CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES: COMUNICACIONES

Penetrómetro para el estudio de costras de suelo en laboratorio^*

Penetrometer for soil crust laboratory study^*

Denoia, Julio^**; Giubileo, Graciela^**.

*) Artículo que expone un desarrollo tecnológico realizado para la Tesis de Maestría en Manejo y Conservación de Recursos Naturales, Universidad Nacional de Rosario; recibido en marzo 2008 y aceptado en setiembre 2008.
**) Facultad de Ciencias Agrarias, Universidad Nacional de Rosario, Zavalla, Argentina. solum@knett.com.ar

Resumen: Se diseñó un penetrómetro para trabajar en laboratorio sobre costras de suelo generadas por lluvias simuladas. Se utilizaron muestras provenientes de un suelo Argiudol típico, serie Casilda, acondicionadas en bandejas, que recibieron tratamientos de cobertura y de lluvia previa. Se evaluó la resistencia a la penetración (RP) en cinco profundidades de las costras. Se midió penetrometría a los siete días de la lluvia (condición húmeda) y a los veinte días (condición seca). Se encontraron diferencias altamente significativas entre profundidades. Los tratamientos de cobertura y de lluvia previa no tuvieron incidencia sobre la RP. El penetrómetro resultó adecuado para determinar la RP, operativamente sencillo y confiable en cuanto a la repetibilidad de las mediciones.

Palabras clave: Ciencias Agrarias; Penetrometría; Costras de suelo

Abstract: A penetrometer to work on soil crust generated by simulated rains on soil samples was designed. Several samples from typic Argiudol soil without hydricerosion were used; they were treated with cover and previous rain. The penetration resistance (PR) to five depths was evaluated. The penetrometry was measured at the seventh day from the rain (in a humid condition) and at the twentieth day (in dry condition). There were highly significant differences between depths. The penetrometer showed to be suitable to determine the PR, it was easy to use and reliable with regards to the variability of the measurements.

Key words: Agrarian Sciences; Penetrometry; Soil crust

Introducción

En la región pampeana, el escurrimiento superficial de los excedentes hídricos constituye el origen de problemas de productividad que representan pérdidas muy grandes para el sector agropecuario, como las inundaciones y la erosión hídrica.
El inicio del escurrimiento superficial se da en el momento en que la intensidad de la lluvia supera a la capacidad de infiltración del suelo. Esto último ocurrirá de manera anticipada para el caso en que el espacio poroso se vea reducido por la formación de un sello o costra superficial (McIntyre,1954; Luk et al.,1993). El origen del sello o costra superficial está vinculado a factores como la textura del suelo, la cobertura y el sistema de labranzas empleado, entre otros (Roth, C.,1997; Rao y col.,1998; Usón y Poch, 2000; Graef y Stahr, 2000; Robinson y Phillips, 2001)
Así, la formación de una capa superficial de permeabilidad reducida favorecerá el destino de la mayor parte del agua aportada por la lluvia al escurrimiento superficial en detrimento de la infiltración (Zhang y Miller, 1993; Nishimura, Nakano y Miyazaki, 1993; Rao y col., 1998, Graef y Stahr, 2000). En este sentido, Farrés y Muchena (1996) y Benkhadra y col. (1998) plantean que el estado de la superficie del suelo es uno de los más importantes factores en la determinación del riesgo de erosión hídrica.
Por otra parte, Arndt (1965a) afirma que los efectos derivados de la formación de un sello superficial incluyen, además de la modificación de la tasa de infiltración y la de erodabilidad del suelo, la dificultad mecánica que afecta al proceso de emergencia de la semilla, siendo diferente esta dificultad de acuerdo a algunas variables como por ejemplo, el contenido de agua del suelo, la composición mecánica de la superficie -la que puede variar en función del tipo de suelo, la profundidad y grado de inversión por labores, y la remoción de material provocado por procesos erosivosy el tamaño de la semilla, entre otras.
Los penetrómetros son dispositivos que pueden ser introducidos en el suelo o en una muestra de éste y medir la resistencia que ofrece a la penetración (Campbell y O'Sullivan, 1991). Existe una gran variedad de este tipo de instrumentos, cada uno con características particulares, y adaptados para fines específicos. De esta manera el penetrómetro se constituye en una herramienta que permite detectar -entre otras cosascambios en la densidad aparente del suelo, debidos a la compactación (Montavalli, P. y col., 2003; Vazquez, L. y col., 1991) y obtener así una evaluación indirecta de la degradación física, contribuyendo a definir requerimientos de manejo de los suelos (Sfeir y Piscitelli, 1996).
Los penetrómetros pueden ser empleados tanto a campo como en laboratorio, (Nacci y Pla Sentis, 1992) y en este último caso para el análisis comparativo de costras superficiales (Nishimura y col. 1993). El estudio y caracterización de costras superficiales constituye una temática abordada de forma amplia en los últimos años, aunque en general el análisis de la resistencia a la penetración no ha resultado una herramienta comúnmente empleada. Esta condición de la costra, junto con otras como la densidad aparente y el espesor de la misma, son elementos fundamentales en la caracterización de sus propiedades físicas y por ende de los primeros centímetros del perfil del suelo. (Le Bissonnais et al., 2005)
En el caso del estudio de costras superficiales, los penetrómetros deben ser diseñados de forma tal que puedan registrar de manera precisa, cambios en la resistencia a la penetración en escasos espesores.
El objetivo del presente trabajo analizar el funcionamiento de un penetrómetro de cono para la caracterización mecánica de costras de suelo desarrolladas en condiciones de laboratorio.

Materiales y métodos

El penetrómetro fue construido en acero inoxidable y su diseño (Figura 1) se orientó al trabajo con muestras acondicionadas en bandejas sobre las que se generaron costras a través de lluvias simuladas.

Figura 1. Vista lateral del penetrómetro

El penetrómetro diseñado consta de un pie de apoyo sobre el cual se desplaza la herramienta que sostiene la punta penetrométrica. El mecanismo de ajuste de la herramienta a un eje permite realizar la tarea de penetración sobre la muestra sin que se produzca movimiento alguno en el dispositivo. El ángulo entre el eje y la herramienta es de 90° y permanece fijo durante la determinación, asegurando que el cono se desplace en sentido vertical respecto a la superficie de la costra.
El cono de penetración, se une a un vástago a través de una rosca, haciendo fácil su recambio cuyo resulte necesario y toma el movimiento desde un volante a través de una reducción que permite descender el cono 1,6 milímetros por cada giro, lográndose una velocidad de penetración constante (de aproximadamente 1,6 mm cada 4 seg) y de fácil registro.
El cono de pentración posee un ángulo de 60°, existiendo la posibilidad de trabajar con cualquier otro diseño, ya que su reemplazo es sencillo.
El penetrómetro posee una base construida en madera. Allí, las bandejas conteniendo las muestras se disponen sobre una balanza electrónica. Al accionar el mecanismo de penetración, la balanza registra la presión del cono de penetración a medida que ingresa a la costra, tomándose una lectura cada 3,3 milímetros (dos giros completos de volante).

Tratamiento de las muestras

El trabajo se desarrolló con muestras del área del Distrito Los Molinos, al sur de la provincia de Santa Fe, (33º 00' S y 61º 20' O) caracterizada por un relieve ondulado, de pendientes largas (en general superiores a 800 metros) y gradientes de 0,5% - 2% donde predominan los suelos Argiudoles típicos, serie Casilda.
Son suelos oscuros, profundos y bien drenados, que ocupan los planos altos muy suavemente ondulados del noreste del Departamento Caseros, provincia de Santa Fe. El perfil presenta un horizonte superficial (A1) de 180 mm de espesor y textura franco limosa con 20 % de arcilla y 70 % de limo. Le sigue un horizonte transicional (B1), algo más arcilloso y bien estructurado. A los 270 mm de profundidad se encuentra el horizonte B2t de 77 cm de espesor, textura franco arcillo limosa a arcillo limosa y estructura en prismas fuertes. El mayor contenido de arcilla del perfil se encuentra en este horizonte y es del 46 %. El horizonte C (material originario) aparece entre los 1250 y 1350 mm de profundidad con 20 % de arcilla y 68 % de limo. La capa freática se encuentra siempre a varios metros de profundidad (INTA, 1979).
Las muestras fueron seleccionadas de un lote en uso agrícola continuado durante treinta años y con una rotación que incluye maíz, soja, trigo-soja de segunda en siembra directa desde hace diez años.
Las muestras fueron extraídas de los primeros diez centímetros del perfil, posteriormente secadas al aire y tamizadas con un tamiz de 2 mm. El material que pasó por el tamíz se colocó en bandejas plásticas de 500 mm x 400 mm x 150 mm. Para facilitar el drenaje del agua, se realizaron perforaciones de 1 mm de diámetro y se colocaron 30 mm de arena en el fondo de la bandeja. Sobre ésta, se dispuso la muestra de suelo tamizado perteneciente a cada tratamiento en una capa de siete centímetros.
Con el objetivo de formar las costras en cada bandeja se utilizó un simulador de lluvias portátil para parcelas pequeñas (1m²). Este equipo con picos aspersores Veejet 80100 y con capacidad para generar gotas de 2,5 mm de diámetro a una intensidad de 60 mm/h permite variar la intensidad de las lluvias en un amplio rango de valores. La altura de caída fue de tres metros y la energía de impacto de 200 Kj/ha/mm, similar a la de una lluvia natural. (Marelli y Arce, 1986). En el simulador se diseñó un sistema electrónico para la regulación de la intensidad deseada en forma rápida y precisa.
La lluvia empleada fue de 60 mm/h y la duración de 30 minutos.
Una vez aplicadas las lluvias, las bandejas se acondicionaron para su secado al aire. El contenido de humedad se midió por gravimetría al momento de realizar cada una de las determinaciones de penetrometría.
Se establecieron cuatro tratamientos con tres repeticiones (bandejas): T1 sin cobertura con lluvia previa, T2 sin cobertura sin lluvia previa, T3 con cobertura con lluvia previa y T4 con cobertura sin lluvia previa. Para el tratamiento con cobertura se empleó rastrojo de soja, cubriendo el 70% de la superficie de las bandejas. La lluvia previa fue de 5 minutos de duración y de una intensidad de 60 mm/h.
Las mediciones de resistencia a la penetración de cada una de las costras generadas se realizaron hasta 16,5 mm de profundidad, equivalentes a diez giros completos del volante del penetrómetro. Se realizaron en promedio cuatro determinaciones penetrométricas por cada bandeja.
Se efectuaron las tandas de mediciones de resistencia a la penetración (RP) en dos momentos: a los siete días de producida la lluvia simulada (condición húmeda, 18,6% de humedad en promedio) y a los veinte días (condición seca, 7,1% de humedad en promedio).

El diseño estadístico fue completamente aleatorizado con arreglo factorial.
Los factores considerados fueron:
Primer factor: tratamientos
T1 sin cobertura con lluvia previa
T2 sin cobertura sin lluvia previa
T3 con cobertura con lluvia previa
T4 con cobertura sin lluvia previa

Segundo factor: profundidades
P1: 00,00 - 3,3 mm
P2: 03,40 - 6,6 mm
P3: 06,70 - 9,9 mm
P4: 10,00 - 13,2 mm
P5: 13,20 - 16,5 mm

Los resultados se procesaron estadísticamente mediante análisis de la variancia. Cuando se detectaron diferencias significativas a causa de algún tratamiento, se utilizó la prueba de comparaciones múltiples de Tuckey, con un nivel de significación del 5 %. Para el análisis de la variancia de empleó el software INFOSTAT (2002). El mismo programa se aplicó para establecer correlaciones entre el índice de cono acumulado, densidad aparente y condición de humedad de la costra al momento del la determinación penetrométrica.
Para comparar los valores de RP de cada una de las profundidades establecidas, se promediaron los valores de todos los tratamientos.

Determinación de la resistencia a la penetración

Las bandejas se colocaron sobre la balanza y se determinó la fuerza requerida para lograr la penetración de las costras. El penetrómetro se accionó manualmente a una velocidad constante registrándose cada 3,3 milímetros la lectura correspondiente en la balanza. Se realizaron cinco determinaciones en diferentes sectores de cada bandeja que, una vez promediadas, permitieron obtener el índice de cono (IC) correspondiente.
La RP se obtuvo considerando el peso registrado en la balanza y el área de la base del cono según:

RP = F / AC (1)

donde F, es la fuerza ejercida para realizar la penetración, en este caso como peso expresado en gramos.
El área del cono (AC) se determinó por:

donde r, es el radio de la base del cono de penetración y h su altura.
La sumatoria de los valores de RP de las distintas profundidades constituyeron la resistencia a la penetración acumulada para dicho sitio. El promedio de los valores de resistencia a la penetración acumulada, de cada tratamiento, se denominó Índice de Cono Acumulado (ICA).
De cada una de las bandejas se extrajo una muestra del espesor 0 - 15 mm para determinar humedad por gravimetría, al momento de realizar la medición de RP.
Luego de finalizadas las lecturas de resistencia a la penetración, se seleccionaron, en promedio, 32 muestras por bandeja (aproximadamente 96 por tratamiento), para la determinación de densidad aparente en terrones a través del método de desplazamiento volumétrico (Fies y col., 1972).

Resultados y discusión

En la condición seca se midieron mayores valores promedio de ICA (considerando las cinco profundidades de lectura) en todos los tratamientos, en comparación con la condición húmeda. En la condición húmeda, el T2 fue el que menor ICA tuvo, mientras que para la condición seca no hubo diferencias significativas (p< 0.05) entre los tratamientos 1, 2 y 3, considerando el valor promedio para todas las profundidades (Tabla 1). En la condición seca el tratamiento 4 registró el mayor ICA.

Tabla 1. Valores de índice de cono acumulado en la costra para los diferentes tratamientos en dos condiciones hídricas del suelo

El efecto de amortiguación del impacto de la gota de lluvia por la cobertura no se reflejó en los datos de penetrometría obtenidos, siendo la costra formada en uno de los tratamientos con cobertura, la de mayor resistencia a la penetración. Esto pudo deberse a que entre otras posibles causas, el tamaño de los agregados (< 2 mm) de las muestras sometidas a la lluvia artificial contribuyó a la formación de la costra en coincidencia con lo planteado por Farrés (1987) y Shainberg y col. (1997), enmascarando significativamente al efecto protector de la cobertura. Por otra parte, y tal como lo señalan Daba (1999); Lozano y col. (2000) y Ramos y col. (2003), el alto contenido de limo (70 %) en el horizonte superficial, y su baja capacidad de cohesión, podría resultar en agregados de alta susceptibilidad a la desagregación y por lo tanto a la formación de costras. Además, la humedad de las muestras fue diferente al momento de realizar la penetrometría (principalmente en la condición húmeda donde los valores de humedad variaron desde 14,1% a 22,7%) a pesar de haber sido tratadas todas de la misma manera en el proceso de secado.
En este sentido, el hecho que en el caso de los registros obtenidos en condición húmeda, el tratamiento sin cobertura haya sido el de menor ICA, podría indicar que las condiciones de secado de la muestra y su contenido de humedad al momento de la medición resultaron determinantes, más que el efecto protector de la cobertura sobre el impacto de la gota de lluvia. Algo similar ocurrió en la condición seca, donde fue el tratamiento con cobertura el de mayor ICA.
Existió una alta correlación negativa entre los valores de humedad promedio de todas las muestras y los valores de ICA obtenidos (Tabla 2), corroborando la importancia de la humedad de la costra al momento de realizar la medición, tal como lo indican entre otros, Arndt, (1965b), Baver y col.,(1973), Campbell y O'Sullivan (1991) y Nishimura y col.,(1993), Agodzo y Adama, (2004) y Thierfelder et al. (2005).

Tabla 2. Correlaciones entre ICA, densidad aparente y humedad.

Se obtuvo una alta correlación positiva entre la densidad aparente de las costras y su ICA bajo condición seca en T1, T3 y T4, mientras que en T2 la correlación también fue positiva pero de menor magnitud (Tabla 2), coincidiendo con lo propuesto por Osumbitan y col. (2004), quienes trabajando en suelos sometidos a diferentes sistemas de labranzas, determinaron que los valores más altos de RP estuvieron asociados a registros también altos de compactación, concluyendo también que pequeños cambios en la densidad aparente, resultaban en modificaciones importantes en los valores de RP. Resultados similares obtuvieron Ramírez Pisco y Salazar Jiménez (2006), al estudiar la incidencia de diferentes sistemas de labranza sobre la RP, y donde se estableció una alta correlación (0,96) entre esta y la densidad aparente.
El penetrómetro logró captar el comportamiento diferencial de la RP ante condiciones diferentes, tanto de humedad como de profundidad.
El bajo coeficiente de variación del ICA tanto en la condición húmeda (0,38) como en la condición seca (0,31) indicó un importante grado de confiabilidad del dispositivo diseñado.
Las diferencias de ICA entre profundidades para una misma condición de humedad (Tabla 3), fueron estadísticamente significativas (p< 0.05). En este sentido, en la condición seca, el incremento del ICA con la profundidad fue mayor en relación a lo observado en condición húmeda, obteniéndose una variación promedio de 0,44 kg.cm-2 en cada profundidad. En condición húmeda el aumento promedio fue de 0,12 kg.cm-2 cada 3,3 mm.

Tabla 3. Índice de cono según la profundidad de la costra en dos condiciones hídricas del suelo.

Las diferencias halladas entre profundidades, contribuyeron a corroborar el correcto desempeño del penetrómetro, ya que resultó posible obtener mediciones confiables en intervalos de muy pocos milímetros, aspecto importante considerando que el objeto de medición fue una costra, con espesores máximos de 20 mm.

Conclusiones

Las diferencias de ICA captadas entre los tratamientos y en diferentes profundidades evidenciaron un aceptable grado de precisión en el aparato diseñado y escasa variabilidad entre repeticiones.
La operatividad del diseño del penetrómetro resultó adecuada debido a la cantidad de mediciones realizadas en escaso tiempo.
El dispositivo analizado resultó apto para la caracterización de la resistencia a la penetración en costras creadas a partir de lluvias simuladas.
El empleo de cobertura superficial no produjo efectos significativos sobre la reducción del efecto del impacto de la gota de lluvia sobre el suelo, expresado a través de la resistencia a la penetración.
El grado de humedad de las muestras (condición seca y condición húmeda), influyó sobre los valores de ICA, verificándose una alta correlación negativa entre ambas propiedades.
El empleo del ICA en trabajos comparativos entre tratamientos diferentes, requerirá de la definición de un estado de humedad del suelo en el momento de realizar la penetrometría o de la elaboración de curvas de ajuste entre la humedad del suelo y el ICA.

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