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Ciencia del suelo

versión On-line ISSN 1850-2067

Cienc. suelo vol.26 no.1 Ciudad Autónoma de Buenos Aires ene./jul. 2008

 

TRABAJOS

Temperaturas de quema y propiedades físicas y químicas de suelos de la Región Semiárida Pampeana Central

Estela Hepper1; Ana Urioste1; Valeria Belmonte1 & Daniel Buschiazzo1,2,3

1 Fac.de Agronomía, UNLPam, CC 300, 6300 Santa Rosa,
2 INTA Anguil;
3 CONICET E-mail: hepper@agro.unlpam.edu.ar

Recibido: 22/12/07
Aceptado: 10/04/08

RESUMEN

Los fuegos controlados y naturales son frecuentes en el Caldenal, en la Región Semiárida Pampeana Central, y sus efectos sobre propiedades físicas y químicas de los suelos son poco conocidos. El objetivo de este trabajo fue detectar las temperaturas de quema que producen cambios en algunas propiedades físicas y químicas del suelo en el Caldenal. Dos Haplustoles énticos, uno franco arenoso y otro franco fueron calentados durante 5 minutos a 100 ºC, 200 ºC, 300 ºC, 400 ºC, 500 ºC y 600 ºC. Sobre las muestras de suelo sin tratar y las sometidas a las diferentes temperaturas se determinó pH en agua, textura, carbono orgánico, nitrógeno total, cationes intercambiables y capacidad de intercambio catiónico. Las temperaturas de quema a las que se produjeron mayores modificaciones fueron 500 ºC y 600 °C, detectándose disminuciones del contenido de carbono orgánico, nitrógeno total, de la relación de ambos, de la capacidad de intercambio catiónico y la transformación del suelo franco en franco arenoso y del franco arenoso en arenoso franco. Los contenidos de potasio y sodio intercambiables aumentaron a partir de 300 ºC y 400 ºC según el suelo, mientras que en ambos el contenido de magnesio disminuyó a partir de 400 ºC y el de calcio no fue afectado a ninguna temperatura. A menores temperaturas, 200 ºC y 300 ºC, sólo se afectaron las proporciones de las fracciones de arena. Como consecuencia de una quema a altas temperaturas disminuirá la capacidad de retención de agua y de nutrientes de estos suelos, con la consecuente pérdida de fertilidad.

Palabras clave. Temperatura del suelo; Carbono orgánico; Nitrógeno total; Textura; Capacidad de intercambio catiónico.

Impact of different burning temperatures on the physical and chemical properties of Central Semiarid Pampa soils

ABSTRACT

The natural and controlled burns are very frequent in the Caldenal area, located in the Central Semiarid Pampean Region, and the effects they produce on the physical and chemical properties of the soils are not well-known. The aim of this study was to find out the burning temperatures that produce changes in soil physical and chemical properties in the Caldenal area. Two Entic Haplustolls (loam and sandy loam), were heated during 5 minutes at 100 ºC, 200 ºC, 300 ºC, 400 ºC, 500 ºC and 600 ºC. Ph in water, texture, organic carbon, total nitrogen, exchangeable cations and cation exchange capacity were determined on soil samples that received heat and on untreated controls. The 500 and 600 ºC burning temperatures produced more changes, decreasing the organic carbon contents, total nitrogen, the OC/Nt ratio, the cation exchange capacity and causing the transformation of the loam soil into sandy loam and of the sandy loam into loamy sand soil. The exchangeable potassium and sodium contents increased with burning temperatures of 300 ºC and 400 ºC and greater, depending on the soil, but in both of them the magnesium content decreased from 400 ºC and greater, and the calcium content was not affected by high temperatures. At lower temperatures, such as 200 ºC and 300 ºC, only the proportions of sand fractions changed.
As a consequence of burning with high temperatures, the water and nutrient retention capacity of the Caldenal area soils will decrease, concomitantly with the fertility.

Key words. Soil temperature; Organic carbon; Total nitrogen; Texture; Cation exchange capacity.

INTRODUCCIÓN

El fuego está presente naturalmente en la mayoría de los ecosistemas modelando su estructura y permitiendo mantener su diversidad y estabilidad (Wright & Bailey, 1982). El Caldenal es una formación boscosa que se encuentra en la Región Central Semiárida de la Argentina, en este área son frecuentes los fuegos ya sea en ocurrencias naturales o en quemas controladas por el hombre y es poco conocido su efecto sobre las propiedades físicas y químicas de los suelos.

Estudios realizados en diferentes ecosistemas del mundo demuestran que el efecto del fuego sobre el suelo es variable, dependiendo de su severidad, de la calidad y grado de incorporación de las cenizas, y de la frecuencia de quemas. Entre las modificaciones químicas se mencionan cambios en los contenidos de nutrientes esenciales para la sustentabilidad a largo plazo de la producción forestal. Smith et al. (2001) indican incrementos en la concentración de fósforo total y de calcio total debido a una reducción física de las capas superficiales del suelo, mientras que atribuyen la disminución de nitrógeno total y carbono total a la volatilización de los mismos. Arocena & Opio (2003) encontraron aumentos de pH y de calcio, magnesio, potasio y sodio intercambiables, mientras que no detectaron cambios en el contenido de nitrógeno total y disponible. Las pérdidas de nutrientes en suelos afectados por el fuego podrían deberse a volatilización, lavado, arrastre de las cenizas por corrientes de convección durante la quema o por erosión eólica posterior a las mismas (Giardina et al., 2000); mientras que el enriquecimiento se puede atribuir a la mineralización de la materia orgánica del suelo y de la ceniza dejada por la biomasa aérea (Albanesi & Anriquez, 2003). Entre los cambios físicos se han reportado disminución de la fracción arcilla (Hubbert et al., 2006) lo que sumado a disminuciones en el contenido de compuestos orgánicos puede afectar la microagregación y conducir a la degradación de la microestructura del suelo (Andreu et al., 2001). Ketterings et al. (2000), en experiencias a campo, encontraron un drástico aumento del contenido de arena, disminución de limo y principalmente de arcilla, cuando el suelo fue expuesto a temperaturas extremas (mayores a 600 ºC) y a bajas temperaturas encontraron un aumento de la fracción arena en los primeros 5 cm del perfil. En suelos de la Región Semiárida Pampeana Argentina que han recibido aportes de ceniza volcánica, predominan los minerales amorfos y esmectitas. En estos suelos, la capacidad de intercambio catiónico aumenta principalmente con el contenido de la fracción arcilla (Hepper et al., 2006) por lo que la quema del suelo a altas temperaturas, al ocasionar disminuciones de la fracción arcilla, podría disminuir la capacidad de intercambio catiónico y, en consecuencia, afectar la fertilidad de los suelos. Asimismo Buschiazzo et al. (1991) encontraron que suelos de esta región con altos contenidos de fracciones arcilla y limo tienen asociados altos contenidos de materia orgánica, atribuible a la formación de complejos organominerales. La pérdida de materia orgánica por efecto del fuego podría destruir estos complejos, lo que produciría efectos no deseados sobre el suelo, como la disminución de la estabilidad estructural, parámetro directamente relacionado con la susceptibilidad a erosionarse.

Debido a la multiplicidad de factores que pueden afectar a las propiedades del suelo sometido a una quema, la interpretación de los efectos producidos a campo es difícil si no se tiene conocimiento de cada uno individualmente, por ello en este trabajo se pretende estudiar el impacto térmico dado por las temperaturas máximas que podría alcanzar un suelo durante un determinado tiempo de exposición a dichas temperaturas. Las temperaturas máximas cuando se queman combustibles finos no superan los 100 a 200 ºC en la superficie del suelo, mientras que para combustibles gruesos, las temperaturas pueden superar los 1.000 ºC (Kunst & Bravo, 2003). En quemas experimentales en el Caldenal, Peláez (1995) registró temperaturas máximas entre 500-600 ºC cuando la paja fue el combustible fino predominante, mientras que Bóo et al. (1996) detectaron que el tiempo de permanencia a altas temperaturas fue de pocos minutos. La combinación de temperatura máxima y tiempo de exposición producirán un impacto térmico sobre el suelo que además dependerá del contenido de humedad del mismo y de factores intrínsecos como la textura, los que condicionan la transmisión del calor en el cuerpo del suelo.

Se planteó como objetivo de este trabajo detectar qué temperaturas de quema producirán cambios en la textura y en la capacidad de intercambio catiónico, así como en los contenidos de cationes intercambiables, carbono orgánico y nitrógeno total en suelos de la Región Semiárida Pampeana Central.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se muestrearon dos suelos en dos sitios del ecosistema del Caldenal, clasificados como Haplustoles énticos: un suelo franco (36º 15' lat. S y 65º 1' long. O) y otro franco arenoso (36º 35' lat. S y 64º 49' long. O). En ambos sitios de muestreo la especie vegetal dominante era Stipa ichu, con presencia de caldén (Prosopis caldenia) y piquillín (Condalia microphyla).

En cada sitio se tomaron 5 muestras de suelo al azar de los primeros 5 cm del perfil en un área de 100 m2. Una masa de 100 g de cada muestra, seca al aire y tamizada por 2 mm, se colocó en una cápsula de porcelana de 10 cm de diámetro y la altura de suelo fue de 2,5 cm. Se calentó a 100 ºC, 200 ºC, 300 ºC, 400 ºC, 500 ºC y 600 ºC en mufla, manteniendo durante 5 minutos la temperatura máxima.

Sobre las muestras de suelo sin tratar (testigo) y las sometidas a diferentes temperaturas se determinó pH en agua (relación 1:2,5) por potenciometría, granulometría por el método de la pipeta de Robinson (Schlichting et al., 1995) y tamizado en húmedo luego de destruir materia orgánica con H2O2 y sin dispersar la muestra, separándose las siguientes fracciones: arcilla (<2 μm), limo (2-50 μm), arena muy fina II (50-74 μm), arena muy fina I (74-100 μm), arena fina (100-250 μm), arena media (250-500 μm) y arena gruesa (500-2.000 μm). Se determinó carbono orgánico (CO) por el método de oxidación húmeda de Walkley & Black (1934), nitrógeno total (Nt) por Kjeldahl semimicro (Bremner & Mulvaney, 1982), cationes intercambiables (Ca2+, Mg2+, K+ y Na+) y capacidad de intercambio catiónico (CIC) por extracción con solución de acetato de amonio 1 mol dm-3 a pH 7,2 y posterior determinación de Ca2+ y Mg2+ en el extracto por absorción atómica y K+ y Na+ por fotometría de llama.

Para el análisis estadístico de los datos se utilizó el programa InfoStat/Profesional versión 2007 (Universidad Nacional de Córdoba Estadística y Biometría F.C.A., 2007). El efecto de la temperatura sobre los contenidos de Nt, CO y pH se analizó por medio del test no paramétrico de Kruskal-Wallis (Kruskal & Wallis, 1952) debido al no cumplimiento de los supuestos del ANVA. Para comparar el testigo y cada temperatura de calcinación se utilizaron contrastes no paramétricos. Las demás variables edáficas estudiadas se analizaron por ANVA y el test DGC (Di Rienzo et al., 2002).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Figura 1 se presentan los contenidos iniciales de Nt y de CO y la relación CO/Nt en ambos suelos, esta relación presentó valores dentro del rango promedio para suelos de la Región Semiárida Pampeana (Álvarez & Steinbach, 2006). Los contenidos de CO en ambos suelos y de Nt en el suelo franco disminuyeron significativamente (p<0,05) a partir de la exposición a 500 ºC mientras que el contenido de Nt del suelo franco arenoso presentó una reducción a 600 ºC. Las pérdidas en los contenidos de CO y Nt se producirían por combustión de la materia orgánica del suelo y volatilización de los compuestos nitrogenados (Smith et al., 2001). Por otra parte la disminución de la relación CO/Nt a partir de la exposición de ambos suelos a 400 °C, indica que las pérdidas de CO fueron mayores que las de Nt. A altas temperaturas la materia orgánica presenta mayor grado de descomposición aumentando las formas de nitrógeno orgánico no hidrolizables y por lo tanto menos mineralizable (Walker et al., 1986). La energía calórica que se libera durante la quema del suelo ejerce un efecto similar al de la degradación biológica de la materia orgánica, la diferencia radica en la velocidad de dichos procesos (García Oliva et al., 1999). En el suelo franco se produjo un aumento estadísticamente significativo (p<0,05) de la relación CO/Nt a 200 °C aunque no se detectan cambios en los contenidos de CO y Nt, esto indicaría que a esa temperatura se producirían pérdidas de compuestos nitrogenados por volatilización no así de compuestos carbonados.



Figura 1. Cambios en los contenidos de carbono orgánico (CO), nitrógeno total (Nt) y en la relación CO/Nt de los suelos en función de la temperatura a la que fueron calentados durante 5 min. En cada uno de los suelos, para una misma variable, "*" indica diferencias significativas (p< 0,05) entre la media de rango de KrusKal - Wallis del testigo (S/C) y cada una de las restantes.
Figure 1. Changes in the organic carbon contents (CO), total nitrogen (Nt) and the CO/Nt ratio corresponding to each 5-min temperature treatment. In every soil, within the same variable, "*" shows significant differences (p< 0.05) between the KrusKal- Wallis test average ranks and the untreated soil for each temperature.

Ambos suelos difieren texturalmente debido principalmente al contenido mayor de limo y menor de las fracciones arena muy fina I y muy fina II del suelo franco. En la Tabla 1 se puede observar que en el suelo más fino se produjeron disminuciones de arcilla y limo, y aumentos de las fracciones arena fina, media y gruesa a partir de los 500 ºC que lo transformaron en franco arenoso. Estas altas temperaturas producirían la descomposición térmica de las arcillas predominantes en estos suelos, liberándose compuestos amorfos de silicio y aluminio que actuarían como cementantes de partículas, aumentando las fracciones de arena (Ulery & Graham, 1993). La menor temperatura a la que se detectan cambios en las fracciones granulométricas es 300 °C. A esa temperatura disminuyó la proporción de arena muy fina II aumentando simultáneamente la de arena muy fina I y arcilla. En el suelo franco arenoso disminuyó la proporción de arena muy fina II y de arena gruesa a partir de 200 ºC, aumentando la proporción de arena muy fina I y media. La disminución de arena gruesa puede ser atribuida a la ruptura de los feldespatos por acción del calor (Arocena & Opio, 2003) formándose partículas del tamaño menor como lo evidencia el aumento, a la misma temperatura, de la arena media. La fracción arcilla disminuyó a partir de 400 ºC, mientras que el limo fue la fracción más estable térmicamente. Los cambios producidos en la proporción de fracciones granulométricas en el suelo franco arenoso a partir de la exposición a 500 ºC determinan que sea clasificado como arenoso franco.

Tabla 1. Efecto del calor sobre la distribución granulométrica de los suelos estudiados. Los datos son promedios de 5 repeticiones.
Table 1. Heat effects on the particle size distribution of the studied soils. Mean values of five samples per treatment.

El suelo franco arenoso parece ser más sensible a la exposición al calor, ya que ocurren cambios, en particular en sus fracciones arena, a partir de los 200 ºC. En los dos suelos las fracciones arena muy fina I y II presentaron la mayor dinámica, debido a que recibieron el aporte de fracciones menores a la vez que el calor produjo disminución de la arena muy fina II por cementación.

El suelo franco presentó mayor contenido de cationes intercambiables y de CIC (Tabla 2). La CIC disminuyó significativamente (p<0,05) en el suelo franco arenoso a partir de 400 ºC, coincidentemente con las disminuciones de la fracción arcilla, y a partir de 500 ºC en el suelo franco, coincidiendo con las disminuciones de limo y arcilla. La disminución de la CIC se asocia en ambos suelos a las disminuciones de las fracciones texturales más finas, particularmente limo y arcilla, las cuales aportan la mayor cantidad de sitios de intercambio en estos suelos (Hepper et al., 2006).

Tabla 2. Cationes intercambiables, capacidad de intercambio catiónico y pH en H2O de dos suelos calentados 5 min a diferentes temperaturas.
Table 2. Exchangeable cations, cation exchange capacity and pH in H2O of two soils heated during 5 min at different temperatures.

La suma de bases intercambiables no presentó variaciones con la temperatura, pero sí la proporción de cationes (Tabla 2). Los contenidos de K+ y los de Na+, aumentaron a partir de los 300 ºC en el suelo franco arenoso y de los 400 ºC en el franco. Este cambio podría ser producto de la destrucción térmica de feldespatos de Na+, los menos estables entre los feldespatos (Huang, 1977). El aumento en el contenido de estos cationes fue acompañado por aumentos significativos de pH a partir de 500 ºC en ambos suelos. Los contenidos de Mg2+ disminuyeron significativamente a partir de los 400 ºC en ambos suelos y los de Ca2+ no fueron afectados por el calor. Estos resultados coinciden con los de Sertsu & Sánchez (1978) quienes atribuyeron las disminuciones de magnesio de un Ultisol a la formación de carbonato y óxidos de este elemento. De estos resultados se puede observar en general que el efecto del calor sobre los cationes intercambiables fue independiente de los contenidos iniciales y de la composición textural del suelo.

CONCLUSIONES

El calor desarrollado durante una quema prescripta no produciría modificaciones en los contenidos de nutrientes del suelo mineral, siempre que se realicen en condiciones que impidan el desarrollo de temperaturas de 400 °C o superiores en la superficie del suelo. Cuando la temperatura de quema alcanza 400 °C aumenta el contenido de sodio y de potasio y disminuye el de magnesio intercambiable. Asimismo, la exposición de estos suelos a temperaturas de 500 ºC o superiores produce disminuciones drásticas de la capacidad de intercambio catiónico, asociadas a las disminuciones en la proporción de arcilla y materia orgánica, y en consecuencia disminuirá la capacidad de retención de agua y de nutrientes, los que serán más susceptibles de ser lavados de la capa superficial después de una quema con la consecuente pérdida de fertilidad de estos suelos.

La exposición de estos suelos a temperaturas de 200ºC y 300 ºC sólo afectará las proporciones de las fracciones de arena especialmente en el suelo franco arenoso; mientras que a 500 °C se producirá la transformación del suelo franco en franco arenoso y del franco arenoso en arenoso franco. Debido a la fragilidad de estos suelos de clima semiárido, los cambios texturales pueden tener consecuencias a largo plazo sobre la fertilidad física de los mismos.

AGRADECIMIENTOS

Deseamos agradecer a la Facultad de Agronomía de la Universidad Nacional de La Pampa (Proyecto Nº I-35/04) por la financiación de este estudio.

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