A dynamic penetrometer for measuring mechanical resistance in forest soils
Irma Vásquez García1; Armando Gómez Guerrero1; Alejandro Velázquez Martínez 1¶; Arnulfo Aldrete 1; Aurelio M. Fierros–González2.
1 Programa Forestal. Colegio de Postgraduados. km 36.5, Carretera México–Texcoco, Montecillo, Estado de México. C. P. 56230. (¶Autor para correspondencia).
2 Comisión Nacional Forestal. Periférico Poniente 5360. Zapopan, Jalisco. C. P. 45019. MÉXICO.
]]> Recibido: 7 de abril, 2010
RESUMEN
Se diseñó un penetrómetro cónico de impacto para evaluar la resistencia mecánica de los suelos forestales. El equipo diseñado es ligero ya que sólo pesa 4.1 kg, preciso porque se validó en campo y laboratorio, portátil porque desensamblado se puede cargar en el chaleco de un operador de campo, y práctico porque la capacitación para su uso es sencilla y es adecuado para trabajos de inventarios forestales y de suelo. Los resultados mostraron que el uso del prototipo es viable en diferentes ecosistemas, ya que detectó el perfil de resistencia mecánica del suelo superficial en bosque de pino, bosque de encino y vegetación de matorral. En laboratorio se prepararon muestras de diferente densidad aparente y contenido de humedad para probar la sensibilidad del penetrómetro. El equipo diseñado es sensible a los cambios de resistencia mecánica a densidades bajas (0.6–1.0 Mgm–3), que son comunes en los suelos forestales y cambios de humedad del suelo (5–25 %). Con la validación del protocolo se encontró que una serie de 10 impactos genera un dato confiable sobre la resistencia mecánica del suelo superficial.
Palabras clave: Resistencia mecánica, penetrómetro dinámico, física de suelos, densidad aparente, suelos forestales.
ABSTRACT
A dynamic cone penetrometer (DCP) was designed for measuring soil penetration resistance in forest soils. The designed DCP is lightweight as it weighs only 4.1 kg, accurate because it was validated in field and laboratory testing, portable because disassembled it fits into a cruising vest, and practical because it is very easy to use. It is suitable for forest and soil inventory work. Test results showed that use of the designed prototype is practical in different ecosystems, as it was used to detect the mechanical resistance profile of surface soil in pine and oak forests and shrubland. Soil samples with different bulk density and moisture content were prepared in the laboratory to test the sensitivity of the penetrometer. The designed DCP is sensitive to changes in soil penetration resistance at low bulk densities (0.6–1.0 Mgm–3), which are common in forest soils, and changes in soil moisture (5–25 %). With the validation protocol for its use, it was found that ten successive blows are enough to generate reliable data on the mechanical resistance of the surface soil.
Key words: Mechanical resistance, dynamic penetrometer, soil physics, bulk density, forest soils.
]]>INTRODUCCIÓN
La caracterización de la condición física del suelo es importante porque permite conocer el entorno biofísico en el que se desarrollan las raíces de las plantas (Batey, 2009) y este conocimiento es la base de la sustentabilidad de los sistemas productivos (Jabro et al., 2006). Una variable importante para describir la condición física del suelo es la resistencia mecánica. Existen diversos procedimientos de laboratorio y campo para medir la resistencia mecánica del suelo, pero el más utilizado es la medición directa en campo mediante un implemento llamado penetrómetro cónico (Herrick y Jones, 2002). Un penetrómetro cónico o probador de resistencia es un equipo que mide la resistencia que opone el suelo al paso de una punta cónica con área de la base y ángulo de punta estandarizada (ASAE, 1998). En general, se conocen dos tipos de penetrómetros, los estáticos y los dinámicos. Los primeros miden la resistencia del suelo con un desplazamiento del cono a una velocidad constante. por lo que generalmente se construyen con dispositivos motorizados para mantener una velocidad constante. Los segundos se basan en la energía lograda por el impacto de un martillo como resultado de su caída libre a una altura determinada (Bengough et al., 2001; Vanags et al., 2004). Los probadores de resistencia estáticos son más sofisticados y costosos porque requieren de una velocidad constante de avance en el suelo, y cuando los prototipos son menos sofisticados la velocidad de penetración depende de la habilidad del operador, generando datos de baja repetitividad (Fritton, 1990). Los penetrómetros dinámicos son baratos, y con un manejo adecuado generan datos reproducibles, ya que la energía empleada no depende del operador sino de la altura de caída, peso del martillo y la fuerza de gravedad (Klvac et al., 2010; Herrick y Jones, 2002).
La idea de desarrollar un indicador de resistencia mecánica del suelo comenzó con los primeros estudios en los que se estimó la energía requerida para introducir un muestreador de suelo a una profundidad dada. Incluso se tenía la idea de desarrollar equipos que al mismo tiempo que midieran resistencia, tomaran muestras para densidad aparente (Herrick y Jones, 2002). El penetrómetro dinámico se ha usado principalmente en el campo de la ingeniería civil para caracterizar la resistencia mecánica de pavimentos y cimentaciones (Klvac et al., 2010). Sin embargo, los penetrómetros usados en este campo y en la agricultura son generalmente pesados, ya que sólo el peso del martillo llega a ser de 9 kg. Esto implicaría una dificultad de desplazamiento con el equipo si se usara en zonas forestales. Se han propuesto penetrómetros con martillos de 2 kg para suelos agrícolas y con dimensiones estandarizadas de la punta cónica (Herrick y Jones, 2002; Vanags et al., 2004). Meshalkina et. al. (1995) propusieron un equipo de bolsillo con martillo de 50 g y de punta plana para explorar los primeros 5 cm del suelo, pero la limitación en la profundidad explorada y la falta de una punta cónica estandarizada dificultan la comparación de mediciones con otros equipos. No hay reportes en la literatura en los que explícitamente se propongan y se validen penetrómetros para suelos forestales. Por lo tanto, el objetivo de este proyecto fue diseñar un penetrómetro dinámico para suelos forestales, que fuera ligero, de fácil transporte y que contara con un proceso de validación en campo y laboratorio. El equipo puede ser de utilidad tanto en proyectos individuales como en estrategias nacionales, por ejemplo para complementar la información del Inventario Nacional Forestal y de Suelos de la Comisión Nacional Forestal (CONAFOR).
MATERIALES Y MÉTODOS
Diseño del penetrómetro
Para la construcción del penetrómetro se partió de la experiencia de Herrick y Jones (2002), quienes probaron un diseño para suelos agrícolas. El prototipo diseñado en el presente trabajo partió de las siguientes necesidades identificadas: 1) Se requiere de un implemento para uso en suelos forestales; 2) las especificaciones de una punta cónica reemplazable deberán tener dimensiones estandarizadas y reconocidas internacionalmente, en este caso, cono con ángulo de 30° y diámetro de base de 12.83 mm (ASAE, 1996); 3) el peso del martillo podría reducirse, pero a su vez ampliar la altura de caída hasta 100 cm para incrementar la energía por impacto; 4) por los requerimientos de portabilidad se necesita un implemento de fácil ensamblaje y con segmentos que se puedan guardar en un chaleco de campo; 5) por la topografía irregular de los suelos forestales, es indispensable la adaptación de un tripié con nivel de burbuja para mantener la verticalidad del penetrómetro; 6) el implemento propuesto debe ser preciso y confiable, por lo que se requieren evidencias de su validación en campo y laboratorio.
Con las consideraciones señaladas, el prototipo final (Figura 1), consistió en seis segmentos ensamblables de acero inoxidable de 45 cm de largo y 1.1 cm de diámetro. Los seis segmentos del vástago pesan 1,855 g. El peso del martillo es de 724.9 g, de forma cilíndrica con 4.3 x 6.3 cm de diámetro y altura, respectivamente. La punta cónica con estándares de la ASAE, se une al vástago a través de una rosca haciendo fácil el cambio de punta. Con la energía que producen los impactos del martillo, se estima la resistencia del suelo en unidades de energía por unidad lineal o energía por unidad de área, como lo indican Herrick y Jones (2002) y Vanags et al. (2004).
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Ensayo de campo
Con la finalidad de conocer su operatividad, el penetrómetro se probó en diferentes tipos de vegetación y de suelo. La Figura 2 muestra la ubicación de sitios donde se probó el implemento. La experiencia práctica indicó que una serie de 10 impactos da lugar a un indicador de resistencia del suelo, y el promedio de 10 estaciones separadas a tres metros en un transecto puede usarse para estimar la resistencia del suelo asociada a un sitio dado. Es decir, se sugieren 100 impactos por sitio para generar un indicador de resistencia. Paralelamente, se tomaron muestras para densidad aparente, con la finalidad de conocer el espectro de condiciones físicas de los suelos donde se realizaron las pruebas.
Evolución de la energía en diez impactos
Se colectó suelo superficial (15 cm) de tres tipos de vegetación contrastante de los sitios visitados en el ensayo de campo, sitios tres, cuatro y nueve que corresponden a Bosque de Encino, Matorral y Bosque de Pino. De acuerdo al INEGI, los suelos en los puntos muestreados corresponden Calcisol lúvico, Leptosol rendzídico y Feozem háplico. Las muestras se secaron a temperatura ambiente y se tamizaron a 4 mm para preservar los agregados. El suelo se colocó en recipientes de PVC de 11 cm de diámetro y 30 cm de altura, y se llevaron a una humedad del 30 % con respecto a su masa. Posteriormente, se probó el penetrómetro diseñado aplicando una serie de 10 impactos, con la finalidad de conocer la sensibilidad del penetrómetro a los diferentes tipos de suelo y bajo un mismo contenido de humedad. Es decir, se eliminó el efecto por contenido de humedad del suelo, y la aplicación de energía fue la misma para cada suelo. Las características generales de los suelos utilizados en este estudio se muestran en el Cuadro 1.
Ensayo de laboratorio con suelo de un Andosol
Para conocer la sensibilidad del penetrómetro bajo diferentes combinaciones de humedad y de densidad aparente, se planeó un experimento factorial de tres niveles de densidades aparentes, tres niveles de humedad y con tres repeticiones. El suelo seco se pasó por un tamiz de 4 mm y se colocó en recipientes de PVC 30 cm x 11 cm creando tres niveles de densidad aparente, 0.64, 0.80 y 1.0 Mg· m–3. Las últimas dos densidades se lograron compactando el suelo. Las muestras se llevaron a saturación y posteriormente se dejaron secar hasta alcanzar los siguientes contenidos de humedad respecto a la masa: 25, 15 y 5 %. Para facilitar el drenaje, la parte inferior del recipiente de PVC se hizo de malla de 1 mm y en acero inoxidable. Este experimento permitió medir la sensibilidad del penetrómetro a diferentes intervalos de humedades y densidades aparentes típicas en suelos forestales. Alcanzadas las humedades deseadas, se probó el penetrómetro en las muestras aplicando una serie de 10 impactos como indicador de resistencia del suelo. El suelo utilizado en esta prueba, se colectó de la parte superficial de un Andosol mólico que sustenta bosques de Pinuspatula Schiede ex Schlechtendal & Chamisso de alta productividad forestal (Cuadro 1). El lugar donde se tomó la muestra es Aquixtla, Puebla, cuyas coordenadas geográficas son 19° 42' 42" y 19° 51' 54" de latitud Norte y 97° 49' 36" y 97° 54' 06" de longitud Oeste.
]]> RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Ensayo de campo
Excepto por los lugares de extrema rocosidad superficial que se presentó en el sitio 10, el prototipo propuesto mostró factibilidad de su uso en suelos forestales. Las densidades aparentes en los suelos donde se probó el penetrómetro van de 0.3 Mg·m–3 en vegetación de selva, hasta 1.1 y 1.2 Mg·m–3 en matorral espinoso y bosques de encino, respectivamente (Figura 3).
La resistencia mecánica y densidad aparente presentaron una correlación baja (R=0.48), lo cual se explica porque los suelos en campo se encontraban con diferente contenido de humedad lo que dificulta las correlaciones altas entre propiedades físicas del suelo (Utset y Cid, 2001). Sin embargo, los resultados indicaron que el penetrómetro diseñado en general registra mayores valores de resistencia mecánica al aumentar la densidad aparente, y por lo tanto es sensible para detectar diferencias en la resistencia mecánica del suelo en diferentes tipos de suelos. La variación de resistencia observada en los suelos de prueba varió de 5 a 15 J·cm–1, es decir, hubo una variación en una magnitud de tres, similar a la magnitud de variación de la densidad aparente. Debido a la alta actividad biológica y contenido de materia orgánica, los primeros horizontes del suelo en ecosistemas forestales presentan densidades aparentes menores o igual a 1 Mg·m–3 (Fisher y Blinkley, 2000). La baja resistencia mecánica en suelos forestales obliga al uso de equipo sensible. Sterber et al. (2007) encontraron que los protocolos usados en el Inventario Forestal de los Estado Unidos, frecuentemente no detectan perturbaciones al suelo a menos que se consideren las mediciones de resistencia mecánica del suelo con un penetrómetro de bolsillo. Por lo tanto los cambios en resistencia mecánica de la Figura 3 muestran la viabilidad del penetrómetro construido para suelos forestales.
Evolución de la energía en diez impactos
Con una serie de 10 impactos se detectó la diferencia en resistencia de los tres tipos de suelo (Figura 4). Esta prueba indicó una densidad de energía y resistencia diferente para cada uno de ellos. El orden de resistencia a 30 % de contenido de humedad es: Suelo de Matorral, Suelo de Bosque de Encino y Suelo de Bosque de Pino, respectivamente. Este resultado corrobora la sensibilidad del equipo con diferentes tipos de suelo y la confiabilidad que se puede tener en una medición de resistencia basada en una serie de diez impactos. Con un contenido de 30 % de humedad ningún suelo presenta resistencia superior a 1.5 MPa, lo que indica condiciones aceptables para el crecimiento de la raíz. Este resultado se explica por qué la humedad a la que se hicieron las pruebas está dentro del intervalo de humedad aprovechable (Cuadro 1). Sin embargo, con humedades relativamente menores al 15 %, algunos suelos forestales pueden alcanzar resistencia de 2.0 MPa (Ley et al., 1995).
Ensayo de laboratorio con suelo de un Andosol
Se observó que hay un cambio drástico en la resistencia del suelo cuando la humedad disminuye de 25 a 15 %. Analizando los resultados por densidad del suelo, es evidente que independientemente de la humedad, la resistencia es baja con densidades de 0.64 Mg·m–3. Dado que esta es la condición natural del suelo, esta densidad baja explica indirectamente la alta productividad de estos suelos forestales. Por otro lado, incrementando la densidad a 1.0 Mg·m–3 la resistencia se incrementa de 30 a 390 J·cm–1, cuando la humedad es del 5 %. Es decir, el incremento es mayor a 900 % cuando se incrementa la densidad del suelo en 40 % (de 0.64 a 1.0) y la humedad es del 5 %. Esto también muestra que hay la suficiente sensibilidad del penetrómetro para evaluar la resistencia del suelo bajo diferentes condiciones físicas. Este resultado es relevante porque las mediciones del penetrómetro cónico están altamente correlacionadas con las regiones morfológicas de los horizontes del suelo. Rooney y Lowery (2000) demostraron que es posible inferir las zonas de acumulación de arcilla de los horizontes Bt con mediciones de resistencia mecánica. Por lo anterior, dada la sensibilidad del penetrómetro diseñado, se podrían también detectar cambios en resistencia mecánica debidos a cambios en los horizontes morfológicos del perfil del suelo, generando así información complementaria del suelo.
]]> Considerando el propio peso del penetrómetro y realizando los cálculos de resistencia en MPa para una profundidad determinada, las densidades de 0.8 y 1.0 rebasaron los 2.5 MPa en los primeros siete centímetros de suelo, aun cuando la humedad del suelo era de 20 % (Figura 5). En la literatura se reconoce que 2.0 MPa ya es un valor crítico para crecimiento (Fisher y Binkley, 2000). Este resultado es muy importante porque indica que cuando se degrada físicamente este suelo y su densidad se incrementa de 0.64 a 0.8 Mg·m–3 (25 % de incremento), el medio físico del suelo no es apto para el crecimiento normal de la raíz, aun cuando la humedad sea del 25 %. La magnitud de los cambios físicos encontrados en este trabajo lleva a pensar que en gran medida, y muy probablemente, los programas de reforestación en suelos similares de México, están fracasando por no considerar la resistencia del suelo, ello aunado a otros factores. La relación estrecha entre resistencia mecánica, textura, potencial de agua y límites biológicos para el crecimiento de la raíz en suelos forestales es discutida por Gómez et al. (2002). Un aspecto importante es que bajo condiciones de densidad baja y humedad de 25 %, los primeros dos impactos alcanzan una profundidad de 10 cm, lo que indica la alta vulnerabilidad de deterioro del suelo si se permite el tráfico de vehículos o maquinaria para aprovechamiento forestal bajo estas condiciones de humedad. La resistencia medida en suelo estudiado (Andosol mólico) a baja humedad y alta densidad alcanzó valores de hasta 9 MPa, que son comparables a los encontrados en pastizales tropicales de México después de dos décadas de uso pecuario (Geissen et al., 2009). Los Andosoles de Chile muestran resistencias de 6 MPa después de 150 años de cambio de uso del suelo de forestal a pecuario (Bachman et al., 2006).
Análisis de varianza del experimento factorial
La variación de la resistencia mecánica del suelo expresada como energía por unidad lineal o energía por unidad de área, se explican satisfactoriamente con el modelo completo incluyendo los niveles de humedad y densidad aparente (P = 0.001). Hay alta correlación (0.99) entre los dos indicadores de resistencia, por lo que el análisis de varianza de esas variables genera los mismos resultados, y por esa razón sólo se muestra un análisis. La significancia de los factores estudiados y su interacción se muestran en el Cuadro 2. Tanto la humedad como la densidad del suelo fueron significativas estadísticamente. La alta significancia de la interacción indica que la respuesta en resistencia mecánica para un mismo nivel de densidad aparente dependió del contenido de humedad.
Los resultados indican que el Andosol tiene características particularmente sensibles a deterioro físico. Si ocurre compactación en este suelo, las condiciones del mismo generan resistencia superior a los límites biológicos para el crecimiento de raíz (Parker, 2007). La condición más crítica sería con 1.00 Mg·m–3 de densidad y 5 % de humedad, y estas condiciones se pueden presentar en sitios sin arbolado y expuestos al tráfico de ganado, vehículos o personas inclusive. Generalmente se asume que las especies forestales pueden crecer en condiciones adversas de resistencia mecánica, pero este estudio indica que aun con densidades bajas como 0.8 Mg·m–3, un suelo como el estudiado incrementa su resistencia hasta en un 900 % cuando disminuye la humedad. Por la razón anterior, es importante no asumir que los cambios mínimos en las condiciones del suelo no afectarán el crecimiento de las especies forestales, o que la respuesta de las especies forestales será similar a la de cultivos agrícolas donde el abastecimiento de agua y nutrientes está generalmente garantizado (Gómez et al., 2002).
En resumen, los resultados de este estudio validan un protocolo de uso de un penetrómetro dinámico para suelos forestales, con las especificaciones propuestas en este trabajo. Se observó que las lecturas, independientemente de la resistencia mecánica, se logran a los 10 impactos. El uso del tripié facilita la verticalidad del penetrómetro y genera mediciones repetibles y precisas, las cuales varían en función del suelo y sus condiciones de humedad y densidad aparente.
CONCLUSIONES
1) Fue posible proponer un prototipo de penetrómetro para su uso en suelos forestales (Patente en trámite).
]]> 2) Los resultados muestran que el prototipo es de aplicación práctica en suelos de diferentes ecosistemas. Además, fue sensible a los cambios de resistencia mecánica a densidades bajas (0.6–1.0 Mg·m–3) y cambios de humedad del suelo (5–25 %).3) Con la validación del protocolo se encontró que una serie de 10 impactos genera un dato confiable sobre la resistencia mecánica del suelo superficial.
4) El diseño del equipo tiene la ventaja de ser ligero, ya que sólo pesa 2.579 kg, preciso porque se validó estadísticamente su precisión, portátil porque desensamblado se puede cargar en el chaleco de un operador de campo y práctico porque la capacitación para su uso es sencilla.
5) El equipo es viable en trabajos de inventarios forestales y de suelo, como el contemplado por la Comisión Nacional Forestal. Por lo tanto, es conveniente generar más información experimental con el equipo diseñado considerando otros suelos de relevancia forestal.
AGRADECIMIENTOS
A la Comisión Nacional Forestal (CONAFOR) por el apoyo al presente estudio que es parte del proyecto "Desarrollo y validación de indicadores para el monitoreo de la salud de los bosques de México".
LITERATURA CITADA
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