Compactación de un Vertisol debido al tránsito y diferentes masas de tractores agrícolas*

Compaction of a Vertisol due to transit and different weight of tractors

Francisco Gutiérrez Rodríguez^1§, Víctor Manuel Vaca García², Edgar Jesús Morales Rosales¹, Andrés González Huerta¹, Delfina de Jesús Pérez López¹ y Pedro Saldívar Iglesias¹

¹ Centro de Investigación y Estudios Avanzados en Fitomejoramiento. Facultad de Ciencias Agrícolas-Universidad Autónoma del Estado de México. Centro Universitario "El Cerrillo", El Cerrillo Piedras Blancas, Toluca, Estado de México. C. P. 50200. Tel: 722 296 5529. (ejmoralesr@uaemex.mx; agonzalezh@uaemex.mx; djperezl@uaemex.mx; psaldivari@yahoo.com.mx). ^§Autor para correspondencia: fgrfca@hotmail.com.

* Recibido: octubre de 2014
Aceptado: febrero de 2015

Resumen

La compactación del suelo es una de las áreas más importantes de la investigación para la protección del ambiente a nivel mundial. Los problemas de compactación del suelo se presentan con mucha frecuencia en áreas donde se tiene una mecanización agrícola extensiva e intensiva. Al respecto, esta investigación tiene como objetivo determinar el grado de compactación producido por el tránsito de tractores con diferentes sistemas de rodaje, masas e inflado de sus neumáticos, en un Vertisol. Para tal efecto se probaron tres tipos de tránsito rodado (3, 5 y 10 pasadas de tractores con diferentes masas). La presión media específica de uno de los tractores originó un aumento en el grado de compactación del suelo pero, a partir de las 5 pasadas de tránsito, el impacto fue mínimo. El tractor con fórmula 4 x 4 en su sistema de rodaje, fue el que menos alteró el grado de compactación en la capa superficial del suelo. Existe una relación lineal entre la presión media específica de los tractores y el aumento del grado de compactación del suelo en la mayoría de las variantes ensayadas.

Palabras clave: humedad del suelo, índice de cono, multiarado.

Abstract

Keywords: cone index, multiplow, soil moisture.

Introducción

Las recientes tendencias en la mecanización agrícola han conducido al desarrollo de cosechadoras de cereales con masas mayores a 16 Mg de carga en el eje frontal y tractores con pesos en el orden de 200 kN; estas tendencias se presentan en función de buscar conjuntos agrícolas más económicos en sus prestaciones al reducir costos operativos y permitir aumentar la superficie cultivada (Oskoui y Voorhees, 1985; Jorajuría et al., 1997). Como consecuencia de una mayor intensidad de tránsito rodado con esas cargas sobre los ejes, se intensifica la compactación en suelos de cultivo y, por lo tanto, el poco crecimiento del sistema radical de las plantas, además de bajos rendimientos y calidad del agroecosistema (Jung et al., 2010). Adebiyi et al. (1991), plantean que la compactación puede definirse como la compresión de una masa de suelo hasta lograr un volumen menor, originando, en consecuencia, un incremento en la densidad como resultado de las presiones externas aplicadas. En este sentido, la compactación también puede definirse como el resultado de tensiones generadas por la masa y peso de los vehículos que transitan sobre el suelo, las vibraciones originadas en el motor y el producto del resbalamiento activo de las ruedas motrices sobre el suelo de cultivo. Taylor y Gill (1984), sostienen que la principal fuente de compactación es el tránsito vehicular, que puede originar una disminución en el espacio poroso, así como menor capacidad para retener agua y mayor impedancia para el desarrollo radical (Jorajuría y Draghi, 2000).

Smith y Dickson (1990), indicaron que la compactación de las capas superficiales del suelo está influenciada principalmente, por la presión superficial en la zona de contacto de las ruedas motrices con el suelo, mientras que la compactación subsuperficial, está directamente determinada por el peso de la maquinaria. La compactación superficial está referida a la capa arable u horizonte A, donde se realizan en cada ciclo de cultivo los distintos aflojamientos y preparación de la cama de siembra y a la que se adicionan otras operaciones de cultivo. Este tipo de compactación ocurre con el empleo de conjuntos máquina-tractor de bajo peso y presión sobre suelos en condiciones de alta humedad o sobre suelos con mayor susceptibilidad a la compactación (Botta et al., 1997, 2006; Håkansson y Reeder, 1994). En contraste, la compactación subsuperficial es la que se transmite hasta el subsuelo, a profundidades de 40 cm o más, pudiéndose incrementar, entre otros factores no deseables y que pudieran llegar a ser permanentes: por el efecto del peso, la potencia, la masa, las vibraciones, el elevado valor en la presión del aire en los neumáticos y el resbalamiento.

Según Botta et al. (2002), el tránsito vehicular es el principal responsable de la compactación inducida en suelos bajo siembra directa en producción, siendo la textura y el contenido de humedad los aspectos más relevantes con relación a la reducción del espacio poroso. En ese sentido, dicha investigación estableció que en suelos arcillosos son mayores los riesgos de compactar el subsuelo a niveles que limiten la producción agrícola, así como mayor será también la persistencia del daño realizado. El número de veces que el suelo es transitado, también es un factor determinante de la compactación inducida; la densidad aparente, la profundidad y la superficie de suelo compactado, aumentan progresivamente con el número de pasadas de maquinaria agrícola (Jorajuría et al., 1997; Botta et al., 2004). Alakuku (1996), determinó que la compactación inducida por el tránsito vehicular persiste de 3 a 11 años en suelos con porcentajes de arcilla de 6 y 85%, aún con periodos de congelamiento del suelo en profundidad cuando el mismo fue transitado con altas cargas sobre el eje. Draghi et al. (2001), determinaron que las intensidades de tránsito rodado utilizadas en el manejo tradicional de monte de frutales en una región de Argentina, induce valores de resistencia a la penetración o índice de cono superiores a 2.2 MPa; este grado de compactación se considera limitante del crecimiento radical (Threadgill, 1982).

Generalmente, los trabajos que estudian los efectos que produce el tránsito rodado sobre los suelos de cultivo se realizan de forma simulada, por lo que la presente investigación se planteó como objetivo, la evaluación in situ de los valores del índice de cono y el grado de compactación sobre la huella de las ruedas, en función del número de pasadas de tránsito rodado, en un suelo Vertisol previamente labrado con multiarado en la región del Valle de Toluca.

Materiales y métodos

El estudio fue realizado durante el periodo enero- febrero de 2011, en un área de 0.25 ha del campo experimental de la Facultad de Ciencias Agrícolas de la Universidad Autónoma del Estado de México, en Toluca, Estado de México, México (19° 24' 43'' latitud norte, 99° 41' 40''latitud oeste 2 609 msnm). El clima de la localidad se clasifica como templado sub-húmedo con lluvias en verano, con un rango anual de precipitación de 800 a 1 500 mm y de temperatura de 4 a 14 °C (INEGI, 2009). El suelo del sitio experimental corresponde a un Vertisol, suborden Uderts, gran grupo Pelluderts y subgrupo Entic Pelluderts (de acuerdo con el "USDA Soil Taxonomy System"), perteneciente a la clase textural migajón arcilloso. El área de estudio fue objeto de nivelación espacial con rayo láser y utilizada para la siembra de trigo (Triticum aestivum L.) y maíz (Zea mays L.). El lote experimental fue objeto de subsoleo con multiarado (modelo M-250) a una profundidad aproximada de 45 cm, previo a los ensayos de tránsito y resistencia a la penetración.

Diseño experimental

El diseño experimental consistió en un arreglo de bloques completos al azar con tres repeticiones, con parcelas subdivididas. El tránsito rodado fue desarrollado por dos tipos de tractores con las siguientes características técnicas: TM (tractor universal mediano, John Deere^® 5715, fórmula 4 x 4), con tracción delantera asistida y cubiertas delanteras 10.0-16.0" y traseras 13.6-38.0" y; TL (tractor universal ligero, John Deere^® 2755, fórmula 4 x 2) y cubiertas 15.5-38.0" y 7.5-16.0". Las variantes utilizadas en los tractores fueron: a) aire completo en los neumáticos traseros y delanteros con contrapesos (ACC); b) aire incompleto en los neumáticos traseros y delanteros (50%) con contrapesos (AIC); c) aire completo sin contrapesos (ACS) y; d) aire incompleto (50%) sin contrapesos (AIS). Las intensidades de tránsito consistieron en 3, 5 y 10 pasadas del sistema de rodaje por el mismo sitio en cada una de las variantes descritas con anterioridad, con un régimen de velocidad de desplazamiento de aproximadamente 4 km h^-1.

Presión media específica del sistema de rodaje

Para la determinación de la presión media específica sobre el suelo del sistema de rodaje de los tractores, se calculó el área de contacto de las ruedas delanteras y traseras para todas las variantes estudiadas, conforme a la metodología propuesta por Liljedahl et al. (1984) (Figura 1).

El área de contacto de cada neumático con el suelo es aproximadamente de forma elíptica y se calcula por medio de la ecuación 1:

A fin de conocer la masa por unidad de área que descansa sobre el suelo a medida que pasa el tractor por el campo de cultivo, se utilizó la ecuación 2:

Donde: P_trac= presión media específica del tractor sobre el suelo durante el tránsito rodado; W= masa del tractor con contrapesos y líquido en los neumáticos; At= superficie total de apoyo sobre el suelo de cultivo, de las ruedas delanteras y traseras calculada con ayuda de la ecuación 1.

En el Cuadro 1 se muestra la masa de los neumáticos y de los contrapesos metálicos, así como la masa del tractor, en dependencia de las diferentes condiciones en que se encuentran con o sin lastres, así como otros elementos de interés concernientes a los tractores utilizados en el experimento.

Resistencia a la penetración y grado de compactación

Para evaluar la compactación, se utilizó como medida alterna la resistencia a la penetración, obtenida mediante el empleo de un penetrómetro portátil (Field Scout SC 900 Soil Compaction Meter, Spectrum^® Technologies, Inc; Aurora IL, USA), para determinar el índice de cono (IC), registrando el promedio de la presión aplicada en MPa, de 5 a 15 15 a 30 y 30 a 45 cm de profundidad. Para tal efecto, se tomaron cinco lecturas del penetrómetro en la huella del tractor de cada parcela para cada nivel de profundidad, inmediatamente después del tránsito de los tractores. La determinación del IC, fue acompañada de la determinación de la humedad promedio del suelo (Ho, % gravimétrica), según NOM-021-SEMARNAT-2000, (2002). Previo a la operación de subsoleo, se determinó el IC testigo de manera aleatoria en la parcela experimental con un mínimo de 10 repeticiones.

El grado de compactación (Cs), que mide el incremento o disminución de la compactación de un suelo después de realizar una operación tecnológica dada (aradura, cultivo, transporte, etc.), fue determinado mediante la ecuación (3) y sometido a pruebas de múltiples rangos para porcentaje por tipo de lastre.

Resultados y discusión

Presión media específica del sistema de rodaje

El área de las huellas de las ruedas del sistema de rodaje del TL resultó mayor que las del TM para cada variante. Esto puede explicarse por las características de las ruedas traseras del TL, que presentaron un mayor desgaste de la banda de rodamiento que las del TM; sin embargo, el TM presenta una mayor área de contacto total cuando se suman las áreas de las cuatro ruedas, ya que las dimensiones de los neumáticos delanteros del TM tienen una medida mayor (Cuadro 2). Como se puede observar en el cálculo, en la única variante que el TL tiene mayor área de contacto total es en la de AIS, puesto que en todas las demás su área total, está por debajo.

En la Figura 2 se aprecia que el TL ejerce una presión sobre el suelo de mayor magnitud, ya que su masa es mayor; también se observa que en todas las variantes, el TM al comenzar con ACC, desciende la presión media específica hasta AIS, en contraparte, el TL, siempre que tiene en sus neumáticos ACC o ACS, sus valores de presión media específica son mayores que las demás variantes, esto debido a que las ruedas traseras presentaron un desgaste de aproximadamente 25%, resultando en una mayor superficie de contacto rueda-suelo.

Resistencia a la penetración y grado de compactación

Para el estrato de 15 a 30 cm de profundidad, se mostró una condición diferente para el TL en las diferentes pasadas, ya que fue inferior el grado de compactación y solo en la variante donde se realizaron diez pasadas prácticamente se mantuvo inalterado el grado de compactación (Cuadro 3). En ese mismo estrato, el grado de compactación para el TM fue menor, con la excepción de la variante con tres pasadas, en la que se mostró un aumento ostensible del grado de compactación por encima del testigo; esto puede explicarse por un piso de aradura que por años se ha mantenido inalterado por los diferentes manejos de labranza, y que haya posibilitado el mantener el IC los valores similares, aún con mayor Ho (2%) y menor IC (26%). En el estrato de 30 a 45 cm de profundidad la humedad fue mayor y con ello en cada uno de los tractores disminuyó el grado de compactación; dado que en el TM en su sistema de rodaje se tiene una mayor superficie de contacto y una menor presión media específica, se espera que muestre un grado de compactación nulo, es decir, un IC aritméticamente igual. En el estrato de 5 a 15 cm de profundidad, con excepción del TM, el IC excedió los 4 MPa, lo que según Draghi et al. (2001), sería limitante para el crecimiento del sistema radical de las plantas.

En el Cuadro 4, se analiza el aumento del grado de compactación con respecto a las mediciones iniciales tomadas como testigo para cada una de las variantes, en las que se tiene en cuenta el aire en los neumáticos y contrapesos en los tractores. Los valores invertidos de compactación a nivel subsuperficial en la variante de ACC, en comparación con los del estrato de 5 a 15 cm, pueden atribuirse a un suelo más consolidado y también a un piso de aradura existente en la zona; ambos factores pudieran determinar un incremento en el IC muy por encima de lo esperado e incrementar de forma ostensible el grado de compactación, ya que en el estrato subsuperficial, a pesar de tener el TM un área de contacto rueda-suelo mayor y una presión media específica menor, tuvo un comportamiento diferente. Cuando se condujo el ensayo en AIC, el TL mostró un mayor grado de compactación en los tres estratos de profundidad medidos, esto debido a una menor superficie de contacto de los neumáticos y, por tanto una mayor presión media específica, que originó que en la senda de tránsito rodado se presentara una mayor compactación. El área de contacto del TM, en esta variante de tránsito rodado fue de 14.3 % por encima del TL.

En las pruebas de ACS, el TL presentó en los dos primeros estratos un mayor grado de compactación que el TM, esto puede atribuirse a que el TM presentó una mayor área de contacto de los neumáticos (16.3%) que el TL. Conviene señalar que como resultado de las características del Vertisol de estudio, en el estrato de 30 a 45 cm, el TM mostró una mayor compactación (grado de compactación mayor en 12.67%) que el TL, éste último no mostró alteración del grado de compactación con respecto a lo medido en el testigo.

Para la variante AIS, el área de contacto rueda-suelo del TL fue de mayor superficie que el TM (aproximadamente 3%), pero al tener una mayor masa, su presión media específica resultó ser mayor, por lo que al realizar tránsito por el lote experimental reflejó mayor compactación superficial que lo obtenido por el testigo (26% mayor en el estrato de 5 a 15 cm). En este caso, el TM no modificó el grado de compactación, posiblemente por la distribución de su masa sobre la superficie en las cuatro ruedas, que origina que la presión ejercida en las capas superficiales sean menor, esto concuerda con los reportes de Botta et al. (2006). sin el estrato de 15 a 30 cm de profundidad y el continuo tránsito rodado de los tractores de ambas características hace que haya alteraciones en la capa subsuperficial del suelo transitado y en este caso el tractor 4x4 mostró un mayor grado de compactación que el TL, aunque no muy diferente en cuanto a magnitud, ya que en estas condiciones tiene un papel preponderante la densificación del suelo, el piso de aradura y otros factores físicos del suelo, coincidiendo con lo descrito por Gameda et al. (1987).

En relación con el estrato de profundidad de 30 a 45 cm, los valores determinados en ambos tractores tuvieron un comportamiento idéntico al testigo, lo cual puede explicarse a partir del estado previo del suelo pasaje de los tractores, dado que los valores medidos para este nivel de profundidad, fueron de 1.88 MPa y, en zonas transitadas para los niveles superficiales, fueron de 4.18 MPa y para el siguiente estrato de 3.08 MPa, lo que implicaría reducciones en el desarrollo radical de los cultivos según lo planteado por Threadgill (1982).

Conclusiones

No obstante a la densificación de algunos estratos, no cabe la menor duda que el TL en su sistema de rodaje es el responsable de la mayor compactación en todas las variantes ensayadas.

El TM en su sistema de rodaje es el que menos impacto tiene en el grado de compactación del suelo.

El TM en su sistema de rodaje, cuando hay tránsito rodado de 3 y 5 pasadas es el que menor grado de compactación de suelo produce en las capas superficiales y subsuperficiales.

Las variantes donde se realizaron ensayos con AIC y AIS, fueron las que menos impacto tuvieron en el aumento del grado de compactación del suelo.

Existe una relación lineal entre la presión media específica de los tractores y el aumento del grado de compactación del suelo, en la mayoría de las variantes ensayadas.

Agradecimientos

Esta investigación fue desarrollada bajo los auspicios de los proyectos 2959/2010SF y 3091/2012 de la Universidad Autónoma del Estado de México (UAEM).

Adebiyi, A.; Koike, T.; Yusawa, S. and Kuroishi, I. 1991. Compaction characteristics for the towed and driven conditions of a wheel operating on agricultural soil. J. Terramechanics. (28):371-382.         [ Links ]

Alakukku, L. 1996. Persistence of soil compaction due to high axle load traffic. I. Short-term effects on the properties of clay and organic soils. Soil Tillage Res. 37(1996):211-222.         [ Links ]

Botta, G.; Jorajuria, D. y Draghi, L. 1997. Responsabilidad del peso y la presión en la compactación de suelos labrados. Parte II. Cama de siembra. Congreso Brasileiro de Engeneria Agrícola. (1):10-16.         [ Links ]

Botta, G.; Jorajuria, D. and Draghi, L. 2002. Influence of the axle load, tire size and configuration, on the compaction of a freshly tilled clayey soil. J. Terramechanics. (39):47-54.         [ Links ]

Botta, G.; Jorajuria, D.; Balbuena, R. and Rosatto, H. 2004. Mechanical behavior of an agricultural soil under different traffic intensities: effect on soybean (Glycine max I.) Soil Tillage Res. (78):53-58.         [ Links ]

Botta, G.; Jorajuria, D.; Balbuena, R.; Ressia, M.; Rosatto, H.; Tourn, M. and Ferrero, C. 2006. Deep tillage and traffic effect on subsoil compaction and sunflower yields. Soil Tillage Res. (91):164-172.         [ Links ]

Draghi, L.; Jorajuria, D.; Cerisola, C. y Botta, G. 2001. La cobertura vegetal interfilar en el monte frutal y su respuesta al tráfico. In: IV Congreso Internacional de Ingeniería Agrícola. Chillan Chile. 164-167.         [ Links ]

Gameda, S.; Raghavan, G. S.; McKyes, E. and Theriault, R. 1987. Subsoil compaction in a clay soil. I. Cumulative effects. Soil Tillage Res. (10):113-122.         [ Links ]

INEGI (Instituto Nacional de Estadística y Geografía). 2009. Prontuario de información geográfica municipal de los Estados Unidos Mexicanos. Toluca, México. Clave geoestadística 15106. INEGI. México.         [ Links ]

Håkansson, I. and Reeder, R. 1994. Subsoil compaction by vehicles with high axle load-extent, persistence and crop response. Soil Tillage Res. (29):277-304.         [ Links ]

Jorajuria, D. 1996. El tráfico vehicular, la compactación y la sostenibilidad de la producción de madera. In: actas del primer seminario de actualización en sistemas de cosecha y transporte forestal. El Dorado, Argentina. 45-50 pp.         [ Links ]

Jorajuria, D.; Draghi, L. and Aragón, A. 1997. The effect of vehicle weight on the distribution of compaction with depth and the yield of a lolium/trifolium grassland. Soil Tillage Res. 41(1997):1-12.         [ Links ]

Jorajuría, D. y Draghi, L. 2000. Sobrecompactación del suelo agrícola. Parte 1: influencia del peso y del número de pasadas. Rev. Brasileira de Engenharia Agrícolae Ambiental. 4(3):445-452.         [ Links ]

Jung, K.; Kitchen, N.; Sudduth, K.; Lee, K.; and Chung, S. 2010. Soil compaction varies by crop management system over a claypan soil landscape. Soil Tillage Res. doi:10.1016/j.still.2009.12.007. 10 p.         [ Links ]

Liljedahl, J. B.; Turnquist, P. K.; Carleton, W. M. y Smith, D. W. 1984. Tractores, diseño y funcionamiento. Limusa, México. 431 p.         [ Links ]

NOM-021-SEMARNAT-2000. 2002. Norma Oficial Mexicana que establece las especificaciones de fertilidad, salinidad y clasificación de suelos, estudio, muestreo y análisis. Diario Oficial. México. 85 p.         [ Links ]

Oskoui, K. E. and Voorhees, W. B. 1990. Prediction of planting timeliness penalties for corn and soybean in northern Corn Belt. Agron. Abstr. 153 Madison, WI, USA.         [ Links ]

Rapper, R. and Erbach, D. 1990. Prediction of soil stresses using the finite element method. Transactions of the ASAE. 3(33):725-730.         [ Links ]

Smith, D. and Dickson, J. W. 1990. Contributions of weight and ground pressure to soil compaction. J. Agric. Eng. Res. (43):13-29.         [ Links ]

Taylor, J. and Gill, W. 1984. Soil compaction: state-of-art report. J. Terramechanics. 3(21):195-213.         [ Links ]

Threadgill, E. D. 1982. Residual tillage effects as determined by cone index. Transactions of the ASAE, St. Joseph, MI. (25):859-863.         [ Links ]