Efecto de dos sistemas de labranza sobre la infiltración en suelos Ferralíticos Rojos

Introducción

La utilización de la maquinaria agrícola causa compactación en los suelos, lo que reduce la porosidad e incrementa la densidad aparente del mismo, disminuyendo de este modo la tasa de infiltración del suelo (Chyba et al., 2014).

La infiltración es el movimiento del agua desde la superficie del suelo hacia el interior del mismo bajo la acción de las fuerzas de gravedad y la atracción capilar entre el suelo y el agua; la velocidad con que ocurre este proceso, en relación con la velocidad de suministro del agua, determina la cantidad de humedad que puede almacenarse en la zona radicular y qué cantidad de la lluvia ocurrida podría convertirse en escurrimiento. De acuerdo con Hillel (1980), la tasa de infiltración afecta no solo la economía del agua de las comunidades vegetales, sino que también influye sobre la cantidad de escurrimiento superficial y su correspondiente efecto sobre el riesgo de erosión.

De lo anterior se desprende que cualquier acción sobre el suelo que disminuya la tasa de infiltración, restringe la entrada de agua al suelo, y con ello disminuye el beneficio de la lluvia o el riego como suministrador de agua para las plantas, se incrementa el escurrimiento y por consiguiente el riesgo de erosión.

Entre los múltiples factores que intervienen en la capacidad de infiltración del suelo y la tasa a la que esta se produce se destaca la compactación. La compactación es causada fundamentalmente por el tráfico de la maquinaria agrícola, la cual reduce la porosidad e incrementa la densidad aparente de los suelos dando lugar con esto a la reducción de la tasa de infiltración al compararlo con similar suelo no compactado (Liebig et al., 1993; Yuxia et al., 2001; Hamza y Anderson, 2005; Chyba et al., 2014)as part of a study of controlled traffic farming, assessed the impact of compaction from wheel traffic on soil that had not been trafficked for 5 years. A tractor of 40 kN rear axle weight was used to apply traffic at varying wheelslip on a clay soil with varying residue cover to simulate effects of traffic typical of grain production operations in the northern Australian grain belt. A rainfall simulator was used to determine infiltration characteristics. Wheel traffic significantly reduced time to ponding, steady infiltration rate, and total infiltration compared with non-wheeled soil, with or without residue cover. Non-wheeled soil had 4-5 times greater steady infiltration rate than wheeled soil, irrespective of residue cover. Wheelslip greater than 10% further reduced steady infiltration rate and total infiltration compared with that measured for self-propulsion wheeling (3% wheelslip. El tipo de labor de preparación del suelo, al influir sobre la compactación de los mismos (Martínez et al., 2016) también influye sobre la tasa de infiltración

Bennett y Allison (1962), al realizar el primer estudio ordenado de los suelos cubanos señalaron para los suelos de la familia Matanzas (hoy clasificados dentro del tipo Ferralíticos rojos, Instituto de Suelos, 1980) ¨Bajo todas condiciones el agua pasa hacia abajo a través de la masa completa del suelo a un promedio muy rápido. Naturalmente siempre hay gran espacio poroso. Probablemente esto se deba a una tendencia de los coloides a mantenerse separados en un estado más o menos granular o una condición estructural opuesta a la del suelo desfloculado donde los granos individuales tienden a reunirse obstruyendo los espacios porosos¨. A pesar de que estos autores no brindaron información cuantitativa de las propiedades del suelo, su aseveración sobre el ¨paso rápido del agua a través de la masa completa del suelo¨ puede interpretarse como que al momento de su estudio estos suelos presentaban una excelente velocidad de infiltración.

Martínez et al. (2016), en suelo ferralítico rojo compactado, midieron el efecto de dos tecnologías de preparación de suelos, a las que denominaron labranza tradicional (LT, arado de tres discos y grada de arrastre de 28 discos) y conservacionista (LC, multiarado de dos órganos y tiller de 11 órganos) y encontraron un 12% más alto el valor de compactación en el tratamiento de LT al compararlo con LC hasta la profundidad de 0,5 m; sin embargo, no evaluaron el posible efecto de este comportamiento sobre la infiltración del suelo para ambos sistemas de preparación.

Dada la importancia que tiene la compactación sobre la capacidad de infiltración de los suelos, y utilizando el mismo sitio experimental estudiado por Martínez et al. (2016), en el presente trabajo se midió el efecto de los sistemas de preparación del suelo mediante preparación convencional y preparación conservacionista sobre la infiltración y la densidad aparente del suelo.

Métodos

Características del suelo del área

El trabajo se realizó en la Estación Experimental del Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (UCTB Pulido) localizada en el municipio de Alquizar, provincia de Artemisa (Latitud 22046ʹ 49,2ʺ N y Longitud 820, 36ʹ 06,69ʺ W).

El suelo es un suelo Ferralítico rojo compactado (Instituto de Suelos, 1980) cuyas principales propiedades hidrofísicas según Cid et al. (2012), se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Principales propiedades hidrofísicas del suelo Ferralítico rojo compactado de la Estación Experimental del Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola, según Cid et al. (2012).

Tecnologías de preparación del suelo

Las diferentes formas de preparación del suelo fueron descritas anteriormente por Martínez et al. (2016), el campo está dividido en dos parcelas de 0.46 ha cada una, en una de ellas la preparación del suelo se realiza por laboreo tradicional (LT) basada en el uso de arados y gradas de discos que provocan la inversión del prisma del suelo y en la otra mediante tecnología en que al preparar el suelo para la siembra el prisma no se invierte y a la que Martínez et al. (2016), denominaron tecnología de conservación (TC). La secuencia de labores empleadas en cada tecnología y el implemento utilizado en cada una de ellas así como la profundidad que alcanzó cada labor se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2. Secuencia de labores e implementos utilizados en las dos tecnologías de preparación de suelos, según Martínez et al. (2016)

Determinación de la infiltración

La infiltración fue determinada mediante el método de anillos concéntricos (Cid, 1988). Al momento de la prueba la parcela fue cosechada manualmente 30 días antes (maíz) y los residuos de cosecha habían sido extraídos del campo. En cada tratamiento de preparación de suelos se realizaron las pruebas utilizando en cada caso tres pares de anillos concéntricos con diámetros de 28/53 cm, 30/55 cm and 32/57 cm. La altura de los anillos es de 25 cm con un borde biselado para su mejor introducción en el suelo. Cada anillo fue introducido en el suelo hasta una profundidad de 10 cm y nivelado según los procedimientos indicados en la Norma cubana NC 1047-2014 (Oficina Nacional de Normalización, 2014). La humedad del suelo al momento de realizar la prueba en la profundidad desde 0 a 0.4 m era del 68 y 56% de la capacidad de campo para el tratamiento TC y LT respectivamente.

Los Datos obtenidos de las pruebas de campo fueron ajustados según el modelo propuesto por Kostiakov (Cid, 1988) y cuya expresión matemática para la infiltración acumulada es:

(1)

donde:

Z - infiltración acumulada (L t^-1);

t - tiempo de infiltración;

K,n - constantes empíricas que varían con cada tipo de suelo.

 

Para la infiltración en un instante cualquiera (infiltración instantánea, i)

(2)

Con parametros similares a (1).

En cada anillo se tomaron muestras para la determinación de la humedad del suelo antes de cada prueba, al finalizar la misma y 24 horas después. Las muestras antes de la prueba se tomaron al lado del anillo infiltrometroy las posteriores en el centro de la superficie cubierta por estos. Las muestras antes y 24 horas despues fueron tomadas con barrena y las inmediatamente despues con barrenas equipadas con cilindros de 100 cc de volumen con el fin de determinar tambien la densidad aparente.

Resultados y Discusión

La Figura 1 muestra los valores de densidad aparente (Da) y la desviación estandar (ds) para cada uno de los dos tratamientos de preparación del suelo. Aun cuando el tratamiento de tecnología de conservación muestra menores valores de Da que el laboreo convencional, ambos superan los valores tipicos para estos suelos. Hernández et al. (2014), al estudiar 38 perfiles de suelos Ferraliticos rojos de la Habana, encontro que para los perfiles de suelos no alterados antropogenicamente (bosques de más de 100 años) el valor de Da hasta la profundidad de 0,5 m no superaba 1,10 g cm-3, mientras que para los perfiles intensamente cultivados los valores de Da alcanzaban hasta 1,35 g cm-3.A partir de1968 (fecha aproximada de comienzo de las trabajos de investigación en la Estación Experimental del Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola, donde se realizó el trabajo) varios investigadores al desarrollar experimentos de riego en diferentes áreas de esta estación experimental realizaron determinaciones de la Da, lo que permite tener una idea de la evolución de este parámetro.

De este modo, en 1977 (Carrillo, 1979) encontró valores de 1,07 a 1,19 g cm-3desde 0,1 a 0,3 m de profundidad, mientras que en 1980 (Hernández, 1985) los valores de Da para este mismo horizonte de suelo fueron muy similares (0,92 a 1,19g cm-3). La tendencia al aumento de la Da con la profundidad es al parecer una condición normal en estos suelos según los valores observados en la Figura 1 y que coincide con las tendencias encontradas en los trabajos de Carrillo (1979) y Hernández (1985), para el área de la Estación Experimental y por Hernández et al. (2014), para diferentes sitios y condiciones de explotación del suelo.

Las diferencias encontradas en los valores de Da entre los tratamientos hasta la profundidad de 0,3 m fueron significativamente diferentes para p ˂ 0,95 según la prueba t de Student, mientras que a 0,4 m no se encontraron diferencias significativas. Estas diferencias dieron lugar a variaciones en la porosidad (porosidad = 1- (Da/2,65) que incrementaron desde 1,2% en la capa superficial del suelo hasta más de 3% a los 0,3 m (Figura 2), sin variación para la profundidad de 0,4 m.

De este modo, en 1977 (Carrillo, 1979) encontró valores de 1,07 a 1,19 g cm-3desde 0,1 a 0,3 m de profundidad, mientras que en 1980 (Hernández, 1985) los valores de Da para este mismo horizonte de suelo fueron muy similares (0,92 a 1,19g cm-3). La tendencia al aumento de la Da con la profundidad es al parecer una condición normal en estos suelos según los valores observados en la Figura 1 y que coincide con las tendencias encontradas en los trabajos de Carrillo (1979) y Hernández (1985), para el área de la Estación Experimental y por Hernández et al. (2014), para diferentes sitios y condiciones de explotación del suelo.

Las diferencias encontradas en los valores de Da entre los tratamientos hasta la profundidad de 0,3 m fueron significativamente diferentes para p ˂ 0,95 según la prueba t de Student, mientras que a 0,4 m no se encontraron diferencias significativas. Estas diferencias dieron lugar a variaciones en la porosidad (porosidad = 1- (Da/2,65) que incrementaron desde 1,2% en la capa superficial del suelo hasta más de 3% a los 0,3 m (Figura 2), sin variación para la profundidad de 0,4 m.

Las diferencias en Da y porosidad con la profundidad, independientemente de la tendencia natural en estos suelos al aumento de la densidad con la profundidad del perfil, indican el efecto producido en la compactación del suelo por ambos sistemas de preparación. Este efecto se hizo más notable a la profundidad de labor (0,3 m) donde en el caso del laboreo convencional con el arado de discos y la grada, también de discos, herramientas de labranzas estas que invierten el prisma de suelo, y para ello deben ejercer fuerza sobre la profundidad en que se apoyan, son propensas a compactar el suelo a esa profundidad de apoyo. Por otra parte, tanto el multiarado, si está bien regulado, como el tiller no invierten el prisma de suelo y por tanto su efecto de compactación es menor.

La Figura 3 muestra el comportamiento de la infiltración acumulada y la Figura 4 la infiltración instantánea para los dos tratamientos de preparación del suelo estudiados.

Según las Figuras 3 y 4 el tratamiento de tecnología de conservación supera la infiltración instantánea y acumulada en relación a la preparación convencional. Lo anterior es congruente con el incremento promedio de la densidad aparente desde 1.21% hasta 3.8% (Figura 2) en el perfil de 0 a 0.3 m del suelo preparado convencionalmente en relación a la preparación mínima. En este sentido, Orjuela-Matta et al. (2010), al estudiar diferentes modelos de cálculo de la infiltración para un Oxisol de Colombia y relacionar los parámetros de los mismos con la Da, encontraron una correlación inversa entre esta propiedad y los diferentes parámetros, lo cual para los autores antes señalados este comportamiento confirma que a mayor densidad aparente, la velocidad de infiltración disminuye; por su parte, Chyba et al. (2014), hallaron que una presión superficial en el rango de 200-250 kPa redujo la infiltración del agua en el suelo en más de 80% in comparación con el suelo no saturado. Hernández-Florez et al. (2009), al estudiar los principales problemas de degradación de suelos asociados con actividades agropecuarias y su efecto en la infiltración de agua, concluyeron que la capacidad de infiltración de los suelos se vio disminuida para todos los usos debido al exceso de labranza, las quemas y al pisoteo del ganado, y señalaron también que el cambio del uso del suelo disminuyó la capacidad infiltración, afectando su función dentro del ciclo hidrológico.

En la Tabla 3 se muestran los parámetros de las ecuaciones de infiltración acumulada e instantánea, así como el valor de la infiltración básica para cada tratamiento (promedio de los tres anillos en cada sitio), los mismos son significativamente diferentes entre sí para ambos sistemas de preparación de tierras según la prueba t de Student. En correspondencia con las curvas de infiltración acumulada e instantánea mostradas en la Figuras 3 y 4, los valores de los parámetros de la ecuación de Kostiakov para el tratamiento de preparación mínima fueron superiores al de la preparación convencional.

Tabla 3. Parámetros de la ecuación de Kostiakov para las dos formas de preparación del suelo

[i] Los promedios de los parámetros de las ecuaciones de infiltración para ambos tratamientos difieren para p˂ 1% según la prueba t Student

Cid y Herrera (1987), al estudiar el comportamiento de la infiltración en estos mismos suelos variando la humedad inicial desde 100% hasta 70% de Capacidad de campo, encontraron también un incremento en los valores de los coeficientes de la ecuación de Kostiakov en la medida en que disminuía la humedad inicial y por tanto se incrementaban los valores de infiltración. Landini et al. (2007), han vinculado los valores de K a la humedad inicial del suelo, mientras que n lo relacionan con la distribución estructural del suelo. Según lo anterior, los menores valores de n en el tratamiento LT con respecto a TC se corresponden con las diferencias en la Da (Figura 2) entre ambos sistemas de preparación, toda vez que los menores valores de Da se corresponden con una mayor porosidad y un mejor estado estructural del suelo.

La infiltración básica determinada en pruebas con anillos de infiltración se correlaciona bien (R²= 0,98) con la conductividad hidráulica determinada por el método inverso del hoyo de barrena, utilizado en suelos donde no se encuentra un nivel freático superficial Márquez y Salgueiro (1984). De este modo, a partir de los datos de la Tabla 2 se puede calcular un valor de conductividad hidráulica saturada de 3,37 (0,81m dia^-1) y 2,62 cm h^-1(0.62 m dia^-1) para los tratamientos LM y LT respectivamente; estos valores son muy inferiores a los encontrados por Cid y Herrera (1987), para este mismo suelo y lugar con valores de humedad inicial muy similar al valor con que se realizaron estas pruebas obtuvieron valores entre 13,7 y 15,9 cm h^-1, diferencias que pueden ser atribuidas al incremento de la compactación sufrida por estos suelos como producto de la preparación intensiva a la que han sido sometidos en los últimos 30 años.

La Figura 5 muestra la variación de la humedad antes de la prueba, inmediatamente después y a las 24 horas de la misma para ambos tratamientos. Al momento de la prueba la humedad hasta los 40 cm de profundidad del suelo fue como promedio en ambos sitios del 71% de la humedad a capacidad de campo. Luego de finalizada la prueba, en ambos tratamientos hay un incremento de la humedad del suelo que se incrementa en 62,1 y 49,2 mm para TC y LT respectivamente; el valor de infiltración acumulada en las pruebas fue como promedio en los tres anillos de cada tratamiento de 293,8 (+/- 62,1) y 240,9 (+/- 49.3) mm para PM y PC respectivamente. Al comparar estos valores con el incremento de la cantidad de agua en el perfil hasta los 40 cm de profundidad puede notarse que ambos tratamientos incorporaron alrededor del 21% del agua aplicada, sin embargo, 24 h después la redistribución de la humedad en TC muestra una mayor uniformidad que en TC, donde el movimiento del agua parece detenerse en los 30 cm de profundidad.

Este comportamiento del movimiento del agua en ambos perfiles concuerda con las diferencias en densidad aparente y variación de la porosidad entre los mismos mostradas en las Figuras 1 y 2 y ratifican el efecto negativo sobre el movimiento del agua en el perfil del suelo ocasionadas por la preparación convencional.

Conclusiones

El efecto de los sistemas de preparación del suelo sobre sus propiedades físicas ha sido estudiados por muchos autores Yuxia et al. (2001), Hamza y Anderson (2005), Hernández-Florez et al. (2009), Chyba et al. (2014)as part of a study of controlled traffic farming, assessed the impact of compaction from wheel traffic on soil that had not been trafficked for 5 years. A tractor of 40 kN rear axle weight was used to apply traffic at varying wheelslip on a clay soil with varying residue cover to simulate effects of traffic typical of grain production operations in the northern Australian grain belt. A rainfall simulator was used to determine infiltration characteristics. Wheel traffic significantly reduced time to ponding, steady infiltration rate, and total infiltration compared with non-wheeled soil, with or without residue cover. Non-wheeled soil had 4-5 times greater steady infiltration rate than wheeled soil, irrespective of residue cover. Wheelslip greater than 10% further reduced steady infiltration rate and total infiltration compared with that measured for self-propulsion wheeling (3% wheelslip, entre otros y todos coinciden al afirmar que las labores convencionales utilizando arados y gradas de discos ocasionan la compactación del suelo sobre todo en el horizonte donde estos alcanzan su mayor profundidad. Estos resultados coinciden con los encontrados por Martínez et al. (2016), en el suelo Ferralítico rojo y confirman los resultados de este trabajo donde TC al tener una mayor porosidad y densidad aparente que LT incrementó la tasa de infiltración y tuvo también un mejor patrón de redistribución del agua.

Uno de los objetivos de manejo de la llamada ¨Agricultura de Conservación¨ (FAO, 2013) es el mínimo movimiento del suelo a través de la siembra directa, el no cultivo del suelo, la permanencia de los residuos de cosechas en el campo y con ello, la prevención de la compactación del suelo a través del trafico controlado, lo cual según estos autores entre otros beneficios tiende a un uso más eficiente del agua precisamente por las mejoras que trae en el aumento de la capacidad de infiltración y la mejor redistribución y conservación del agua en el suelo. Los resultados de este trabajo, aun cuando son solo de tres años después (Martínez et al., 2016) del cambio de sistema de preparación confirman que en la medida en que se disminuye la intervención en el suelo hay una mejora en sus cualidades físicas, particularmente aquellas relacionadas con el movimiento del agua, lo cual abre la interrogante de la posibilidad de mejorar aún más si se siguen los principios en los que se basa la agricultura de conservación, sobre todo la práctica de la siembra directa.