Los hidrocontenedores y su influencia en las propiedades microfísicas del suelo

INTRODUCCIÓN

Las propiedades físicas de los suelos determinan en gran medida, la capacidad de muchos de los usos que el ser humano les otorga. La condición física de un suelo determina la rigidez y la fuerza de sostenimiento, la facilidad para la penetración de las raíces, la aireación, la capacidad de drenaje y de almacenamiento de agua, la plasticidad y la retención de nutrientes (Rucks et al., 2004 citado por Urriola (2020)Urriola, L. A. (2020). ¿Por qué estudiar las propiedades físicas del suelo? Revista Semilla del Este, 1(1), 23-26, ISSN: 2710-7469..

El conocimiento de las propiedades de retención de humedad de los suelos permite la definición de parámetros necesarios para la determinación de las dosis de riego de los mismos. La retención de agua es la propiedad hidrofísica del suelo que puede ser descrita por la dependencia entre el contenido de agua del suelo y el potencial del agua del suelo (Pérez-de los Reyes et al., 2018Pérez-de los Reyes, M. L., Chocano, D., Sánchez-Ormeño, M., Bravo, S., Amorós, J. A., & García-Navarro, F. G. (2018). Estudio de las propiedades de retención de humedad de suelos vitícolas en Castilla-La Mancha (España). 50, 10-34, ISBN: 2267-1242.).

Desde hace más de tres décadas el antiguo Instituto de Investigaciones de Riego y Drenaje, actual Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola ha trabajado de manera sistemática en la caracterización física de los suelos bajo riego, lo que sirvió de base para el diseño, proyección, manejo y explotación de los sistemas de riego y drenaje, sin embargo este esfuerzo no se tradujo en la creación de una base de datos que estuviera disponible para los investigadores y especialistas, sino que se limitó a que se publicaran algunos de estos resultados aislados según fuera el interés de investigadores y especialistas (G. Cid et al., 2012Cid, G., López, T., González, F., Herrera, J., & Ruiz, M. E. (2012). Características físicas que definen el comportamiento hidráulico de algunos suelos de Cuba. Revista Ingeniería Agrícola, 2(2), 25-31, ISSN: 2306-1545, Publisher: Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola.).

Los polímeros súper absorbentes o hidrocontenedores son derivados del petróleo convertido en cristales amorfos de Acrilato de Potasio, no tóxico, inocuo, capaz de absorber hasta 500 veces su peso en agua sin modifi car la estructura química de la misma, formando un gel que ha sido usado con éxito por muchos productores para hacer frente a la escasez del agua en los sectores agrícola, forestal, floricultura, horticultura, hidroponía y otros (Rico, 2014Rico, J. (2014). Para mitigar problemas escasez hídrica: El agua sólida promete regar en épocas de sequía. https://www.facebook.com/Silos-de-Agua-LLuvia-Solida-161003817357156 ). Además de ser propuestos ampliamente en los últimos años para uso agrícola con el objetivo de mejorar la disponibilidad de agua para las plantas incrementando las propiedades de retención del suelo logrando reducir el consumo de agua hasta un 50% (Rivera-Fernández & Mesías-Gallo, 2018Rivera-Fernández, R. D., & Mesías-Gallo, F. (2018). Absorción de agua de hidrogel de uso agrícola y su humedecimiento de tres tipos de suelo. Revista de la Facultad de Ciencias Agrarias. Universidad Nacional de Cuyo, 50(2), 15-21, ISSN: 1853-8665, Publisher: SciELO Argentina.).

Entre los beneficios informados de este producto se encuentran que: actúa como un reservorio de agua, de la cual el 90% está disponible para la raíz del cultivo; mantiene capacidad de campo por más tiempo, lo que reduce ciclos de riego y uso de agua, incrementando la productividad general; mejora el manejo tradicional de los cultivos en regiones con escasa precipitación pluvial, independizándolo de las lluvias de temporal; mejora la textura y ventilación en suelos, sobre todo los compactados y protege el suelo de la erosión, desertificación y contaminación del agua, manteniendo el microambiente esencial para el desarrollo de la biota benéfica del mismo (Andrada & Di Barbaro, 2018Andrada, H., & Di Barbaro, G. (2018). Efecto de la aplicación de copolímeros sobre el cultivo de lechuga (Lactuca sativa L.). Revista de Ciencias Agrícolas, 35(2), 27-35, ISSN: 0120-0135, Publisher: Universidad de Nariño. https://doi.org/DOI: http://dx.doi.org/10.22267/rcia.183502.89 ; Cisneros-Zayas et al., 2021Cisneros-Zayas, E., González-Robaina, F., Cun-González, R., Herrera-Puebla, J., Matos-Cremé, H., & Sarmiento-García, O. (2021). Los polímeros súper absorbentes y su influencia sobre la productividad del agua en el frijol. Revista Ingeniería Agrícola, 11(2), ISSN: 2227-8761.; Macías-Duarte et al., 2019Macías-Duarte, R., Grijalva-Contreras, R. L., Robles-Contreras, F., LópezCarvajal, A., & Núñez-Ramírez, F. (2019). Déficit de riego y aplicación de hidrogel en la productividad de olivo en regiones desérticas. Revista mexicana de ciencias agrícolas, 10(2), 393-404, ISSN: 2007-0934, Publisher: Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias.; Zinivand et al., 2020Zinivand, N., Khodadadi-Dehkordi, D., Kashkuli, H. A., Asareh, A., & Egdernezhad, A. (2020). Evaluación del efecto del polímero súper absorbente en la eficiencia del uso del agua de la planta en condiciones de déficit de agua. Tecnología y ciencias del agua, 11(1), 315-341, ISSN: 2007-2422, Publisher: Instituto Mexicano de Tecnología del Agua.).

Los suelos Ferralíticos por su extensión ocupan el segundo lugar con 2 054,2 hectáreas, lo que representa el 23,5% de la cobertura de suelos cubana según Olivera (2012)Olivera, V. D. (2012). Un universo invisible bajo nuestros pies, los suelos y la vida. https://www.madrimasd.org y en ellos se cultivan gran parte de la producción de granos, viandas y hortalizas del país. Teniendo en cuenta todo lo anterior y que aún es insuficiente la información sobre el efecto que tiene los hidrocontenedores en las propiedades del suelo, el presente estudio tiene como finalidad conocer como varían las propiedades hidrofísicas de un suelo Ferralítico Rojo compactado ante la presencia de diferentes dosis de polímeros súper absorbentes.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio se realizó en el laboratorio de Física de Suelos del Instituto de Investigaciones de Ingeniería de Agrícola (IAgric) ubicado en la Carretera de Fontanar km 2½, municipio de Boyeros. La Habana. Cuba.

El suelo utilizado en el estudio es del tipo Ferralítico Rojo compactado y el mismo fue tomado de la Estación Experimental “Pulido” del propio Instituto situado en Alquízar, provincia Artemisa.

Las muestras se tomaron directamente del campo de forma aleatoria para lo cual se dividió el mismo en 4 partes al inicio, un tercio, dos tercios y al final del surco, posteriormente se embolsaron y se trasladaron hasta el IAgric. A continuación, se colocaron en bandejas para su secado durante varios días en condiciones ambientales naturales. Luego se tamizaron, para los análisis físicos se pasó una porción de las mismas por tamiz de 2 mm y para análisis químico se pasó una porción de las mismas por tamiz de 1 mm.

Una vez preparado el suelo se tomaron seis porciones de 1kg, cada una pasada por un tamiz de 2 mm de diámetro. Se colocaron en embudos bajo papel de filtro para evitar la pérdida de suelo y se mezclaron con dosis de polímeros de 20, 30 y 40 g lo más homogéneo posible dejando una muestra en su estado natural.

Los tratamientos estudiados consistieron en:

A todos los tratamientos se les aplicó 2000 mL de agua y se midió el agua drenada. El agua se suministró lentamente a intervalos de 30 minutos para lograr que los polímeros se hidrataran, se dejó de abastecer agua cuando comenzó el drenaje después de transcurrido los 30 minutos finales.

Para la determinación de la curva característica de la humedad en el rango de 0,1 a 100 cm (pF 0 a 2) se utilizó el método de la caja de arena. Para este ensayo se tomaron cuatro muestras en los anillos de cada tratamiento y luego se procedió a realizar el ensayo por el instructivo Sandbox M1 08.01.

Textura por método de Boyuco. Consiste en la determinación de los porcentajes de arena, limo y arcilla presentes en la fracción mineral del suelo. Estos porcentajes se obtienen mediante la separación de las partículas en grados clasificados de acuerdo a su diámetro.

Los resultados se expresan en (% p/p) de arena, arcilla y limo. Con estos porcentajes se auxilia del triángulo textural del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos para determinar la textura.

La humedad del suelo se determinó gravimétricamente, en base a la masa. Para ello se auxilió de la siguiente expresión (1) $\theta g=\frac{PesodesuelohumedoPesodesueloseco}{Pesodesueloseco-pesodelcontenedor}=\left(g{g}^{-1}\right)$ :

La muestra de suelo húmeda es tomada y puesta en un contenedor (pesa filtro), pesada, secada a 105 °C (24 ó 48 horas) y pesada nuevamente.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la consecución de un uso eficiente del agua para la producción de alimentos se recomienda actualmente el uso de los polímeros súper absorbentes, que según varios autores Cisneros-Zayas et al. (2018Cisneros-Zayas, E., Cun-González, R., Rosales-Naranjo, L., & González-Morales, D. (2018). Lluvia sólida, para un uso eficiente del agua. Resultados preliminares. Revista Ingeniería Agrícola, 8(1), 13-20, ISSN: 2227-8761, Publisher: Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola.; Rivera-Fernández & Mesías-Gallo (2018)Rivera-Fernández, R. D., & Mesías-Gallo, F. (2018). Absorción de agua de hidrogel de uso agrícola y su humedecimiento de tres tipos de suelo. Revista de la Facultad de Ciencias Agrarias. Universidad Nacional de Cuyo, 50(2), 15-21, ISSN: 1853-8665, Publisher: SciELO Argentina., mediante su aplicación se logra mejorar las propiedades hidrofísicas del suelo al incrementar la capacidad de retención de agua.

En la Figura 1 se muestra como a medida que aumentan las dosis de polímeros por kilogramo de suelo existe una correspondencia con la capacidad de almacenamiento de agua, donde se tiene los menores valores en el testigo y la mayor capacidad de almacenamiento cuando se aplicó 40 gramos con un 96,6%. Lo anterior confirma lo informado por Rojas-de Gascue et al. (2006)Rojas-de Gascue, B., Ramírez, M., Aguilera, R., Prin, J. L., & Torres, C. (2006). Los hidrogeles poliméricos como potenciales reservorios de agua y su aplicación en la germinación de semillas de tomate en diferentes tipos de suelos. Revista Iberoamericana de polímeros, 7(3), 199-210, ISSN: 0121-6651, Publisher: Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea. quienes plantean que el mecanismo por el cual los polímeros son capaces de absorber tanto volumen de soluciones acuosas no es solamente físico, sino que depende de la naturaleza química del polímero. Las fuerzas que contribuyen al hinchamiento de los hidrogeles son la energía libre de mezcla y la respuesta elástica del entrecruzamiento.

Del estudio se pudo conocer que el porciento de hinchamiento del polímero utilizado, con agua destilada, es de aproximadamente 496 veces el peso de la muestra, muy próximo al indicado por el fabricante que refiere ser de hasta 500 veces su peso (Warehouse, 2009Warehouse, A. (2009). Características principales del poliacrilato de potasio,[en línea]. Aqua Warehouse. www.Aquawarehouse.com ).

Según Úbeda-Rivera & Delgado-Dallatorre (2018)Úbeda-Rivera, J. S., & Delgado-Dallatorre, Y. (2018). La infiltración del agua en los suelos y componentes artificiales y materia orgánica que se utilizan en ellos para la agricultura. Rev. iberoam. bioecon. cambio clim., 4(7), 889-896, ISSN: 2410-7980. los polímeros absorbentes de agua (SAP), los cuales se clasifican como hidrogeles cuando reticulan, absorben soluciones acuosas a través de enlaces de puente de hidrógeno con las moléculas de agua. La capacidad de un SAP para absorber el agua es un factor de la concentración iónica de la solución acuosa. En agua des ionizada y destilada, un SAP pueden absorber 500 veces su peso (30 a 60 veces su propio volumen) y puede llegar a ser hasta 99,9% de líquido. El mencionado resultado es muy similar al obtenido en la máxima dosis (96,6%), teniendo en cuenta que el agua para la prueba fue la tomada del pozo ubicado en el área y no agua destilada.

La Figura 2 muestra la relación que existe entre la capacidad de absorción de agua y la cantidad de polímero agregado. De este modo al utilizar el valor de 0 polímero agregado como nivel de referencia y donde se obtuvo un valor de 0,013 g de agua/g de suelo ( tipico para estos suelos Ferraliticos), que equivale a 0,013 g de agua en el suelo por cada gramo de polímero agregado, lo cual demuestra el valor del mismo como condicionador de la humedad del suelos.

El limite superior de agua disponible en el suelo es equivalente al valor de la capacidad de campo, que en este caso se considero equivalente al agua retenida a la tensión de 100 cm (pF 2); la relación de este parámetro con la cantidad de polimero aplicado se muestra en la Figura 3.

Como muestra la figura, el volumen de agua disponible en el suelo se incrementó linealmente con el aumento de la cantidad de polímero aplicado coincidiendo con la Figura 2, en correspondencia de una mayor acumulación (Figura 2) y una mayor retención (Figura 3) al aumentar la cantidad de polímero aplicado.

La porosidad del suelo es un factor determinante en la capacidad del suelo para almacenar y retener el agua según Urriola (2020)Urriola, L. A. (2020). ¿Por qué estudiar las propiedades físicas del suelo? Revista Semilla del Este, 1(1), 23-26, ISSN: 2710-7469., por ello a partir de los datos de la curva caracteristica del suelo se obtuvo los valores de la prosidad total, la cual se hizo corresponder con el valor de humedad a saturación. La Figura 4, muestra la relación entre la porosidad total (humedad a saturación ) y la cantidad de polímero aplicado, en la cual se puede apreciar tambien un incremento en la porosidad total del suelo con el incremento en la cantidad de polimero.

La Figura 5 muestra las curvas caracteristicas de los diferentes tratamientos según la cantidad de polímero agregado. Como puede observarse, para cualquier tensión de humedad aplicada, la cantidad de agua retenida aumenta al incrementar la cantidad de polímero aplicado, enfatizando lo visto hasta aquí sobre el importante papel que juegan los poliimeros en la retención de la humedad por el suelo.

En estudios realizado por Romero-Campos et al. (2020)Romero-Campos, M., Cid-Lazo, G., González-, F., & Araméndiz, T. H. (2020). Curvas tensión humedad y función conductividad hidráulica en suelos pardos. Revista Ingeniería Agrícola, 10(2), ISSN: 2227-8761. sobre las curvas tensión humedad informan similar comportamiento para un suelo con elevado contenido de arena y argumentan una rápida caída de la humedad en los primeros 100 cm de tensión rango que se denomina “agua fácilmente aprovechable” para los cultivos en la mayoría de los suelos. Al comparar los obtenidos con el informado se puede observar que la disminución es menor por la presencia de los hidrocontenedores con idéntica clasificación textural.

La Tabla 1 resume el efecto de la cantidad de polímero aplicado al suelo sobre el comportamiento de algunos parámetros físicos del mismo relacionados con la retención y disponibilidad de agua.

A partir de los datos mostrados en la Tabla 1 puede calcularse, a modo de ejemplo, que, si no se aplica polímeros, y se estima el agua fácilmente utilizable entre el valor de humedad a pF 2 y el 85% de este valor, se obtiene para una profundidad de 0,3 m del perfil del suelo, una disponibilidad de agua de 12 mm, lo cual para un consumo de 4 mm dia^-1, permitiría un intervalo de riego de 3 días. El mismo razonamiento, utilizado para el tratamiento donde se aplicó 30 g de polímero produciría una disponibilidad de agua de 18 mm, la cual para similar consumo diario permitiría un intervalo entre riegos de 5 días. Para un cultivo de 90 días de duración esta diferencia de intervalos entre riegos significa una disminución del 40% en el número de riegos.

Este efecto del polímero en el ahorro de agua producto del aumento de la capacidad de retención del suelo, fue también demostrada en condiciones de campo por Cisneros-Zayas et al. (2021)Cisneros-Zayas, E., González-Robaina, F., Cun-González, R., Herrera-Puebla, J., Matos-Cremé, H., & Sarmiento-García, O. (2021). Los polímeros súper absorbentes y su influencia sobre la productividad del agua en el frijol. Revista Ingeniería Agrícola, 11(2), ISSN: 2227-8761., donde al estudiar el efecto de la aplicación de polímeros en campos de frijol en Cuba, encontraron que la aplicación de una dosis de polímeros súper absorbentes de 8 g por metro lineal en el cultivo del frijol era efectiva al reducir en tres el número de riegos, incrementar el intervalo de riego en 7 días y lograr un ahorro de agua durante el ciclo del cultivo de 35,7% con respecto al tratamiento frijol sin polímeros.

Irurtia et al. (2012)Irurtia, C., Mon, R., Holzmann, R., & Pirolo, T. (2012). Efecto de la poliacrilamida en las propiedades físicas de un suelo arenoso. https://www.engormix.com/agricultura/artículos/efecto-poliacrilamida-propiedadesfisicas-t31202.htm al estudiar el efecto de polímeros de poliacrilamida en las propiedades físicas de un suelo arenoso, concluyeron que dicho compuesto produce cambios importantes en las propiedades hidrofísicas del suelo, debido a que aumentan notablemente la capacidad de retención del agua y disminuye su conductividad hidráulica. Por otra parte, la capacidad de hinchamiento del polímero de poliacrilamida tiende a descompactar el suelo cuando está húmedo. El mismo autor refiere que en los suelos arenosos caracterizados por su alta tasa de infiltración y baja retención de agua pueden mejorar la eficiencia del uso del agua de riego.

Cuando analizamos la relación densidad aparente-contenido de agua, para las diferentes dosis de hidrocontenedor aplicado podemos observar en la Figura 6 que el mayor contenido de agua se tiene para la dosis de 40 g kg^-1 de suelo con 1,84 g g^-1, donde además se logra la menor densidad aparente debido a una mayor porosidad total. Resultados similares fueron informados por Cid et al. (2021)Cid, L. G., López, S. T., Herrera, P. J., & González, R. F. (2021). Variación de la Densidad Aparente para diferentes contenidos de agua en suelos cubanos. Ingeniería Agrícola, 11(2), 3-9, ISSN-2306-1545, E-ISSN-2227-8761, Publisher: Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola. estudiando las modificaciones de la densidad aparente de acuerdo a los contenidos de agua en la matriz del suelo observándose idéntica tendencia para los suelos Ferralíticos.

La Figura 7 muestra como varía la composición granulométrica del suelo al añadirle el hidrogel con respecto a la muestra que no tiene polímero. El porcentaje de arena presento las mayores variaciones con respecto a las demás texturas, tuvo un aumento de casi el 40% con respecto a la muestra sin polímero. Los porcientos de arcilla una vez añadido el polímero se mantienen casi invariables, mientras que el porciento de limo se mantuvo casi constante presentando variaciones leves en las muestras con las dosis más bajas de polímero.

Estas variaciones en la granulometría hicieron que cambiara la textura del suelo, la cual antes de ser mezclado con el polímero era arcillosa pasando a una textura arcilloso-franco-arenoso (Tabla 2).

CONCLUSIONES