Effect of tillage on the porosity of clay grassland soil estimated by means of an analysis of digital images

Armando López-Santos¹; Guillermo González-Cervantes^2¶; Martín Cadena-Zapata³; José Luis González-Barrios².

¹ Unidad Regional Universitaria de Zonas Áridas de la Universidad Autónoma Chapingo, Domicilio conocido, Ciudad Bermejillo, Dgo., Apartado Postal Núm. 8, Tels: (872) 776-0160 y 90 Fax (872) 776-0043. C. P. 35230. MÉXICO. Correo-e: alopez@chapingo.uruza.edu.mx.

² Centro Nacional de Investigaciones en Relaciones Agua-Suelo-Planta-Atmósfera del INIFAP-MÉXICO. (^¶Autor para correspondencia).

³ Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro. Saltillo, Coah. MÉXICO.

Recibido: 12 agosto, 2010
Aceptado: 17, noviembre, 2010

RESUMEN

La labranza primaria ha sido evaluada desde varios puntos de vista; por ejemplo, se sabe que labranza influye en cambios en la porosidad edáfica y los procesos asociados a ésta. Sin embargo, aún hay interrogantes sobre la magnitud de su impacto. Es así que entre 2006 y 2007 se realizó esta investigación que fue enfocada a la medición y comparación de la porosidad en un suelo de pastizal convertido a uso agrícola, mediante el empleo de una técnica avanzada de imagen, en el rancho Los Ángeles del municipio de Saltillo, Coahuila, México (25° 6.650' N y 100° 59.413' O), donde el clima es del tipo BWhw(x')(e) y los suelos del lugar son arcillosos (Feozem lúvico, Hl). El efecto de la labranza con arado de discos (LAD) y labranza con multiarado (LM), fueron comparados con un suelo no disturbado (NL). Los resultados indican cambios en tamaño y forma de los poros. Se observó que el tratamiento con labranza vertical LM muestra una disminución en la porosidad en tres rangos de diámetro: T3 (con poros menores a 2 mm²); T4 (con poros de 0.1 a 2 mm²); y T6 (con poros menores a 0.02 mm²).

Palabras clave: Labranza con arado de discos, multiarado, porosidad edáfica.

Abstract

Primary tillage has been evaluated from different points of view. It is known that tillage provokes changes in soil porosity, and the processes associated with it. However, there are still questions about the size of its impact. Therefore, between 2006 and 2007 this research was carried out, focusing on the measurement and comparison of soil porosity in grassland turned into agricultural land, using an advanced imaging technique in rancho Los Angeles, Saltillo, Coahuila, Mexico (25° 6,650' N, 100° 59,413' O) where the climate is BWhw (x') (e) and soils are clayey (Feozem Luvic, Hl). The effect of tillage using disk plow (LAD) and tillage using multi-plow (LM), were compared with undisturbed soil (NL). Results indicated changes in size and shape of the pores. It was observed that treatment with vertical tillage using multi-plow shows a decrease in porosity in three diameter ranges: T3 (with pores less than 2 mm²), T4 (with pores of 0.1 to 2 mm²) and T6 (with pores smaller than 0.02 mm²).

INTRODUCCIÓN

Los pastizales de México cubren una superficie de poco más de 82 millones de ha, 10 % de las cuales corresponden a suelos de tipo Feozem, cuyas características principales son su fertilidad (física, química y biológica) y profundidad. Debido a esto, en muchas regiones alrededor del mundo, como en el caso de México, los agricultores históricamente han empleado dichas superficies como alternativa para incrementar la frontera agrícola con la siembra de cereales y forrajes, generando con ello impactos ambientales insuficientemente evaluados (SEMARNAT, 2002; CONAFOR, 2008).

El uso de arado de discos históricamente ha sido dirigido a facilitar las labores agrícolas, particularmente las relacionadas con el manejo del suelo y con ello incrementar la rentabilidad de las explotaciones agropecuarias al disminuir la mano de obra; sin embargo, al cabo de unas cuantas décadas se han documentado efectos adversos en las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo (ISTRO, 2007; Camacho-Tamayo y Rodríguez, 2007; Shahbazi et al., 2009; Peth et al., 2010).

Ante ello, se han propuesto implementos de labranza con diseños orientados a la conservación de suelos y del agua como el multiarado (Ventura et al., 2003; Martínez-Gamiño y Jasso-Chavarría, 2006), pero el efecto de estos implementos sobre las propiedades físicas del suelo, como es la porosidad edáfica y sus efectos en los fenómenos de flujo de masa (agua, aire y solutos) y energía (flujo de calor), en la actualidad presenta muchas interrogantes, pues la mayor parte de la evaluaciones realizadas se han concentrado en su desempeño mecánico (Gutiérrez et al., 2004) y sobre la producción de cosechas (Martínez-Gamiño y Jasso-Chavarría, 2006).

Aunque la distinción del efecto de las operaciones de labranza, en términos del impacto en la propiedades porosimétricas en la capa arable, no siempre ha sido fácil de demostrar estadísticamente (Singh et al., 1990; Singh et al., 1991; Eynard et al., 2004), algunos autores se han aproximado con bastante éxito para diferenciar las ventajas y desventajas de la labranza, utilizando para ello técnicas avanzadas de análisis de imagen (González et al., 2004a,b; Udawatta et al., 2008b).

Es por ello que los objetivos de la presente investigación se plantearon del siguiente modo: 1) Determinar las variables morfológicas de los poros mediante algorítmos matemáticos a partir de imágenes digitales; y 2) Comparar los impactos del arado de discos y el multiarado sobre las propiedades porosimétricas como son: tamaño, forma, número de espacios vacíos y su distribución en el perfil, comparándolo con un suelo sin disturbio en un suelo arcilloso de pastizal.

MATERIALES Y MÉTODOS

El presente estudio se realizó en el rancho Los Ángeles, municipio de Saltillo, Coahuila, México (25° 6.650' N y 100° 59.413' O). El clima del lugar, de acuerdo a García (2003), es [BWhw(x')(e)] semiárido, con invierno fresco, con temperatura media anual que fluctúa entre 18 y 22 °C, con lluvias en promedio anual de 450 a 550 mm distribuidas primordialmente en verano e invierno, y una altitud promedio de 2,100 m. Las características de las parcelas experimentales se presentan en el Cuadro 1.

La vegetación típica reportada para este lugar es de gramíneas, que comprende los géneros Aristida, Buchloe, Boteloua, Mulenbergia, Steria y Stipia (Mellado, s/f), además de que también se reporta la presencia de especies vegetales de las familias: Laminaceas, Chenopodacea, Euphorbacea y Asteraceae. Tales especies aparecen en este lugar como resultado del cambio de uso pecuario a uso agrícola.

Diseño experimental y técnica de imagen

Los tratamientos consistieron en el laboreo del suelo por parcela mediante el empleo de un multiarado provisto con aletas en delta (LM) y un arado reversible de tres discos, comúnmente empleado en la zona de estudio (LAD). Para LM se usó un tractor NEWHOLLAND modelo 6810 de 95 HP, y para LAD se usó un tractor John Deeree, modelo 3200 de 84 HP. Ambos fueron calibrados para trabajar a 0.25 m de profundidad, como se muestra en la Figura 1. Un tratamiento testigo sin labranza (NL) fue estudiado simultáneamente.

Para cada tratamiento (incluido el testigo) se extrajeron al azar, para las profundidades 0-0.15 y 0.15-0.30 m, tres muestras para un total de 18 unidades, las cuales fueron preparadas en monolitos de 0.15 m por lado de acuerdo a la metodología propuesta por Vergiére (Bourrier, 1965). Estos monolitos, en laboratorio, fueron deshidratados mediante el desplazamiento de agua con acetona y, a continuación, se saturaron con resina de poliéster (Scout-Bader Crystic) complementada con un pigmento fluorescente (Uvitex) a los rayos ultravioleta (Murphy et al., 1977). Después, al secado de la resina, se realizaron cortes horizontales para observar y describir la porosidad del suelo.

La descripción de la porosidad del suelo se realizó sobre imágenes de formato digital de la superficie del suelo no disturbado iluminado con luz ultravioleta. Las imágenes se obtuvieron con una cámara digital Olimpus CCD de 4.1 mega píxel, para dos acercamientos o escalas: escala M1, en forma de matriz rectangular de 127 x 95 mm (12,065 mm²), con una resolución espacial de 56 um por píxel (donde se observaron los macroporos); y escala M2, en forma de matriz rectangular de 13 x 10 mm (130 mm²) con apoyo de microscopio estereoscopio (ME), a una resolución de 6 uní por píxel (donde se observaron los mesoporos), cuya distribución se muestran en el Cuadro 2.

En tanto, el análisis de imagen se realizó utilizando un analizador Image Pro Plus^® v4.5 (Media Cibernética, Maryland, USA) bajo microcomputadora personal en el laboratorio de imagen del Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación Agua-Suelo-Planta-Atmósfera (CENID-RASPA-INIFAP).

Para la primera escala, las imágenes fueron captadas por medio de una cámara OLYMPUS (Mod. C4040), con Zoom 7.5x de 4.1 MP; en tanto que para la segunda se usó la misma cámara, pero esta vez fue montada sobre un estereoscopio OLYMPUS (Mod. SZ-CTV), con lente 110 AL 2x WD38. En ambos casos se usaron dos lámparas (Mineralight Lamp) que emiten rayos UV en una longitud de onda 254-365 nm (nanómetros), para iluminar la superficie objetivo, con lo que es posible diferenciar los espacios vacíos del suelo.

Variables medidas

La densidad aparente inicial (Da_i) fue calculada a cuatro profundidades (0.05, 0.10, 0.20 y 0.25 m) por gravimetría de muestras obtenidas con una barrena de núcleos, y la Da final (Da_f) se determinó por el método de la cadena propuesto por Saleh (1993). Las porosidades total, inicial (Pt_i) y final (Pt_f) fueron calculadas mediante la diferencia unitaria y la relación Da/Densidad real, Dr [Pt = 1- (Da/Dr)], donde Dr se asume con un valor constante igual a 2.65 kg'm^-3 (Eynard et al., 2004).

Análisis estadístico

El análisis estadístico comprendió los promedios porcentuales de área, forma y tipo de poros. Se aplicó PROOC GLM en SAS (SAS, 2006), bajo un diseño completamente al azar. Se consideraron como fuentes de variación (Clases) las operaciones de labranza (NL, LM y LAD), profundidad (0.05, 0.10, 0.20 y 0.25 m) y el tipo de forma de poros (FR = redondos, FI = irregulares, y FA= alargados) y como variables de respuesta los valores morfológicos en porcentaje. Las comparaciones, tanto para tratamientos como para repeticiones, se realizaron mediante la prueba de rango múltiple de Duncan, y las diferencias estadísticas fueron declaradas significativas con P≤0.01.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para determinar la magnitud del efecto de la labranza sobre la estructura y porosidad del suelo, en esta parte se describen y discuten con base en dos propiedades: 1) la porosidad cuantificada en términos de superficie en los rangos ya definidos como: M1: T1 = >10, T2 = 2-10, y T3 = < 2 mm²; y M2: T4 = > 0.1, T5 = 0.1 a 0.02, y T6 = <0.02; y 2) su caracterización por la geometría de poros, de acuerdo a formas alargadas, redondas e irregulares. La relación de ambas propiedades permitirá establecer un balance dinámico entre procesos constructivos y destructivos, primordialmente para la porosidad en los rangos definidos en la escala M1.

Se sabe que la porosidad total (Pt) cambia en la misma proporción que la Da, pero en este caso hay un efecto de esponjamiento de la capa superior del suelo que sólo es detectado por los cambios en la rugosidad de la superficie, los cuales se presumen recíprocos como para la densidad aparente (Da), con valores equivalentes a 1.26 y 5.38 % para LM y LAD, respectivamente. Valores de cambio en Da muy cercanos a los reportados por Azooz et al. (1996) para un suelo franco limoso con 1.6 % y otro franco arenoso con 0.72 %, en los que ambos habían sido laborados con arado de discos (Cuadro 3).

Los porcentajes de la superficie que ocupan los poros, así como su distribución a lo largo del perfil para NL, LM y LAD en las escalas M1 y M2, se muestran en la Figura 2 (2a, 2b, 2c). Cabe destacar que una fracción de la porosidad que oscila entre 30 y 43 % no fue cuantificada y se asume que correspondería a los microporos que solamente pueden ser observados con el microscopio electrónico de barrido (MEB). De manera natural, los suelos tienen un espectro de poros con radio generalmente entre 10^-3 y 10^-7 (Kung et al., 2005). Se esperaría que la labranza de manera inmediata únicamente afectara aquellos poros cuyo radio es cercano a 10^-3 donde se ubican los macroporos.

Los índices M1/Pt y M2/Pt indican la proporción de Pt de la porosidad que fue medida en los rangos de poros en las escalas M1 y M2, después de las operaciones de labranza. Por ejemplo, la porosidad comprendida en los rangos de poros en la escala M2 es más grande que M1 en todos los casos (Figura 3).

La comparación de los índices mostrados anteriormente (Figura 3) podría ser engañosa si no se considera que este suelo tiene una porosidad natural, como se observó en el testigo (NL), derivada de sus características intrínsecas asociadas a la proporción de arcilla presente (>40%), materia orgánica (>5.0 %) y por la presencia de carbonatos (>37 %), factores fundamentales en el desarrollo de la red de microporos en el suelo (Katsvairo et al., 2002; Causarano, et al., 2008); es decir, las diferencias mucho mayores observadas entre NL-M2 con respecto a LM-M2 y LAD-M2, están enmascarando el efecto de la labranza por el hecho de ser más pequeñas las diferencias entre NL-M1 con respecto a LM-M1 y LAD-M1; pues diferencias pequeñas sobre los rangos de poros en la escala M1, con porcentajes no mayores a un dígito (entre 3.7 y 8.26 %), tendrán mayor repercusión que en los rangos para M2 cuyos valores obtenidos están aproximadamente entre 12 y 20.77 %.

No hay que pasar por alto que el manejo agrícola afecta la distribución del tamaño de poros, así como su continuidad y tortuosidad. El tráfico en particular reduce la macroporosidad y la labranza mecánicamente rompe la continuidad de poros, compacta el suelo aumentando su densidad aparente con el tiempo y forma un nivel de endurecimiento difícil a la penetración de la maquinaria agrícola y a la entrada y circulación del agua (Azooz et al., 1996; Eynard et al., 2004).

El análisis cuantitativo que describen los histogramas en la Figura 4 y cualitativo mediante la visualización de las imágenes binarias mostradas en la Figura 5, ayudan a distinguir y explicar el efecto del laboreo en la porosidad y estructura del suelo. En el primero, por ser una comparación que analiza tres formas de poros encontrados en las imágenes: irregulares (malla de puntos), redondos (entramado) y alargados (con líneas verticales); y el segundo por tratarse de las mismas imágenes sobre las cuales se hicieron las mediciones discutidas en el presente documento.

Con excepción de LAD a 0.25 m de profundidad [i (LC)], las formas predominantes observadas en la Figura 4 son para poros irregulares y redondos, e indican el efecto de deformación que tienen los implementos de labranza a diferentes profundidades, que corresponden a tamaños identificados como: T3, T4 y, T6. La característica principal de ambos es que están presentes en todas las muestras analizadas. Aunque también es evidente que su presencia cambia con la profundidad.

Descripción cualitativa

Para complementar la evaluación de los efectos del laboreo en el suelo, en la Figura 5 se muestran 10 imágenes (A - J) correspondientes a las cuatro profundidades en estudio.

Justamente, lo que se busca con el laboreo mecánico es acondicionar la capa arable, por lo que hay una deformación esperada, como ya se ilustró anteriormente (Figura 1); sin embargo, la aparición de fisuras o grietas localizadas desde los 0.10 y 0.20 m de profundidad, respectivamente, para LM (Figura 5d y 6f) y LAD (Figura 5l), son un aspecto crítico en el acondicionamiento del suelo, debido a que una deformación del suelo a este grado promueve la pérdida de espacios vacios, con ello se modifican los ciclos naturales de humedecimiento y secado, y con ello también hay una mayor pérdida de humedad por infiltración y evaporación (Nidal y Abu-Hamdeh, 2003).

Análisis de varianza

Las diferencias aritméticas antes descritas se complementan con los resultados del análisis de varianza (GLM) para tres de las propiedades de la porosidad (Cuadro 4), teniendo similitudes con lo reportado por varios autores (Singh et al., 1991; Eynard et al., 2004; Udawatta et al., 2008a).

El efecto mecánico del laboreo expresado por el esponjamiento de la capa arable, aparentemente trae consigo un beneficio, cuando en realidad es una expresión de la degradación física del suelo que puede provocar cambios en las funciones de intercambio gaseoso y liquido entre las fases del suelo (Peth et al., 2010), así como en los procesos químicos y biológicos ligados a la producción agrícola y la conservación del agua y el suelo (Udawatta et al., 2008a,b; Watts et al., 2009).

CONCLUSIONES

Con la presente investigación se ha demostrado que el laboreo mecánico con arado de discos (LAD) y con Multiarado (LM) modifican las propiedades porosimétricas en el perfil del suelo, como son: tamaño, forma y superficie de los poros. Prácticamente todo el sistema de poros fue afectado, pero los que tuvieron mayores cambios corresponden a la escala M1 (T1 = >10, T2 = 2-10, y T3 = < 2 mm²).

Aun cuando no hubo diferencias estadísticas significativas para determinar cuál de los dos sistemas de laboreo tiene menos impacto en el suelo, habría que tomar en cuenta que pequeños cambios en la porosidad edáfica generan alteraciones mucho más grandes para otras funciones del suelo, tales como la aireación y la conductividad hidráulica.

Además de lo anterior, se espera que los resultados obtenidos con la técnica de análisis de imagen mejoren la comprensión de los efectos provocados en el suelo, que no pueden ser cuantificados con métodos tradicionales.

AGRADECIMIENTOS

A la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro, por el apoyo otorgado en la investigación de campo, y al CENID-RASPA-INIFAP, de Gómez Palacio, Dgo., por las facilidades en la segunda fase de Laboratorio de Imagen.

LITERATURA CITADA

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