Compactación y variación del perfil del cantero provocado por la cosechadora CASE IH A8800 en suelos húmedos

Introducción

En Cuba la degradación y deterioro de las propiedades físicas y químicas de los suelos de uso agrícola está presente en gran cantidad de las áreas de cultivo. El Anuario Estadístico reporta que el 43,3% de las áreas agrícolas están erosionadas en valores desde muy fuerte a media, que el 23,9% tiene problemas de compactación natural y con problemas de mal drenaje se reportan el 40,3% de la superficie agrícola (ONEI, 2016). Estos datos muestran lo imprescindible que resulta la adopción de medidas de prevención y de administración que permitan reducir la degradación del suelo. Además, se deben emprender investigaciones que determinen el nivel de compactación que está originando en los suelos agrícolas las tecnologías de producción empleadas. El uso sustentable de los suelo es la única solución posible para enfrentar retos globales como la seguridad alimentaria, la demanda de energía y agua, el cambio climático y la biodiversidad.

La compactación es el proceso mediante el cual las partículas de suelo son reorganizadas para decrecer el espacio poroso y llevar los granos a un contacto más cercano uno con otro, incrementándose así la densidad aparente. La compactación provoca cambios en propiedades físicas del suelo (densidad aparente y porosidad del suelo) que son determinantes en la influencia sobre las propiedades químicas, la fauna del suelo, la biodiversidad y el crecimiento de las plantas (Nawaz et al., 2013).

La compactación del suelo se puede conocer a través del cambio provocado en propiedades del suelo como: densidad aparente, porosidad total, índice de poros, volumen específico y por el efecto de esta y otras propiedades en la resistencia a la penetración y la permeabilidad al aire y al agua (Hamza y Anderson, 2005; González et al., 2008).

El tráfico vehicular está directamente vinculado con la compactación inducida en suelos bajo producción agrícola, siendo la humedad y la textura los aspectos más relevantes en cuanto a la reducción de su espacio poroso. La compactación es resultado de la resistencia del suelo a la acción de las cargas. Cuando la carga aplicada al suelo es superior a la resistencia del suelo a la compresión se produce la deformación del suelo y con esto la compactación. La compresibilidad se refiere a la facilidad con la cual el suelo decrece en volumen cuando soporta una presión aplicada. Mayor compresibilidad indica mayor susceptibilidad de un suelo a la compactación. Los suelos secos son menos susceptibles a la compactación que los húmedos y en la medida en que aumenta el contenido de arcilla mayor es el índice de compresibilidad del suelo. En suelos arcillosos son mayores los riesgos de compactación a niveles que afecten la producción agrícola y mayor será la persistencia del daño realizado (Botta et al., 2002).

González et al. (2008), determinaron que el contenido de humedad del suelo durante el tráfico tiene una mayor influencia en la compactación que la presión aplicada al suelo. Por ejemplo: el tráfico de un equipo agrícola con una presión sobre el suelo de 400 kPa, en un suelo Rhodic Ferralsol con 25% de humedad, provoca un efecto menor en la porosidad total que el tránsito del mismo equipo con 200 kPa de presión sobre el terreno, en un suelo con 35 % de humedad. La humedad es la variable que mayor influencia tiene en el proceso de compactación del suelo, dado que esta determina el máximo valor alcanzable de densidad de volumen (Hamza y Anderson, 2005). Para cada tipo de suelo y esfuerzo de compactación hay un valor particular de humedad, conocido como contenido de humedad critico al cual se obtiene el máximo valor de la densidad aparente. Incrementándose la humedad del suelo se incrementa significativamente la compactación (Shahgholi y Abuali, 2015). Cuando ya la humedad supera la humedad crítica el efecto de las cargas aplicadas en la densidad aparente del suelo es menor. Estos elementos demuestran la importancia de la humedad del suelo durante el tráfico de las máquinas.

En la compactación del suelo influyen factores asociados a la maquinaria como: presión sobre el suelo, carga sobre los sistemas de rodaje, número de pases, velocidad de desplazamiento y patinaje (Hamza y Anderson, 2005). Varias han sido las investigaciones que muestran el incremento de la compactación al aumentar la presión media sobre el suelo. Esta depende de la rigidez, presión de inflado y superficie de contacto del neumático con el suelo, así como, de la resistencia de la superficie sobre la que se apoya (González-Cueto et al., 2016). La presión sobre el suelo influye mayormente sobre la compactación en la capa superficial del suelo (≈ < 0,3 m) y en profundidad la compactación es ocasionada por la carga sobre los ejes (Botta et al., 2012; González-Cueto et al., 2013). Los sistemas de rodaje por esteras potencialmente compactan menos que los sistemas de rodaje por neumáticos debido a menores esfuerzos sobre el suelo y menor riesgo de compactación del suelo (Keller y Arvidsson, 2016).

Rodríguez et al. (2013), refieren que en Cuba el 24% de la superficie agrícola presenta afectaciones por compactación. Estos autores citan como una de sus causas, en los suelos cañeros, la mecanización total, mediante el uso de equipos pesados en las operaciones de cosecha y transporte, sobre todo cuando se realizan en condiciones de alta humedad.

En los lugares donde la caña de azúcar se cosecha en periodos húmedos, los remolques y cosechadoras con esteras podrían ser una opción para reducir los daños al campo por compactación y deformación de la superficie del suelo. Soler et al. (2013), señalan que las soluciones técnicas que garantizan el trabajo en estas condiciones, se dirigen hacia el uso de puentes múltiples, neumáticos de alta flotación, semiesteras, esteras y neumáticos dispuestos en pareja.

El empleo de máquinas no apropiadas para la cosecha en terrenos húmedos provoca profundas huellas como consecuencia de fallas en la resistencia del suelo (Figura 1), que provocan el enterramiento de la capa vegetal situada bajo el rodaje y el levantamiento de las capas inferiores del suelo. Esto destruye el perfil del cantero y causa daños mecánicos al sistema radicular de las plantas, lo cual resulta tan o más perjudicial que la propia compactación¹.

El sistema de rodaje de los medios de cosecha y transporte usados en Cuba durante años, presenta dificultades en cuanto a su capacidad de paso en condiciones húmedas, determinado por alta carga sobre los ejes, alta presión media específica sobre el suelo, distribución inadecuada del peso sobre los sistemas de rodajes de las máquinas². En Cuba se han identificado más de 117 mil ha de suelos (arcillosos muy plásticos) que después de intensas lluvias permanecen inundados durante semanas y hasta meses, provocando la interrupción de la zafra y pérdidas económicas considerables. Esta es la razón por la cual se ha estado trabajando en la introducción de cosechadoras con sistemas de rodaje por esteras y de medios de transporte intermedio con sistemas de rodaje de alta flotación. Sin embargo, la solución de la cosecha en estos suelos, bajo condiciones húmedas, puede provocar afectaciones por compactación y deformación del cantero que pudieran comprometer las producciones futuras de caña de azúcar. Tomando en cuenta lo antes expuesto, el presente trabajo se trazó como objetivo determinar la compactación y variación del perfil del cantero ocasionado por la cosechadora CASE IH AUSTOFT 8800 en suelos húmedos.

Métodos

La investigación se desarrolló durante la zafra 2014 a 2015 en la Unidad Básica de Producción Cooperativa (UBPC) Carlos Perera, de la Unidad Empresarial de Base Héctor Rodríguez, situada en el macizo cañero de la costa norte de Villa Clara, en el centro de Cuba; en plantaciones de caña de azúcar de secano, sobre canteros, en cepa de primavera quedada y suelo Pardo Sialítico, con alta humedad (60,8% bss).

Se evaluaron las variaciones del estado de la compactación del suelo y el perfil del cantero, en cinco puntos dispuestos en el campo en forma de sobre cerrado. Los lugares donde se obtuvieron las muestras estuvieron situados a más de 20 m del inicio y final de los campos siguiendo el trazado antes mencionado. La compactación del suelo se determinó mediante la medición de la densidad aparente y la resistencia a la penetración.

Se determinó el número de muestras a emplear mediante la ecuación

Las muestras para el cálculo de la densidad aparente y la medición de la resistencia del suelo se obtuvieron antes (AC) e inmediatamente después del paso de la cosechadora (DC), hasta la profundidad de 30 cm, en capas de 0,1 m, en dos sitios: centro del surco (Cs) y centro del camellón (Cc), este último es el lugar que con mayor frecuencia trafica la estera de la cosechadora.

La densidad aparente se determinó por el método de los cilindros y la resistencia a la penetración con el empleo del penetrómetro de impacto. La variación del perfil del cantero se determinó con el empleo de un nivel de burbuja y un perfilómetro con divisiones en el plano horizontal cada 0,05 m y apreciación en la medición en el plano vertical de 0,001 m. Las evaluaciones se realizaron en un ancho de 1,60 m, antes y después de la cosecha.

La cosechadora empleada durante las pruebas fue una CASE IH A8800, con sistema de rodaje por esteras de 2,96 x 0,457 m. Se obtuvo la presión media específica de la máquina como la relación entre el peso total (183 kN) y el área de apoyo de la cosechadora.

Los datos obtenidos en las evaluaciones de la resistencia a la penetración y la densidad aparente se procesaron empleando el paquete estadístico STATGRAPHICS Plus 5.1 (Statistical Graphics Crop, 2000). Se utilizó la prueba t-Students para muestras pareadas como criterio para estimar las diferencias entre las medias muestrales, a un 95 % de probabilidad.

Resultados y Discusión

Acorde a la clasificación climática de Köppen el clima de la región clasifica como Aw. La distribución mensual de las precipitaciones muestra la existencia de dos periodos: uno húmedo y uno menos húmedo o relativamente seco, con valores promedios de lluvia de 876 y 155 mm, respectivamente.

La resistencia del suelo a la penetración, medida antes de la cosecha, fue de 1 golpe/dm a 10 cm de profundidad, incrementándose hasta 2 y 3 golpes/dm a la de 30 cm, en las zonas correspondientes al centro del surco (Cs) y del camellón (Cc), respectivamente (Figura 2); en coincidencia con los resultados alcanzados,²Botta et al. (2002), y otros autores que reportan incrementos de la resistencia del suelo a la penetración con la profundidad. Las mayores magnitudes, en todas las capas, se mostraron en la zona correspondiente al centro del camellón, comportamiento que era de esperar dado a que es la zona de tráfico de los neumáticos de los tractores y la cosechadora, de conformidad con lo planteado por Herrera et al. (2002).

Después de la cosecha se produjo un incremento de la resistencia del suelo a la penetración, como consecuencia del aumento ocasionado en la zona del camellón por el pase de la cosechadora; con valores de 2 golpes/dm en las profundidades de 10 y 20 cm y de 3 golpes/dm en la profundidad de 30 cm, lo que representó un incremento promedio de 12,5% en el perfil estudiado (Figura 2). Incrementos de la resistencia del suelo posterior a la cosecha mecanizada ha reportado también Martínez². Herrera et al. (2002), evaluaron el prototipo de cosechadora cubana de caña de azúcar con semiesteras CCA-3, en suelos vertisol con 52,5% de humedad, considerado como alta humedad. Los autores encontraron que en las zonas del camellón donde se produce con mayor frecuencia el tráfico de la cosechadora se produjeron incrementos de la resistencia a la penetración de 7,93 a 13,36% valores cercanos a los encontrados en esta investigación. Este incremento de la compactación del suelo, medido a partir del aumento de la resistencia a la penetración, está muy distante de los valores que se obtienen cuando se utilizan cosechadoras sobre neumáticos, como es el caso de las combinadas cubanas KTP-2M. Morejón et al. (2016), obtuvieron incrementos de este índice de 53,78% y de 42,625 en suelos Ferralíticos rojos compactados, para estas máquinas cosechando en condiciones secas, lo cual muestra cuan beneficioso para conservar las propiedades físicas iniciales del suelo resulta la utilización del sistema de rodaje con esteras.

La densidad aparente, previo a la cosecha, mostró un comportamiento similar a la variable anterior, al revelar incrementos con la profundidad (Figura 3), con valores de 0,89; 0,92 y 0,95 g/cm³ a los 10, 20 y 30 cm de profundidad, respectivamente. El valor promedio del perfil estudiado fue de 0,92 g/cm³ calificado por García et al. (2010), como característico de estos suelos.

Posterior a la cosecha los mayores valores se encontraron en la zona del centro del camellón (Cc), en los estratos de 0-10 y 10-20 cm de profundidad, con tenores de 0,98 y 0,97 g/cm³ respectivamente; los que representan un incremento del 8,9 y 4,3%, por ese orden, respecto a los valores iniciales. Los valores de densidad aparente medidos después del paso de la cosecha distan del 1,15 g/cm³ referidos por Rodríguez¹ como valor a partir del cual se afectan significativamente la porosidad del suelo y por tanto se limita el desarrollo del sistema radicular, el ahijamiento y el crecimiento general de la planta.

Como se aprecia en la Figura 3, la densidad aparente antes del paso de la cosechadora, en el centro del camellón, es superior a la de obtenida después del paso de la cosechadora en el centro del surco. Al iniciar la cosecha esta zona del campo está endurecida debido al tráfico de los medios mecanizados durante las labores de cultivo y como era de esperarse, después del paso de la cosechadora en el centro del camellón se obtienen los mayores valores de incremento de la compactación.

Al analizar la deformación del perfil del cantero o surco después de la cosecha, se determinó como media que se produce un hundimiento menor de 5 cm, en la zona correspondiente al cantero o surco (Figura 4). Este resultado se debe a la estabilidad direccional que le otorga a la cosechadora los sistemas de rodaje por esteras, que con mayor facilidad mantienen el curso por debajo del cantero. Al determinar la presión media específica de esta cosechadora se obtuvo que es de 67,7 kPa valor muy similar al propuesto por Rodríguez¹ de 60 kPa para máquinas sobre esteras durante el trabajo en condiciones de alta humedad. Estos resultados coinciden con lo planteado por Soler et al. (2013), en cuanto a que el uso de vehículos sobre esteras son una opción para reducir los daños al suelo por compactación y deformación del cantero en los campos donde la caña de azúcar se cosecha en periodos húmedos.

En condiciones de alta humedad del suelo, esta se encuentra por encima de la humedad crítica de compactación, valor al que se logra la mayor compactación del suelo según los ensayos Proctor, Pero, el suelo siempre se compacta, en mayor o menor medida, cuando las presiones que soporta son superiores a su resistencia a la compresión. Por lo tanto, es necesario durante la cosecha en alta humedad utilizar medios que ejerzan bajas presiones sobre el suelo, como es el caso de esta cosechadora CASE IH A8800, debido a la baja resistencia a la compresión que tiene el suelo en estas condiciones.

La humedad del suelo de 60,8% en que se realizaron los ensayos de esta investigación es superior a aquella de 50% que consideró Rodríguez¹, como límite (por la capacidad de paso y la afectación al suelo) para el trabajo de los medios que se utilizan tradicionalmente, en condiciones secas, para el transporte y cosecha de la caña de azúcar. Este autor estimó que la cosecha con medios adecuados para el trabajo en alta humedad podía hacerse hasta humedades de 70%. Los resultados de este trabajo muestran que la selección de una cosechadora con esteras es uno de los caminos a seguir para la reducción de la afectación al suelo durante la cosecha de la caña de azúcar en el tipo de suelo objeto de esta investigación.

Conclusiones