Software Assofu to assess environmental soil functions

Ángeles Gallegos-Tavera^{1, 2}; Francisco Bautista¹*; Oscar Álvarez^{1, 2}

¹ Centro de Investigaciones en Geografía Ambiental, Universidad Nacional Autónoma de México, Antigua Carretera a Pátzcuaro núm. 8701, col. Ex-Hacienda de San José de La Huerta. C. P. 58190. Morelia, Michoacán, MÉXICO. Correo-e: leptosol@ciga.unam.mx Tel.: 52 (443) 3223869 (*Autor para correspondencia).

² Instituto Tecnológico Superior de Tacámbaro. Av. Tecnológico núm. 201, zona El Gigante. C. P. 61650. Tacámbaro, Michoacán.

RESUMEN

El análisis interpretativo de las funciones del suelo es fundamental para su buen uso y manejo. La evaluación de las funciones ha transitado de la parte teórica a la práctica con los esquemas de los modelos de evaluación TUSEC (Técnicas para la evaluación de los suelos y categorización para suelos naturales y antropogénicos). Por otro lado, los modelos interpretativos de suelos orientados a la agricultura y con objetivos ambientales, como los del sistema informático MicroLEIS DSS (Sistema de apoyo a la decisión sobre evaluación de tierras para la protección de suelos agrícolas), han sido los más utilizados en el mundo. Sin embargo, pocos modelos sobre las funciones del suelo han sido incluidos en un software, por lo que la operación manual de éstos puede conducir a errores e imprecisiones. El objetivo de este trabajo fue la elaboración de un software que incluyera las ventajas del sistema MicroLEIS y del modelo TUSEC, considerando un uso más amigable para el usuario. El software Assessment Soil Functions (Assofu) almacena las propiedades de perfiles de suelo como datos de entrada y, con base en esta información, sistematiza la aplicación de evaluaciones de funciones de los suelos.

Palabras clave: Análisis interpretativo de suelos, evaluación edafo-ecológica, perfil del suelo, base de datos.

ABSTRACT

The interpretive analysis of soil functions is essential for its proper use and handling. The evaluation of these soil functions evolved from the theoretical to the practical with the outlines of the method "Technique for soil evaluation and categorization for natural and anthropogenic soils". On other hand, the soil interpretive models oriented to agriculture and environmental objectives, such as MicroLEIS DSS (Land evaluation decision support system for agricultural soil protection) have been the most used in the world, however, few models of soil functions are included in software so its manual handling can lead to errors and inaccuracies. The aim of this work was the development of a software system includes the advantages and benefits of MicroLEIS DSS and TUSEC models considering a more user-friendly. Assofu software stored as input the properties of soil profiles, and based on this information systematized assessments applying soil functions.

Keywords: Interpretative analysis of soils, soil-ecological assessment, soil profile, database.

INTRODUCCIÓN

El concepto de las funciones del suelo tiene sus inicios en el trabajo de Schlichting (1972) en el que se mencionan las funciones ecológicas y la multifuncionalidad del suelo. En 1977, Niemann identifica las funciones de producción forestal, las meteorológicas, hidrológicas, éticas, higiénicas, estéticas y de infraestructura. Después aparecen las funciones de seguridad alimentaria y amortiguadora de contaminantes (Brümmer, 1978; Larson & Pierce, 1994), la función del suelo como reactor ambiental (Bautista, Luna, & Durán, 1995; Blum & Santelises, 1994; Soil Science Society of America [SSSA], 1995; Richter, 1987) y como reserva genética por la biota que contiene (Blum & Santelises, 1994). Posteriormente se reportó que, en los ambientes urbanos, el suelo puede funcionar en la protección contra daños por tormentas, descomposición microbiana de contaminantes orgánicos, inmovilización de contaminantes inorgánicos, producción de recursos renovables como el aire y el agua, inmovilización del polvo, secuestro de carbono, soporte de vegetación exótica, lugar de esparcimiento y como archivo geológico e histórico (Bundesministerium der Justiz, 1998; Lehmann, 2006).

La evaluación de las funciones del suelo pasó de la parte teórica a la práctica con los esquemas de evaluación de los modelos denominados TUSEC (Técnicas para la evaluación de los suelos y categorización para suelos naturales y antropogénicos) (Lehmann, David, & Stahr, 2008). Estas técnicas de evaluación son una recopilación de la experiencia de un gran número de investigadores alemanes y han sido aplicadas con éxito en diversos estudios (Bedolla-Ochoa, Gallegos, Barajas, & Bautista, 2013; Lehmann & Stahr, 2010). A diferencia de otros esquemas interpretativos de suelo, como por ejemplo la clasificación de capacidad de uso (Klingebiel & Montgomery, 1961), TUSEC tiene en cuenta las propiedades del perfil del suelo y no únicamente las propiedades aisladas o de un solo horizonte.

Por otro lado, las técnicas interpretativas de suelos orientados a la agricultura y con objetivos ambientales han sido las más utilizadas en el mundo (Klingebiel & Montgomery, 1961; Food and Agriculture Organization of the United Nations [FAO], 1973, 1978; Sánchez, Couto, & Buol, 1982; United States Department of Agriculture [USDA], 1983; Ortiz-Solorio & Gutiérrez-Castorena, 2005); sin embargo, solo algunas están contempladas en un software especializado, por lo que se tienen las siguientes desventajas: a) introducción de errores en la captura de la información base (relieve, suelos, clima), b) pérdida potencial de los datos, c) mayor inversión de tiempo en consulta, d) errores en la aplicación de las técnicas de evaluación y e) manejo deficiente de la información emanada de la evaluación. El sistema de apoyo a la decisión sobre evaluación de tierras para la protección de suelos agrícolas MicroLEIS DSS es un modelo interpretativo que surgió en la década de los años 90. En el 2004, el sistema se modernizó constituyéndose en un conjunto amplio de herramientas informáticas de utilidad para la toma de decisiones en los ámbitos agrícola, ambiental y ecológico (De la Rosa, Mayol, Díaz-Pereira, Fernández, & De la Rosa, 2004; De la Rosa, 2008; De la Rosa, Anaya-Romero, Díaz-Pereira, Heredia, & Shahbazi, 2009; Díaz-Pereira, Anaya-Romero, & De la Rosa, 2011).

El análisis interpretativo de las funciones del suelo es fundamental para su buen uso y manejo; sin embargo, es necesario utilizar los sistemas informáticos para un manejo adecuado de la información edafológica tendiente a evaluar las funciones de los suelos de forma ágil y eficiente. El sistema MicroLEIS DSS incluye gran cantidad y variedad de modelos para la evaluación de tierras; sin embargo, no utiliza la información del perfil de suelo de manera integral y no cuenta con los métodos de evaluación de las funciones de los suelos. Por otra parte, los modelos de evaluación de las funciones del suelo TUSEC (Lehmann et al., 2008) incluyen el perfil de suelo completo en los métodos de evaluación de las funciones del suelo, pero tienen la desventaja de que no incorporan una base de datos de perfiles de suelos y el software no se encuentra disponible para todo público. En la última década, el discurso sobre la evaluación de los suelos se dirige hacia la restauración de los suelos degradados, al uso sustentable de las tierras y a la evaluación de las funciones de los suelos (Bouma, 2009); algunas de las cuales no habían sido contempladas en los modelos de evaluación preexistentes. En tal contexto, el objetivo de este trabajo fue la elaboración del software Assofu (Assessment Soil Functions) para la evaluación de las funciones de los suelos, que incluye las ventajas del sistema MicroLEIS (base de datos con las propiedades de los perfiles de los suelos, incluyendo fotografías del perfil y del sitio) y del modelo TUSEC (técnicas de evaluación de las funciones de los suelos), considerando un uso más amigable para el usuario.

MATERIALES Y MÉTODOS

Desarrollo del software

El software Assofu se diseñó y desarrolló con base en la norma mexicana de tecnologías de información y procesos de vida del software NMX-I-O45-NYCE-2005 (Normalización y Certificación Electrónica [NYCE], 2005) de la cual se tomaron las siguientes etapas:

I. Instrumentación del proceso. El modelo de ciclo de vida 4+1 vistas, se utilizó para describir las funciones del software, la arquitectura del desarrollo y los módulos de procesos. El programa Visual Basic 2008 Express (Microsoft, 2008a) se seleccionó como entorno de desarrollo integrado y SQL Server 2008 Express (Microsoft, 2008b), como sistema de gestión de base de datos.

II. Análisis de los requisitos. Los requerimientos de usuario, requerimientos funcionales y no funcionales, fueron descritos y evaluados.

III. Diseño de la arquitectura. En esta etapa se definió la estructura de la base de datos y de la interfaz del software.

IV. Codificación y pruebas. La programación y los procesos de prueba se ejecutaron para comprobar los módulos de funcionamiento del software.

Modelos de evaluación

La primera evaluación es la denominada edafo-ecológica (Lehmann et al., 2008; Siebe, Janh, & Stahr, 1996). En ésta se calcula la capacidad de retención de humedad que representa el almacenaje de agua logrado después de la lluvia cuando el agua gravitacional abandona el suelo; durante este periodo se producen pérdidas por evaporación, absorción de las plantas, etc. Para calcular la capacidad de retención de humedad se utilizan las siguientes fórmulas:

Donde:

]]> dcc = Capacidad de retención de agua por horizonte (litro·m^-2)

dcc vol. = Volumen de la capacidad de retención de agua (%)

Piedras vol. = Volumen de piedras del horizonte (%)

Espesor = Espesor del horizonte (dm)

La cantidad de humus se calcula con la siguiente fórmula:

Donde:

CH = Cantidad de humus (kg·m^-2)

mo = Contenido de materia orgánica (%)

]]> da = Densidad aparente (kg·dm^-³)

piedras = Volumen de piedras del horizonte (%)

espesor = Espesor del horizonte (dm)

La reserva de nitrógeno total se calcula con la siguiente fórmula:

Donde:

RNT = Reserva de nitrógeno total (kg·m^-2)

humus = Cantidad de humus en 1 m²; de suelo dentro del espacio radicular (kg·m^-2)

Tipo de humus = Acorde con la constante definida por el tipo de humus del horizonte: mull (0.050), moder (0.025) y mor o rohhumus (0.015).

Donde:

Nd = Disponibilidad de nitrógeno (kg·m^-2)

humus = Cantidad de humus en 1 m² de suelo dentro del espacio radicular (kg·m^-2)

Tipo de humus = Constante definida según el tipo de humus del horizonte: mull (0.25) moder (0.08) y mor o rohhumus (0.03).

El abastecimiento de fósforo (AF) se mide o se puede estimar de la siguiente manera:

Donde:

AF = Abastecimiento de fósforo (g·m^-2)

humus = Cantidad de humus en 1m² de suelo dentro del espacio radicular (kg·m^-2)

Tipo de humus = Constante definida según el tipo de humus del horizonte: mull (10.0) moder (1.5) y mor o rohhumus (0.8).

Los modelos de evaluación de las funciones del suelo implementados en Assofu son: a) hábitat para la vida humana, b) hábitat de la flora y la fauna, c) componente del ciclo del agua, d) transformación del medio, e) ciclo de nutrimentos, f) archivo natural, g) producción de alimentos y biomasa, h) filtro y regulador de metales (Lehmann et al., 2008), i) almacenaje de carbono orgánico (Penman et al., 2003; Pérez-Ramírez, Ramírez, Jaramillo, & Bautista, 2013) y j) suelo como reactor (retención y mineralización) de aguas residuales (Aguilar, Bautista, & Díaz-Pereira, 2011). El resultado de las evaluaciones se clasifica utilizando tablas de referencia donde: clase 1 = nivel muy alto, clase 2 = nivel alto, clase 3 = nivel medio, clase 4 = nivel bajo y clase 5 = nivel muy bajo.

Para describir el funcionamiento del software se incluyó un estudio de caso con los datos del perfil del sitio denominado 'El Cobano', ubicado en el municipio de la Huacana, Michoacán. El perfil se describió de acuerdo con Siebe et al. (1996) y lo indicado por la FAO (2009).

Evaluación de las funciones de los suelos con base en perfiles

Evaluación del suelo como medio de filtración e infiltración. En esta evaluación se estiman las siguientes propiedades:

La conductividad hidráulica por horizonte que puede ser medida o en su defecto estimada con el Cuadro 1. Otra propiedad es la precipitación crítica relevante que se estima de la siguiente manera:

R1vCritRain = CritRain * 1/HCritRain

Donde:

R1vCritRain = Precipitación crítica relevante (mm)

CritRain = Cantidad de precipitación crítica (mm) de acuerdo con la literatura pertinente

HCritRain = Precipitación crítica (mm) con base en el tiempo de horas decimales.

La capacidad de aireación total se calcula con la siguiente ecuación:

Donde:

ACT: Capacidad de aireación total (litro·m^-2)

TH_i = Espesor del horizonte i (dm)

CR_i = Volumen de fragmentos gruesos del horizonte i (%)

AC_i = Capacidad de aireación disponible del horizonte i (litro·m^-2)

Evaluación del suelo como filtro y regulador de metales pesados. En esta evaluación se determina el nivel de arcilla y el humus del perfil completo, utilizando el espesor del horizonte, volumen de fragmentos gruesos, pH y los niveles de arcilla y humus por horizonte del perfil (Lehmann et al., 2008).

El factor arcilla por horizonte (CLY) se calcula con la siguiente ecuación:

CLY = (Arcilla/100)+AGG

Donde:

]]> Arcilla = Arcilla por horizonte (%)

AGG = Agregación de la estructura de acuerdo con el tipo de estructura: angular en bloques (0.5); laminar, prismática o columnar (0.25) y otras (1).

El factor arcilla total (CLYt) para el perfil del suelo se calcula de la siguiente forma:

Donde:

TH_i = Espesor del horizonte i (dm)

CR_i = Volumen de fragmentos gruesos del horizonte i (%)

CLY_i = Valor de arcilla calculado del horizonte i (litro·m^-2)

pH_i = Factor pH del horizonte i de acuerdo con lo siguiente: < 4.0 = 0.1; 4.0 a 4.9 = 0.3; 5.0 a 5.5 = 0.5; 5.6 a 6.4 = 0.8; ≥ 6.5 = 1.

El factor humus (FH) se calcula con el valor del humus del horizonte:

FH = Humus /100

El cálculo del factor humus total (FHt) para el perfil completo se calcula así:

Donde:

TH_i = Espesor del horizonte i (dm)

CR_i = Volumen de fragmentos gruesos del horizonte i (%)

HU_i = Contenido de humus del horizonte i (%)

]]> pH_i = Factor pH del horizonte i de acuerdo con lo siguiente: < 4.0 = 0.1; 4.0 a 4.9 = 0.3; 5.0 a 5.5 = 0.5; 5.6 a 6.4 = 0.8; ≥ 6.5 = 1.

Al valor del FHt se le asigna una evaluación intermedia de acuerdo con los siguientes valores: < 0.5 = 5; 0.5 a 1.0 = 4; 1.1 a 2.0 = 3; 2.1 a 3.0 = 2; > 3 = 1.

La evaluación final se deduce de la siguiente forma: Si la clasificación del valor de CLYt es menor que la clasificación intermedia del FHt, entonces el resultado es el valor de CLYt. Si la clasificación intermedia del FHt es menor que la clasificación intermedia del CLYt, entonces el resultado es el valor de FHt.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Assofu es un software de utilidad para instrumentar modelos de evaluación de las funciones de los suelos, brindando un ahorro considerable de tiempo al implementar las evaluaciones sistemáticamente.

Captura y almacenamiento de información

Los datos de entrada para el software Assofu son: a) información del sitio, b) propiedades de los horizontes del perfil y c) propiedades para la evaluación edafo-ecológica. Esta información es necesaria para la aplicación de las evaluaciones. En la Figura 1 se muestra la información del perfil 'El Cobano' que fue capturada utilizando datos medidos e introducidos directamente en las cajas de texto (identificadas con fondo negro) y datos estimados en los que el usuario utilizó formularios de referencias para la estimación de propiedades (identificados con fondo azul).

Evaluación edafo-ecológica

Esta parte del proceso consiste en realizar estimaciones y evaluaciones a nivel de perfil con base en los datos de los horizontes, provenientes de mediciones de campo o de laboratorio (Siebe et al., 1996). El software clasifica los valores en un nivel que va de bajo a alto; la escala de clasificación depende de la propiedad a evaluar. Para completar esta evaluación, el software realiza la sumatoria de las propiedades por horizonte y las clasifica una vez más. La evaluación edafo-ecológica del perfil de suelo de la localidad "El Cobano" con sus tres horizontes se presenta en la Figura 2. Una vez capturada la información del perfil, se almacena y puede ser consultada (Figura 3), modificada o exportada a Microsoft Excel, según convenga.

La información de entrada para la evaluación de las funciones del suelo, en el software Assofu, es extraída de la base de datos de perfiles de suelo de manera automatizada, con lo cual disminuye la posibilidad de introducir errores durante la ejecución. A continuación se presentan dos evaluaciones para el perfil de suelo de la localidad El Cobano.

En la Figura 4 se muestra la evaluación del suelo como medio de filtración e infiltración. En esta evaluación, los horizontes del perfil se ordenan con base en el valor de conductividad hidráulica más bajo, para este caso el horizonte C. El valor de la capacidad del suelo para la infiltración con lluvias fuertes hace referencia a la sumatoria de la capacidad de aireación de los horizontes con mayor importancia para la infiltración. La clasificación resultante se calculó considerando el nivel de la infiltración con fuertes lluvias y el nivel de precipitación crítica del perfil de acuerdo con la localidad.

La Figura 5 muestra la evaluación del suelo como filtro y regulador de metales pesados. El factor pH y el factor de agregación fueron estimados en clase 1 (muy alto) con base en tablas. Dichas estimaciones son utilizadas para calcular el valor de arcilla y de humus para el perfil completo del suelo considerando también el espesor del horizonte y el volumen de fragmentos gruesos. La clase del resultado final se obtiene a partir de tablas con escalas del valor de las propiedades estimadas. Tanto la arcilla como el humus corresponden a la clase 5, por lo que sus valores para este perfil de suelo son muy bajos.

La clasificación resultante de las evaluaciones del método TUSEC (Lehmann et al., 2008) facilita la interpretación, permitiendo que el usuario establezca fácilmente el resultado de la evaluación (Figura 6). Para proveer un alto nivel de confiabilidad en su ejecución y en los resultados, el software incluye las siguientes funciones:

]]> i) Control de caracteres. Los tipos de datos permitidos en la captura de la información dependen de la propiedad del perfil a insertar. La información es controlada a partir de condiciones que validan cada carácter tecleado por el usuario mediante el evento de recepción de caracteres de los formularios.

(ii) Inclusión de algoritmos para las evaluaciones. Los resultados en cada procedimiento de evaluación son confiables gracias a su sistematización. Los datos de entrada para cada evaluación se toman a partir de la información almacenada en la base de datos.

iii) Control de la base de datos. Los tipos de datos almacenados son validados durante su captura permitiendo la coherencia en la información. La integridad en la base de datos se controla mediante la implementación de transacciones al realizar modificaciones y eliminación en los datos con el lenguaje SQL.

Assofu es un software para la evaluación de funciones del suelo que puede ser útil en la evaluación de tierras. Sin embargo, y con el fin de mejorarlo, es necesaria la incorporación de otros modelos interpretativos de suelos como los del sistema MicroLEIS DSS (De la Rosa et al., 2004), los modelos del sistema de apoyo a la toma de decisiones para el manejo de nutrimentos (Osmond et al., 2002) y los modelos de evaluación ambientales, utilizando al suelo como reactor (Aguilar et al., 2011).

La mayoría de las técnicas de evaluación utilizadas en Assofu son una recopilación de la escuela alemana (Schlichting, 1972; Niemann, 1977; Brümmer, 1978; Bundesministerium der Justiz, 1998; Lehmann, 2006; Lehmann et al., 2008; Lehmann & Stahr, 2010). Dichas técnicas han sido aplicadas con éxito en México (Siebe et al., 1996) y otras partes del mundo; sin embargo, se requiere la evaluación en suelos como los Andosoles y Leptosoles.

CONCLUSIONES

El software Assofu funciona como una base de datos pero además permite y facilita la evaluación de las funciones ambientales de los suelos, siendo un software versátil y de fácil manejo. El estudio de caso revela que el Leptosol estudiado presentó clases bajas (valores altos) en las funciones evaluadas, con excepción de la capacidad de filtración e infiltración.

AGRADECIMIENTOS

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