observa en las concentraciones de los elementos mayores al revelar un elevado enriquecimiento de silicio y calcio.

 

Literatura citada

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