Efecto del tamaño de partícula sobre algunas propiedades físicas del tezontle de Guanajauto, México*

Effect of particle size on some physical properties of tezontle (volcanic rock) from the State of Guanajuato

Patricia Vargas–Tapia¹, Javier Zaragoza Castellanos–Ramos², José de Jesús Muñoz–Ramos², Prometeo Sánchez–García¹, Leonardo Tijerina–Chávez³, Rosa María López–Romero¹, Cinthia Martínez–Sánchez² y José Luis Ojodeagua–Arredondo²

¹ Posgrado en Edafología. Colegio de Postgraduados, Montecillo, Estado de México, México.

² Unidad de Horticultura Protegida. Campo Experimental Bajío, INIFAP. km 6.5 carretera Celaya–San Miguel de Allende. Celaya, Guanajuato, México.

Autor para correspondencia:
castellanos@intagri.com.mx

* Recibido: Noviembre de 2007
Aceptado: Agosto de 2008

RESUMEN

El tamaño de partícula del sustrato tiene un importante efecto sobre sus características físicas, principalmente sobre la proporción humedad–aire. El objetivo del presente estudio fue determinar el efecto del tamaño de la partícula sobre las propiedades físicas del tezontle. En junio de 2005 se colectaron muestras de seis yacimientos de tezontle de Guanajuato, México. Se tamizaron en fracciones de < 0.125, 0.125–0.25, 0.25–0.50, 0.50–0.71, 0.71–1.0, 1.0–2.0, 2.0–4.0, 4.0–6.5, 6.5–8.5 y 8.5–12.6 mm de diámetro. A cada fracción granulométrica se le determinó: densidad aparente, densidad real, espacio poroso total, porosidad ocluida, capacidad de aireación y capacidad de retención de humedad en el laboratorio de sustratos de la unidad de horticultura protegida del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), ubicado en el Campo Experimental Bajío, en Celaya, Guanajuato, México. Los valores de densidad aparente y densidad real aumentaron a medida que disminuyó el tamaño de partícula. La capacidad de aireación se redujo significativamente a medida que el diámetro de partícula disminuyó de 0.50 a 0.25 mm. La capacidad de retención de humedad aumentó a partir de la fracción 0.71–0.50 mm, con valor máximo entre 0.25–0.50 mm de diámetro y el espacio poroso total y porosidad ocluida se incrementaron a medida que aumentó el tamaño de partícula. Se observó una relación inversa significativa (p<0.01) entre la capacidad de aireación y la capacidad de retención de agua.

ABSTRACT

The particle size in the substrate has an important effect on its physical characteristics, mainly on the proportion moisture:air. The objective of the present study was to determine the effect of particle size on the physical proprieties of 'tezontle' (volcanic rock). In June 2005, samples were collected from six mines of tezontle in Guanajuato, Mexico. Material of each source was separated in fractions of 0 to 0.125, 0.125–0.25, 0.25–0.50, 0.50–0.71, 0.71–1.0, 1.0–2.0, 2.0–4.0, 4.0–6.5, 6.5–8.5 and 8.5–12.6 mm in diameter. Bulk density, particle density, total porous space, occluded porosity, air capacity and moisture–retention capacity were determined to each fraction at the laboratory of substrates of the unit of protected horticulture of the National Research Institute for Agriculture, Forest and Livestock (INIFAP), located at Celaya, Guanajuato, Mexico. Bulk density and particle density increased as the particle diameter decreased. The air capacity decreased significantly as particle size diminished from fraction 0.50–0.25 mm; moisture–retention capacity increased from the fraction 0.50–0.71 mm to a maximum in 0.25–0.50 mm. Total porous space and occluded porosity increased as particle size increased. A highly significant (p<0.01) inverse relationship was observed between moisture retention capacity and air capacity.

Key words: bulk density, granulometry, particle capacity, substrate, moisture–retentioncapacity.

INTRODUCCIÓN

La creciente demanda de sustratos de buena calidad se debe a que son un factor clave en los sistemas de producción de horticultura protegida. Las características físicas del sustrato determinan el tipo y tamaño de contenedor a utilizar y el programa de riego del cultivo (Prasad y Ni Chualáin, 2004; Ravivet al., 2004). La granulometría del sustrato determina el tamaño y distribución de los poros y la proporción agua–aire y en consecuencia el régimen de riego y el desarrollo de las plantas (Handreck, 1983; Burés et al., 1997; Carmona et al., 2003; Noguera etal., 2003; Prasad y Ni Chualáin, 2004), es por ello, que el análisis granulométrico se ha considerado como una práctica importante en la caracterización de sustratos (Martínez, 1993; Burés et al., 1997; Carmona et al., 2003). En trabajos previos, Handreck (1983) estudió el efecto del tamaño de partícula sobre la capacidad de aireación y el agua total disponible en sustrato de corteza de pino y arena; concluyó, que el tamaño de partícula en el intervalo de 0.25 a 0.5 mm de diámetro modificó estas características. Recientemente, Noguera et al. (2003) reportaron el efecto del tamaño de partícula sobre las características físicas del polvo de coco; observaron que las partículas de 0.5 mm modificaron en forma significativa la relación agua–aire. Por su parte, Prasad y Ni Chualáin (2004) estudiaron sustratos preparados con turba y mezclas de turba, polvo de coco, corteza, composta de desecho de plantas y piedra pómez, con diferentes proporciones de partículas menores a 1 mm de diámetro, concluyeron que a medida que el porcentaje de partículas < 1 mm aumenta, la capacidad de aireación disminuye.

En México, la roca volcánica conocida como tezontle es ampliamente utilizado como sustrato para la producción de hortalizas y flores en cultivos sin suelo; sin embargo, no se ha determinado el efecto del tamaño de partícula sobre las propiedades físicas. El tezontle tiene una proporción variable de porosidad ocluida, la cual se define como el volumen de poros cerrados que no tienen conexión con los poros externos y son los espacios que no pueden ser ocupados por agua y por lo tanto no interviene en la relación agua–aire del sustrato. El beneficio de este tipo de porosidad es que disminuye la densidad aparente del tezontle y facilita su manej o (Lemaire et al., 2003). Al respecto, Burés et al. (1997) reportaron que en algunos casos se complica correlacionar el tamaño de partícula con algunas propiedades hídricas de los sustratos debido a la presencia de porosidad interna (porosidad ocluida) ya que ésta no permanece constante en los diferentes tamaños de partícula.

Teniendo en cuenta que la granulometría del sustrato determina las propiedades físicas del mismo, el objetivo del presente estudio fue determinar la influencia del tamaño de partícula sobre las características físicas que influyen en la relación agua–aire de seis muestras de tezontle colectadas en diferentes yacimientos en el estado de Guanajuato.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio se realizó en junio de 2005 en el laboratorio de sustratos de la unidad de horticultura protegida del INIFAP, ubicado en el Campo Experimental Bajío, en Celaya, Guanajuato. Se evaluaron seis muestras de tezontle colectadas en diferentes yacimientos: en la zona norte, San Juan (tezontle rojo); en la zona centro, Vista Hermosa (tezontle rojo); en la zona sur Mina (tezontle negro); Emenguaro (tezontle rojo) y Tepame (tezontle negro), y en la zona suroeste Peñitas (tezontle rojo) (Figura 1).

Las muestras se colectaron después de cribadas en malla de 2 cm (¾ pulgada). En cada sitio se tomaron diez submuestras en forma aleatoria de la pila comercial de producción, las cuales fueron mezcladas y el volumen final fue reducido a 30 L por el método de cuarteo.

El contenido de humedad en las muestras fue muy variable, debido a que el material estaba a la intemperie, por lo que todas las muestras fueron secadas a 35 °C durante 5 días en una estufa con circulación de aire forzado. Una vez secas, se tamizaron de acuerdo con la metodología descrita por Martínez (1993). Para la separación granulométrica se emplearon tamices de 0.125, 0.25, 0.50, 0.71, 1.0, 2.0, 4.0, 6.5, 8.5 y 12.6 mm y un tamizador Tyler (Rotap).

A cada una de las fracciones obtenidas se determinó: 1) densidad aparente (Da) mediante el método descrito en la Norma Europea UNE–EN 13040:1999, 2) densidad real (Dr) por el método del picnómetro de agua (Blake y Hartge, 1986) en muestras inalteradas y pulverizadas y, 3) espacio poroso total (EPT) en muestras pulverizadas y porosidad efectiva (P_e) en muestras inalterada por la Norma Europea UNE EN 13041:1999. La porosidad ocluida (P_o) se determinó de la diferencia entre el EPT y la P_e; 4) capacidad de aireación (CA) y capacidad de retención de humedad (CRH), por el método descrito por Ansorena (1994).

Debido a que la mas alta variación de la capacidad de aireación y la retención de humedad se ha observado en el rango de 0.5 a 1 mm de diámetro de partícula, se incluyó un valor intermedio 0.71 mm con la finalidad de reducir el rango y determinar el efecto con precisión. Las partículas mayores de 12.6 mm no se analizaron debido a que las muestras presentaron un porcentaje menor de 2% en peso.

Todas las determinaciones se realizaron con cuatro repeticiones y los resultados fueron sujetos a un análisis de varianza (ANOVA) y la comparación de medias se realizó por la prueba de Tukey (p<0.05) mediante el paquete estadístico SAS v 8.2. (SAS, 1999).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Densidad aparente

Se observó diferencia significativa entre tamaños de partícula y entre muestras para un mismo tamaño para densidad aparente (Da). De manera general, las muestras de Mina, Emenguaro y San Juan, fueron las de menor valor medio (0.67, 0.62 y 0.73 g cm^–3, respectivamente) (Cuadro 1). Estos tezontles son más ligeros y porosos lo que facilita su manejo (llenado y acarreo de macetas), cualidad destacada por Baca et al. (1990) en tezontle rojo y negro. Por otra parte, al disminuir el tamaño de partícula la Da se incrementó en forma similar a lo observado por Noguera et al. (2003) en polvo de coco y por Wallach et al. (1992) en tezontle rojo en Israel. Las fracciones mayores de 4 mm, no fueron diferentes entre ellas en la mayoría de las muestras. Los valores de Da observados fueron similares a los reportados por Raviv et al. (2002) con valores de 0.8 a 1.5 g cm^–3 para tezontles (muestra compuesta) de Israel. Destaca la variación que puede existir entre orígenes del material, en cuanto a esta variable, pues los yacimientos de V. Hermosa y Peñitas presentaron, en todas fracciones granulométricas la mayor densidad aparente.

Densidad real

Se observó diferencia significativa entre las fracciones granulométricas en cada muestra, así como entre muestras (Cuadro 2). En forma general, a medida que se incrementó el tamaño de partícula, se redujo la densidad real (Dr). Los tezontles de los yacimientos de Mina, Emeguaro y Tepame presentaron el menor valor medio de Dr con valores de 2.20, 2.23 y 2.39 g cm^–3, respectivamente, caso contrario a V. Hermosa con valores de 2.81 seguido de Peñitas, con 2.5 8 g cm^–3. No se observó diferencia estadística entre las fracciones menores a 0.25 mm para esta característica en la mayoría de las muestras a excepción de V. Hermosa y San Juan, al igual que para las fracciones de más de 6.50 mm no se observó diferencia estadística en la mayoría de las muestras.

Capacidad de aireación

Los valores de la capacidad de aireación (CA) de las seis muestras de tezontle, presentaron diferencia estadística entre las diferentes fracciones granulométricas para cada muestra. A medida que disminuyó el tamaño de partícula la CA se redujo en todas las muestras, (Cuadro 3). Es importante señalar que para fracciones mayores de 4.00 mm, no se observó diferencia estadística significativa al igual que para las fracciones menores de 0.50 mm.

Se observó una disminución significativa de la CA a partir de la fracción de 0.71–1.00 mm. En la fracción de 0.25–0.50 mm, disminuyó casi 50% respecto a las fracciones de 0.50–0.71 y 0.25–0.50 mm, por lo que es importante destacar que la fracción de 0.25–0.5 0 mm determina la disminución (efecto negativo) más importante sobre la CA. Estos resultados concuerdan con lo señalado por Handreck (1983) quien reportó el mayor descenso de la CA en corteza de pino y arena, cuando el diámetro de la partícula se redujo a 0.25– 0.50 mm. Al respecto, Noguera et al. (2003) reportaron valores de CA de 70 a 84% para fracciones mayores de 0.5 mm de polvo de coco, mientras que en fracciones menores de 0.5 mm estos valores fueron de 8 a 27%, lo que demuestra el efecto de esas fracciones sobre la CA (Cuadro 3).

La determinación de la C A en cada fracción e s una variable muy importante para los sustratos, Raviv et al. (2004) destacaron esta característica, debido a la importancia de suministrar oxígeno y agua a la raíz, subrayando que un adecuado suministro de ambos en la zona de la raíz propicia efectos inmediatos sobre la forma y crecimiento de la misma, así como también incrementa la actividad metabólica y absorción de agua y nutrimentos. A excepción del yacimiento V. Hermosa, los demás mostraron efecto similar del diámetro de partícula sobre la CA.

Las fracciones mayores de 4 mm no mostraron diferencia estadística para este parámetro en la mayoría de las muestras, en estas fracciones se obtuvieron los valores más bajos de capacidad de retención de humedad (CRH). A partir de la fracción de 0.50–0.71 mm y menores, se observó un incremento significativo de la CRH, con valor máximo en la fracción de 0.25–0.50 mm (56.9%) (Cuadro 4), lo cual concuerda con lo reportado por Handreck (1983) en corteza de pino y arena, donde observó que la máxima cantidad de agua disponible en la fracción de 0.25–0.50 mm y que en partículas de menor diámetro está disminuía. Noguera et al. (2003) reportaron los más altos valores de CRH en las fracciones menores a 0.50 mm en polvo de coco.

Las fracciones de 0.25 a 1.00 mm tuvieron un efecto determinante sobre la relación humedad:aire (CRH–CA) en los tezontles estudiados y las partículas de 0.50 mm se pueden considerar el punto de control en está relación, lo que coincide con lo reportado por Noguera et al. (2003) en polvo de coco y Hendreck (19 83) en corteza de pino y arena, quienes reportaron que el tamaño de partícula equivalente a 0.50 mm determina un cambio importante y altamente significativo sobre la relación humedad:aire. Esto pone de manifiesto que las fracciones de 0.7 a 1.0, 0.50–0.71 y 0.25–0.50 mm son importantes para la formulación de sustratos. Todos los yacimientos mostraron un efecto similar del tamaño de partícula sobre la CRA. Es decir, el tamaño de partícula determina la CRH del sustrato y no el origen del mismo.

Espacio poroso total

Para el espacio poroso total (EPT) los resultados mostraron diferencias significativas entre las fracciones de cada muestra. En forma general, el EPT se incrementó a medida que aumentó el tamaño de partícula (Cuadro 5), lo cual coincide con lo reportado por Handreck (1983) en corteza de pino y arena y Raviv et al. (2002) en tezontle; con valores de 60 a 80% en función del origen y del proceso de tamizado o molienda. Esta variable no es relevante sobre la relación humedad:aire, como las anteriores, ya que un alto EPT, se obtiene tanto con poros grandes como con poros pequeños que tienen efecto variado sobre la capacidad de aireación del sustrato.

Porosidad ocluida

La porosidad ocluida (Po) se incrementó con el aumento del tamaño de partícula. Cabe destacar que las muestras Mina y Emenguaro fueron las que presentaron el mayor valor medio de 4.5 y 4.1%, respectivamente; por lo tanto, estos dos materiales son altamente porosos, mientras que las muestras Tepame, San Juan y Peñitas tuvieron valores intermedios (2.8, 2.3 y 1.6%, respectivamente) y V. Hermosa los menores en todas sus fracciones, por lo que este material es poco poroso, sobre lo que Baca et al. (1990) indicaron que es preferible el tezontle más poroso porque facilita el manejo y favorece al cultivo (Cuadro 6).

Relaciones entre variables

Es notable la estrecha relación del orden cuadrático observada entre el diámetro de partícula y la CA con R² de 0.96 para los diámetros medios de 0.37 a 3.00 mm. La CA de 20% se presentó con el diámetro medio de 0.6 mm, la de 30% con 0.9 mm y la de 40% con 1.2 mm (Figura 2). Esto confirma que el diámetro de partícula influye más sobre la CA que la fuente del material.

Se observó estrecha relación de orden cuadrática entra el diámetro de partícula y CRH con una R² de 0.97 para los diámetros medios de 0.37 mm a 3.0 mm. El valor de CRH de 3 0% se obtuvo con el diámetro medio de partícula de 1.3 mm, CRA de 40% se consigue con 0.8 mm, mientras que CRH de 50% con 0.6 mm (Figura 3). La mayor influencia sobre la CRH la ejerció el diámetro de partícula, más que la fuente o yacimiento del sustrato.

La relación entre CRH y CA fue lineal con R² de 0.96. Se observó que una CRH de 50% está asociada con una CA de 19%, una CRH de 40% está asociada a una CA de 30% (Figura 4). Se considera que esta sería la relación ideal para el sustrato de tezontle; es decir, es recomendable que la de fracción granulométrica presente una CRH del orden de 40%, para contar una buena reserva de agua y al mismo tiempo adecuada aireación en el sustrato.

CONCLUSIONES

Las fracciones granulométricas del tezontle del estado de Guanajuato influyen en forma significativa sobre las características de densidad aparente, densidad real, capacidad de aireación y capacidad de retención de humedad. Los valores de densidad aparente y real aumentan a medida que disminuye el tamaño de partícula. Cuando el diámetro de partícula se reduce por debajo de 0.50 mm la capacidad de aireación se reduce significativamente. Los valores de espacio poroso total y porosidad ocluida se incrementan al aumentar el tamaño de partícula.

AGRADECIMIENTOS

Agradecemos al Ing. Juan Pablo Tehuacatl por su apoyo brindado durante la elaboración del presente manuscrito.

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