Efecto de la labranza primaria en la calidad física del suelo, evaluada mediante permeámetro de disco

Effect of primary tillage on the physical quality of soil, as evaluated by disk permeameter

Armando López-Santos¹, Guillermo González-Cervantes², Martín Cadena-Zapata³ y José Luis González-Barrios⁴

¹ Universidad Autónoma Chapingo, México.

³ Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro, México.

⁴ Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias, México.

Dirección institucional de los autores

Dr. Armando López-Santos
Unidad Regional Universitaria de Zonas Áridas
Universidad Autónoma Chapingo
Domicilio conocido s/n
35230 Cd. Bermejillo, Durango, México ]]> Miembro de la Red Temática del Agua del Conacyt
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Dr. Guillermo González-Cervantes
Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias
Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación
Agua-Suelo-Planta-Atmósfera ]]> km 6.5 margen derecha Canal Sacramento
35071 Gómez Palacio, Durango, México
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Dr. Martín Cadena-Zapata
Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro (UAAAN)
Departamento de Maquinaria Agrícola
Blvd. Antonio Narro s/n
25315 Buenavista, Saltillo, Coahuila, México
Teléfono: +52 (844) 4110 200 ]]> Fax: +52 (844) 4110 200
martincadena@uaaan.mx

Dr. José Luis González-Barrios
Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias
Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación
Agua-Suelo-Planta-Atmósfera
km 6.5 margen derecha Canal Sacramento
35071 Gómez Palacio, Durango, México
Teléfono: +52 (871) 1590 105 ]]> gonzalez.barrios@inifap.gob.mx

Recibido: 10/06/11
Aceptado: 15/02/12

Resumen

Se evaluó el efecto de la labranza primaria sobre la conductividad hidráulica y porosidad de un suelo arcilloso. El experimento se realizó en el rancho "Los Ángeles", municipio de Saltillo, Coahuila, México (latitud 25.1108° N y longitud -100.9902° O). La conductividad hidráulica in situ (Kc) fue medida con permeámetro de discos a tensión en la superficie (Kc₀) y a 8 cm de profundidad (Kc₈), mediante un diseño de tratamientos al azar para dos sistemas de labranza, arado de discos (LAD), multiarado (LM) y un testigo (NL), y cuatro tensiones de humedad: -150 (T1), -100 (T2), -50 (T3) y -10 (T4) mm. El movimiento del agua en perfil del suelo hasta el punto de saturación (Ksc) se relacionó con la porosidad. La labranza se realizó en junio y julio del 2009, y la Kc se midió dos meses después. Con las lecturas de abatimiento del agua y el tiempo se calcularon las tasas instantáneas de infiltración en cm h^-1, para Kc y Ksc. NL tuvo los valores más altos de Ksc para los dos niveles en que se realizaron las mediciones; mientras que en la superficie, Ksc₀ en LM₀ tuvo valores más bajos; LAD₀ tuvo el mismo comportamiento a 8 cm de profundidad en T4-10. Se observó también que cuando la tensión fue a -10 mm se expresa el funcionamiento de macroporos (> 30 μm). Las velocidades para Ksc₀ en los cuatro niveles de tensión no presentó diferencia significativa, mientras que para Ksc₈, las diferencias fueron altamente significativas (alpha = 0.05), cuyas velocidades promedio fueron de 87, 37 y 54 cm h^-1 para NL, LAD y LM, respectivamente.

Palabras clave: porosidad edáfica, permeámetro de carga variable, multiarado.

Abstract

Keywords: edaphic porosity, variable head permeameter, multi-plow.

Introducción

En suelos agrícolas, la estructura de la capa arable es la propiedad física que más se modifica por el laboreo mecánico, afectando con ello el almacenamiento y la disponibilidad de agua, nutrientes y oxígeno en la zona radicular, que es controlada por el espacio poroso del suelo (Buczko et al., 2006; Peth et al., 2010). Evaluaciones de la estructura en términos de los cambios en la densidad aparente (Da), distribución del tamaño de poros, y la conductividad hidráulica saturada y no saturada son variables aceptadas como indicadores para valorar el efecto del laboreo en el estado físico del suelo (Buczko et al., 2006; Peth et al., 2010); por ejemplo, Schwärzel et al. (2011) encontraron que la abundancia de poros modificados por el laboreo son inestables y terminan colapsados como consecuencia de los ciclos de humedecimiento y secado.

Como parte de la labranza primaria, el multiarado es un implemento alternativo al arado de discos o de vertedera, usado actualmente en varias zonas de importancia agrícola de Latinoamérica y el Caribe, debido a que está orientado a la conservación de suelos y del agua (Ventura et al., 2003; Martínez-Gamiño y Jasso-Chavarría, 2006), pero el efecto de este implemento sobre las propiedades físicas del suelo, en particular en su comportamiento hidrodinámico, 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).

La conductividad hidráulica es una propiedad del suelo que indica la movilidad del agua y depende del grado de saturación y la naturaleza del mismo (Gómez-Tagle et al., 2008; Del Valle et al., 2009; Peth et al., 2010), puesto que el movimiento del agua del suelo tanto en su estado transitorio como en el estacionario es un buen reflejo de la estructura del sistema poroso, resultante de la yuxtaposición de las partículas de suelo y de los agregados (Elrick y Reynolds, 1992). Entre las propiedades hidráulicas que permiten cuantificar el tamaño, la distribución y la continuidad del sistema poroso son la conductividad hidráulica saturada, el potencial mátrico (ψm) y la sortividad del suelo, siendo posible medir estas propiedades directo en campo mediante el uso del permeámetro de disco, instrumento ampliamente usado en la actualidad (Perroux y White, 1988; Regalado et al,. 2003; Moret y Arrúe, 2007; Gómez-Tagle et al., 2008; Schwärzel et al., 2011).

Con base en el punto anterior, el objetivo de la presente investigación fue evaluar el efecto de la labranza primaria en la calidad física de un suelo arcilloso, utilizando las propiedades hidrodinámicas, como conductividad hidráulica y porosidad.

Materiales y métodos

Localización

El experimento fue establecido en el rancho "Los Ángeles", municipio de Saltillo, Coahuila, ubicado al noreste de México (latitud 25.1108° N y longitud 100.9902° O), en la subprovincia denominada Gran Sierra Plegada, en la parte norte de la Región Fisiográfica Sierra Madre Oriental. El clima es semiárido [BWhw(x')(e)], con una precipitación media anual de 350 mm, y una temperatura media anual de 21 °C (García, 2003). Los suelos del lugar están formados principalmente por suelos del tipo luvisol en un 40% de la superficie total (INEGI, 1976).

Caracterización de las parcelas experimentales

El trabajo se realizó dentro de una sección de 35 ha del rancho "Los Ángeles", dedicado al uso agrícola desde hace poco más de 25 años, el cual había permanecido en descanso en los cinco años anteriores a la presente investigación. Antes de realizar los tratamientos de labranza, las características edáficas se determinaron en campo y laboratorio (cuadro 1). La vegetación predominante en las parcelas experimentales fue herbácea, compuesta principalmente por las siguientes familias: Laminaceas, Chenopodaceas, Euphobaceas y Asteraceas.

Medición de la densidad aparente

Los valores de la Da inicial (Da_i) fueron determinados por gravimetría a partir de muestras extraídas con una barrena de núcleos a cuatro profundidades (5, 10, 20 y 25 cm) y la Da final (Da_f) fue calculada por el método de la cadena para medir rugosidad en la superficie del suelo, técnica descrita por Saleh (1993), la cual también ha sido utilizada para medir depresiones, erosión del suelo (Kamphorst et al., 2000; Merril et al., 2001) y variaciones en la Da por efecto de la labranza (Cadena et al., 2004).

Tratamientos

El trabajo de investigación fue diseñado bajo un sistema completamente al azar, con tres repeticiones, considerando como fuentes de variación los siguientes tratamientos: 1) testigo sin laboreo mecánico, NL; 2) labranza con arado de discos, LAD; 3) labranza con multiarado, LM, y cuatro niveles de tensión: -150, -100, -50 y -10 mm. El control de las tensiones se realizó de acuerdo con lo descrito por Moret y Arrúe (2007).

La descripción de los tratamientos de labranza es la siguiente:

1. LAD (figura 1a). Se realizó la labor a 0.25 m de profundidad con un arado de tres discos de acero cóncavos de 60 pulgadas de diámetro, utilizando como fuente de potencia un tractor John Deere modelo 3200 de 84 HP. El resultado de la labor es corte, mezcla e inversión de los estratos del suelo, lo que resulta en un mayor cambio de los agregados del suelo en el perfil.

2. LM (figura b1). Se llevó a cabo con un multiarado, que es una combinación de varios implementos agrícolas. Presenta un timón tipo subsuelo, pero con la punta de un arado "ranchero". Las aletas posteriores permiten trozar las raíces. El multiarado está diseñado para roturar el perfil del suelo en forma vertical sin invertirlo o mezclarlo. La profundidad de trabajo también se estableció a 0. 25 m. Para esta labor se utilizó como fuente de potencia un tractor New Holland modelo 6810 de 95 HP (Martínez-Gamiño y Jasso-Chavarría, 2006).

El testigo fue el tratamiento de no labranza, NL.

Instrumentación y técnica de medición

Análisis de datos y métodos de cálculo

Las ecuaciones empleadas para determinar los flujos dinámicos y estacionarios partieron de la representación del modelo empírico propuesto por Kostiakov-Lewis (Kostiakov, 1932), el cual ha sido ampliamente usado en estudios de hidrología (Landini et al., 2007; Parhi et al., 2007; Dashtaki et al., 2009), en particular por los buenos resultados reportados (Dashtaki et al., 2009) en suelos arcillosos, cuya expresión es la siguiente:

I=Kt^-n (1)

Donde I es la velocidad de infiltración en cm h^-1; t, el tiempo en minutos; K representa la velocidad de infiltración durante el intervalo inicial, cuando t = 1; n, el parámetro que indica la forma en que la velocidad de infiltración se reduce con el tiempo y varía de -1 a 0.

Los parámetros del modelo se obtuvieron mediante el cálculo de las tasas de infiltración a partir del gradiente de abatimiento o lecturas instantáneas del reservorio con respecto al tiempo (∂l/∂t), lecturas que fueron leídas y registradas en una plantilla cada minuto durante un promedio de 150 minutos para las 18 pruebas realizadas. Los dos tipos de flujo del fenómeno estudiado —flujo transitorio (Ft) y flujo estacionario (Fe)— se identificaron mediante los cambios en la pendiente de las curvas de infiltración, I, y la lámina acumulada, z (figura 3).

Una vez identificados los grupos de valores para Ft y Fe de cada ensayo, se separaron los que correspondieron al flujo estacionario representando Ksc, los cuales, en teoría, se presentan cuando la diferencia entre la tensión en el tubo de Mariot y fuerza de succión de los poros es igual a cero. Los valores de Ksc fueron sometidos a una prueba estadística (PROC ANOVA) y Prueba del Rango Estudentizado de Tukey (HSD) en SAS, para cada una de las variables de respuesta estudiadas con un nivel de significancia de 0.05 (SAS, 2004).

Resultados y discusión

Densidad aparente (Da)

La caracterización edáfica en cuanto a Da es coincidente con las características de suelo analizadas y clasificados con base en el triángulo de texturas, ya que en la literatura se reporta (Narro, 1994) que para la clase textural denominada: "Arcilla en agregados", la densidad aparente se encuentra en el rango de 900 a 1 100 kg m^-3, pues de acuerdo con el análisis mecánico de suelo (Hidrómetro de Bouyoucos) de muestras tomadas en las parcelas experimentales, en la profundidad 0-30 cm, las proporciones de arena, limo y arcilla fueron de 320, 240 y 440 g kg^-1, respectivamente (cuadro 2).

De acuerdo con ello (cuadro 2), los resultados indican dificultad para observar diferencias importantes en la Da, aun cuando la labranza es la principal fuerza que ejerce cambios en esta propiedad del suelo (Fuentes et al., 2004; Udawatta et al., 2008a y 2008b). En este caso se parte de una condición inicial de densidad muy baja, por lo que el efecto de la labranza en reducir la densidad es marginal, inclusive habría que considerar que se ha encontrado una relación directa entre la Da y la resistencia mecánica (Blanco-Sepúlveda, 2009), en cuyo caso, aun dentro del límite crítico de Da para este tipo de suelo, LM podría ser interpretado como un efecto de compactación en la capa superficial de suelo.

Porosidad

En complemento a lo anterior, también se calculó la porosidad total (Pt), que teóricamente se puede estimar como resultado de la diferencia unitaria y la relación Da/densidad real, Dr [Pt = 1 - (Da/Dr)], donde Dr se tomó con un valor constante igual a 2.65 g cm^-3 (Eynard et al., 2004). De acuerdo con esto, y con base en los valores Da antes y después de haber aplicado los tratamientos de labranza, se calculó la Pt, observando que ésta se encuentra entre 63 y 69%, donde NL es el tratamiento que presenta los valores más altos (figura 4).

Con la información mostrada (cuadro 2 y figura 5) se observa un efecto muy parecido al reportado por varios autores al evaluar el manejo de suelos agrícolas (Rasmussen, 1999; Lipiec et al., 2005; Cervinka et al., 2009; Lozano et al., 2010), puesto que la porosidad depende más de la organización de partículas que del tamaño de las mismas (Peth et al., 2010; Schwärzel et al., 2011).

Además, se observa que Pt en LM para las cuatro profundidades analizadas tiene un incremento promedio de 1.4% ± 1.9%, aunque en la segunda profundidad (10 cm) se presenta un aumento de 4.2%, mientras que LAD tiene un incremento promedio de 1.9% + 0.1%, lo cual, evidentemente, indica cambios más uniformes en el perfil del suelo; asimismo, se observa también que la labranza en ambos métodos (LM y LAD) tiene el mayor impacto en la capa superior del suelo (0-10 cm) que en el resto del perfil.

Tasa de infiltración

Para determinar el efecto de los tratamientos sobre la porosidad edáfica, en los 18 sitios elegidos al azar se realizaron los ensayos fijando el permeámetro con tensiones equivalentes en mm de agua (Z1) en un gradiente de menos a más en el siguiente orden: -150 (T1), -100 (T2), -50 (T3) y -10 (T1), condición que se mantuvo hasta que cada ensayo llegó a un flujo estable. El movimiento del agua a través del suelo desde su fase dinámica hasta su fase estacionaria en términos generales se presenta bajo la siguiente descripción: la primera con sucesiones de puntos de rápido cambio, y la segunda con puntos con tendencia asintótica sobre el eje del tiempo; una vez calculadas las tasas instantáneas de infiltración con los valores del tiempo acumulado como variable independiente, se obtuvieron líneas de tendencia polinomiales de segundo grado, cuyos modelos, considerando los coeficiente de correlación de Pearson (R²), podrían ser, con excepción de LAD₈, como aceptables, por ser en su mayoría mayores a 0.85 (figura 5).

Modelación K-L para representar el fenómeno de infiltración

Los datos obtenidos en campo fueron analizados mediante el modelo ya descrito, Kostiakov-Lewis (K-L), con lo cual fue posible detectar los momentos Ft y Fe, en los que se presentó el valor de la infiltración a saturación en campo Ksc en cada una de los dos niveles donde se realizaron las pruebas. Es así que el Ft en ambos niveles del suelo y las velocidades obtenidas fueron de 16 a 240 cm h^-1, y de 6 a 240 cm h^-1, para Kc₀ y Kc₈, respectivamente; los tiempos promedio a los que se alcanzó la saturación y por tanto el Fe fue en el primero y el segundo fue a los 143 y 106 min (cuadro 3).

Otras observaciones que se desprenden del análisis de los datos (cuadro 3) son: 1) toda la estructura de poros, desde los de menor diámetro, probablemente < 30 μm (microporos) hasta > 30 (macroporos), sufren modificaciones en su morfología y, por ende, en su función de transporte de agua y procesos asociados, como intercambio gaseoso suelo-atmósfera y movimiento vertical de solutos; 2) los ensayos realizados a nivel de la superficie del suelo para la tensión T2 muestran tendencias muy semejantes para los tratamientos de labranza. Tanto LAD₀ como LM₀ alcanzan valores de Ksc entre 9 y 10 cm h^-1, pero los que se realizaron a 8 cm de profundidad indican que LAD₈ afectó la porosidad, que funcionan en rangos de tensión equivalente a T2 y T3; y 3) los ensayos realizados a 8 cm de profundidad para las tensiones T3 y T4, con excepción de LAD₈, también muestran tendencias de comportamiento muy semejantes, aunque las velocidades más altas son para NL₀ y NL₈, ya que van desde 180 y 240 cm h^-1, respectivamente, hasta llegar un flujo estable entre 134 y 174 cm h^-1, comportamiento que de manera evidente contrasta con lo mostrado para los tratamientos de labranza en ambas profundidades.

Efecto de la labranza y la succión del suelo sobre Ksc

Cada uno de los ensayos de infiltración inició poniendo el tubo de Mariot a las alturas (Z1), equivalentes a la succión del suelo. Para encontrar Ksc, considerando que durante un ensayo la tasa instantánea de infiltración inicialmente es alta y decrece en el tiempo hasta un valor constante llamado clásicamente como infiltración básica controlada por la conductividad hidráulica saturada (Gómez-Tagle et al., 2008; Del Valle et al., 2009), se establecieron los siguientes supuestos: 1) las cuatro fuerzas de succión del suelo desde T4 hasta T1 son representativas de cuatro grandes grupos de poros; 2) en el perfil de suelo hay estratos uniformes en contenidos de humedad; y 3) además, existe el mismo tipo y distribución de partículas que conforman la capa de suelo estudiada.

Los resultados de Kung et al. (2005) indican que el flujo saturado (Ksc) describe el movimiento de agua a través de poros grandes (Ø ≥ 1 x 10^-3), sin embargo, habría que considerar que Ksc ocurre cuando el 95% del espacio poroso total está lleno con agua y el 5% restante está lleno de aire atrapado, por lo cual se presume que en este caso el laboreo mecánico, además de los macroporos, también impactó microporos.

ANOVA para Kc y Ksc, expresados como índices Fe/Ft

Para detectar el impacto de la labranza sobre las tasa de infiltración para flujo transitorio y flujo estacionario, representado por las tasa de infiltración inicial y final, respectivamente, se estimaron índices Fe/Ft, por considerar que la labranza tiene un efecto proporcional sobre ambos tipo de flujo, ya que durante toda la prueba de infiltración, Ft es gobernado principalmente por los cambios que produce la labranza sobre los macroporos, y Fe por estar dominado por el funcionamiento de mesoporos y microporos (Ø ≤ 1 x 10^-3), los cuales ejercen succiones en la matriz del suelo equivalentes a las tensiones del permeámetro establecidas entre -100 y -150 mm.

Del análisis de varianza (ANOVA) resultaron diferencias altamente significativas entre los promedios de los índices Fe/Ft para las estimaciones de los flujos (log I), transitorio y estacionario, que se derivaron de las mediciones realizadas a 8 cm de profundidad, en tanto que para las comparaciones entre los dos niveles (a 0 cm versus 8 cm), no hubo diferencia estadística (cuadro 4), aunque es importante mencionar que a este mismo nivel del suelo, aun cuando el efecto del laboreo estadísticamente no es significativo, las diferencias aritméticas indican que LM₀ tiene un mayor impacto en macroporos, ya que la velocidad inicial en T4-10 fue 1.3 veces mayor que NL₀ (240/180), y para esta misma tensión, la conductividad hidráulica saturada o Ksc₀ fue 1.1 veces mayor que NL₀ (150/134).

A 8 cm de profundidad, en los tratamientos de labranza sobre la conductividad hidráulica se observan diferentes efectos para cada nivel de tensión (T4 a T1) y condiciones de humedad en el suelo, de tal manera que de los valores medidos en campo de la conductividad hidráulica inicial (Kc) y final (Ksc) destaca lo siguiente (cuadro 3):

1. En T1-150, mientras que el Ft inicial en NL₈ fue de 90 cm h^-1, para LAD₈ y LM₈ las velocidades fueron de 120 y 6 cm h^-1, respectivamente; el Fe LAD₈ y LM₈ presentaron valores muy semejantes. En T2-50, mientras Ft inicial para LAD₈ y LM₈ fue 4.6 y 2.1 veces menor que NL₈, para Fe en LAD₈ y LM₈ fue 19.2 y 2.3 veces menor que la velocidad registrada para el testigo. En T3-100, mientras el Ft inicial para LAD₈ y LM₈ son 2.4 y 1.25 menores que NL₈, el Fe en LAD₈ y LM₈ fue 3.8 y 1.2 veces menor que la velocidad que alcanzó el testigo.

2. En T4-10, mientras el Ft inicial para los tratamientos de labranza NL₈, LAD₈ y LM₈, fue de 240, 120 y 160 cm h^-1, respectivamente, el Fe NL₈ presentó 174 cm h^-1, y para LAD₈ y LM₈ las velocidades presentaron valores muy cercanos entre ambos con 122 y 120 cm h^-1, respectivamente.

]]> 3. Los tiempos en que se presenta el flujo estable para las mediciones realizadas tanto en la superficie como a 8 cm de profundidad varían aproximadamente en la misma proporción en que se mueve Ksc, cuyas características son las siguientes: a) para la primera profundidad, NL₀ tiene el tiempo más corto con 29 min y el más largo, con 249 min, y corresponde a LM₀, para T1-150 para el primero, y el segundo en el cambio de T3 a T4, respectivamente; b) en la segunda profundidad, NL₈ se logra en 24 min y en los siguientes cambios, de T2 a T3 y de T3 a T4, tiene un promedio de 22 min.

Estos resultados sobre los tiempos en que se logra el flujo estable tienden a estar cerca a lo reportado por otros autores para distintos tipos de suelos. La mayor parte los establecen en rangos de 30 a 60 min (Kosak y Ahuja, 2005), aunque Dashtaki et al. (2009) reportan un máximo de 270 min; asimismo, en cuanto a las tasas de Ksc, Gómez-Tagle et al. (2008) mencionan que para un suelo arcilloso con Da = 1.3 g/g, las tasas de infiltración promedio fueron de 223.1 cm h^-1, mientras que Pikul y Aase (2003) previamente habían reportado tasas en un rango de 100 a 200 cm h^-1; más recientemente, Schwärzel et al. (2011), mediante el uso del permeámetro de disco, reportan valores semejantes de conductividad hidráulica saturada para determinar el efecto a 7.5 cm de profundidad para dos años de laboreo en diez sitios con diferentes características edáficas.

Conclusiones

Aunque los pequeños cambios en la densidad aparente (Da) no clarificaron el efecto de la labranza sobre las propiedades físicas del suelo, es evidente que las distintas tasas de infiltración tanto para flujo dinámico como para flujo estable demostraron que el manejo del suelo mediante los implementos de labranza primaria utilizados en esta investigación producen cambios importantes en el funcionamiento del sistema poroso en la capa de suelo a 8 cm de profundidad, zona de almacenamiento del agua donde el agricultor pone mayor énfasis en la preparación de la cama de raíces para sus cultivos.

Suponiendo una capa homogénea y tomando como referencia el comportamiento hidrodinámico que presenta el tratamiento testigo, se confirma que el multiarado es un implemento de labranza alternativo al uso de arado de discos, ya que tiene menos impacto sobre la estructura del suelo y el movimiento del agua a través del perfil bajo condiciones saturadas.

La técnica empleada en la presente investigación es un buen recurso para evaluar cambios inducidos por el laboreo mecánico, o por cualquier otro medio, ya que el movimiento del agua en el suelo está íntimamente relacionado con las funciones primordiales de la porosidad edáfica; en cuanto a su densidad, forma y distribución en el perfil del suelo, es un tema para seguir incursionando en este campo de la investigación científica.

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