[I] Universidad
Central de Venezuela, Facultad de Ciencias, Instituto de Zoología y
Ecología Tropical, Centro de Ecología Aplicada, Laboratorio de
Agroecología, Caracas, Venezuela.
[II] Universidad Central de Venezuela, Facultad de Ingeniería, Escuela Básica, Laboratorio de Investigación, Caracas, Venezuela.
[*] Author for correspondence: Alonso David Ojeda-Falcón, e-mail: alonso.ojeda@gmail.com
ABSTRACT
The
severe and moderate erosion of soils has caused the degradation of 80%
of the agricultural land of the planet. Sloping agriculture, without
soil conservation measures, together with the occurrence of extreme
climatic events, increasingly frequent, as a consequence of climate
change, has accelerated these phenomena, at rates of 5-7 million
degraded hectares/year. In this work, 137Cs, an anthropogenic
environmental radionuclide, was used to estimate soil erosion rates in a
vegetable agroecosystem located in Waraira Repano National Park, Vargas
State, Venezuela. With this aim, three soil cores were extracted,
sectioned at depths of 0-20; 20-40 and 40-60 cm, in each of the 26 and
28 equidistant vertices distributed in the study and reference sites,
respectively. Measuring the activity of 137Cs in each depth,
it was possible to establish the contrasting patterns of its
distribution within the profiles; and through the use of conversion,
Proportional and Mass Balance I models, the estimation of erosion rates
was obtained. These showed gross and net erosion rates of 24.7 and 39.7;
and 19.8 and 29.3, Mg ha-1 year-1, respectively.
The benefits of nuclear techniques in soil erosion and redistribution
studies are confirmed; allowing forecasting prospectively and
retrospectively, the vulnerability of the productive capacity of the
soils, which compromises the sustainability of agriculture, particularly
in soils that are very susceptible to erosion, when their degree of
water saturation is exceeded.
Soil
degradation has affected more than 1.9 billion hectares of the world's
cultivated lands, due to severe-moderate erosion phenomena, caused by
surface-water action (Mabit et al., 2014).This,
in turn, generates ecological and socio-economic impacts, associated
with the reduction of soil productivity, water pollution and the
sedimentation phenomena of reservoirs and rivers. Consequently,
techniques to determine erosion rates, that offer practicality,
certainty and, allow a prospective and retrospective assessment, have a
high significance for decision-makers regarding public policies in
agriculture and the environment.
The
environmental, anthropic and natural radionuclides can be used as
tracers because they are deposited in the soil from the atmosphere by
precipitation, subsequently suffering the same redistribution due to the
different erosion factors to which the soils they adhered to are
subjected. The main radionuclides used for this type of study are: 7Be of cosmogenic origin; 137Cs
of anthropogenic origin, generated by tests of thermonuclear weapons
and accidents in nuclear reactors (Chernobyl, Fukushima and others on a
smaller scale); 210Pb of natural origin, generated from the 222Rn decay of the 238U series, part of the 222Rn diffuses through the subsoil to the atmosphere where it decays to 210Pb and eventually precipitates and redistributes in the soils. By measuring the activity of 210Pb and 226Ra parent, it is possible to determine the 210Pexcess that is out of balance with the 226Ra (Zapata, 2002).
Accordingly, using Gamma spectroscopy to measure the activity of 137Cs, 210Pbexc and 7Be,
deposited in the soil, even in very low quantities, information to
generate distribution patterns, erosion rates, and sedimentation can be
determined, at different time scales. Therefore, depending on the
radionuclide used, different time spans can be integrated, from a
singular event up to a period of three months measuring the activity of 7Be, up to periods ranging from 30 years in the case of 137C (anthropogenic) to 100 years with 210Pbexcess.
Erosion
estimates with nuclear techniques, are retrospective. They can be
obtained conveniently, making a single sampling at the study sites,
without intervening in normal farming operations. Measurements can be
scaled from plots to watersheds, without any other consequence than an
increase in the number of samples to be analyzed; and in turn, the soils
redistribution rates represent the integrated effects of the movement
of particulate material, under the uses and management of each unique
ecosystem. Hence, nuclear techniques through the use of environmental
radionuclides have been widely used for these purposes (Ritchie y McHenry, 1990; Zapata, 2002; Mabit et al., 2014).
The anthropogenic 137Cs
radionuclide circulates in the atmosphere following nuclear explosions
and accidents that have occurred since 1950. This radionuclide enters
the soil through atmospheric precipitation and is strongly retained in
the organic-mineral complex of the layers more superficial soils
according Mabit et al. (2002) and their vertical migration is very limited (Bunzl et al., 1989). The redistribution balance or total activity of the 137Cs
radionuclide per unit area is based on its inventory, measured at a
given sampling site and compared to a reference site corresponding to an
inventory of accumulation of inputs, taking into account the difference
in behavior of cultivated soils (study sites) and non-cultivated soils
(reference area). The quantitative estimation of the erosion and
sedimentation rates from the measurements of the 137Cs
activities requires the use of conversion models that are developed
based on the physical processes that influence the interrelations
between the magnitude of the reduction or increase in the inventory of 137Cs and land redistribution.
The main objective of this work was to use the 137Cs
measurements and the Proportional and Mass Balance-1 conversion models
to estimate the net erosion rates in a slope agroecosystem cultivated
with horticulture.
The
study area was located in Waraira Repano National Park, Camino de Los
Españoles, next to Caracas Valley, of tectonic origin and formed with
Tertiary and Quaternary sediments. It is part of the Venezuelan central
coast mountain range, which extends, around four hundred kilometers,
parallel to the coast in an east-west direction, from the depression of
the Unare to the depression of Yaracuy.
TABLE 1.
Geographic coordinates of reference area and study sites, National Park Waraira Repano
Longitude West
Latitude North
Locations
Reference area and study sites
66.95169
10.543487
El Fortín de La Cumbre, south slope
Reference Area (RA)
66.94493
10.549852
Production Unit Hoyo de La Cumbre
Study area, erosion site (ES)
66.94467
10.549769
Production Unit Hoyo de La Cumbre
Study area, deposition site (DS)
Table 1 shows the geographic coordinates of the study sites described following:
Reference
area (RA) was located in El Fortín de La Cumbre, historically
identified as one and the largest of a line of small fortifications that
guarded the Camino de Los Españoles; built in 1770, located at 1,428
meters above sea level, with an average annual rainfall of 774 mm
according to the record of the meteorological station, serial 5050.
Study
sites: The erosion site (ES) is located in Hoyo de La Cumbre, an area
under agricultural development since ancient times. It is a horticulture
agroecosystem, located 700 meters from El Fortín de La Cumbre
(reference area) where slope agriculture has been practiced, with power
tiller, sprinkler irrigation and fertilization with NPK formulas
12-24-12 in 2-3 ha extensions. The identification of the deposition site
(DS) was carried out in a narrow strip, close to the road bank, in
which there is an abrupt change of the slope and the sediments are
deposited (Fig. 1). In the DS, preliminary
field tests allowed determining an effective soil depth of 80 cm, in
contrast to the effective soil depth of 25-30 cm at the erosion site
(ES).
FIGURE 1.
North- south orientated plane and slope changes of the DS.
Soil sampling: In the RA a systematic
sampling of regular distribution (3 m x 5 m) was established, which
defined 28 vertices in 7 points and 4 rows. In the study area (ES and
DS) a sampling design similar to that of the RA was established, but
with spacing of 10 m x 10 m and a total of 26 points. At each central
sampling point, 2 replicas were taken at a radio distance of 0.5 m, for a
total of 3 sub-samples for each of the sampling depths: 0-20; 20-40 and
40-60 cm, which allowed forming a composite sample for each vertex and
study depth. It was only possible to obtain samples at depths of 60-80
cm in the deposit area.
In Figure 1,
the changes of the topography in the agroecosystem of horticulture with
two inclination planes are showed. They allowed identifying the erosion
site with 25% inclination and the deposition site, where sediments from
surface runoff was redistributed by the action of hydric erosion. The
lower plane, orientated towards the south-east, was localized at 1264.5 m
above sea level, whereas the highest plane orientated north-east, was
1279.5 m above sea level, originating a total variation of 15m in the
60m between the altitudinal extremes (Fig. 1 and 2).
The
soil cores extracted for each depth: 0-20; 20-40 and 40-60 cm, were
dried at room temperature, then homogenized, weighed and sieved, through
a 2 mm mesh. The 3 sub-samples of each point were mixed to form a
composite sample of each point/depth.
To determine the 137Cs
activity, a Canberra gamma spectrometer with hyperpure germanium, HPGe,
coaxial detector with relative efficiency of 30% and the Genie 2000
V3.1 program were used. Known masses of the composite samples placed in
identified, closed and sealed vessels were positioned in the HPGe
detector and measurements were taken in 48 and 72-hour periods.
FIGURE 2.
Changes in the topography of the horticulture agroecosystem at Hoyo de La Cumbre.
These measurements were carried out at
Nuclear Technology Unit of the Venezuelan Institute of Scientific
Research (IVIC).The activities expressed in Bq kg-1 were used to calculate depth of mass relaxation h0, and the activity of 137Cs was determined for the reference area using equation (1):
The
Surfer 9.0 program was used to map the local topography and express
erosion and deposition estimations in iso-concentrations associated with
each vertex of the sampling mesh. To achieve this, precision topography
(± 4 mm + 4 ppm) and the point of the geodesic network located at the
vertex: Carlota, edo. Miranda, Datum: SIRGAS-REGVEN (10°29'19''.3890 N
and 66°50'56''.5679 W) were used.
The reference area 137Cs inventory mean value of 671.69 Bq m-2,
was determined. This allowed obtaining the geo-referenced the soil net
erosion and deposition rates, using Proportional and Mass Balance-1
Conversion Models of 137Cs measurements to soil net erosion rates (Fig. 3 and 4,
respectively). In both figures, the total eroded (negative values) and
deposited (positive values) soil special distribution can be
appreciated. In both models, the maximum erosion and deposition rates
correspond to the areas of higher and lower inclination as well as of
higher and lower effective soil depth, respectively. The Proportional
and Mass Balance-1 Conversion Models showed maximum erosion rates of
40-45 Mg ha-1 year-1 and 55-65 Mg ha-1 year-1 , respectively. On the contrary, the deposition area, showed accumulation rates of 5-45 Mg ha-1 year-1 and 5-65 Mg ha-1 year-1,
for each model respectively. In the proximity to the ramp, where the
cultivated area ends, a concave shape is observed, being this
characteristic of annual soil gain in which the farmer admits he has
higher yields with less fertilization and higher soil humidity (Fig. 1).
The
order of magnitude of the maximum erosion rates estimated, agrees with
the results reported in the literature using nuclear techniques (Schuller et al., 2003 and Brígido et al., 2006). For south Chilean conditions, for example, where erosion phenomena were studied using 137Cs in an agroecosystem with 19% slope, cultivated and tilled intensely every year, erosion rates between 20 and 70 Mg ha-1 year-1 were estimated (Schuller et al., 2003).
Under Cuban conditions, an agroecosystem of undulated plane, with mean
inclination between 2 and 5% and maximums of 10%, farmed for more than
30 years, the net erosion rate estimated by Mass Balance-2 model was of
12.2 Mg ha-1 year-1, with 20 cm tillage (Brígido et al., 2006).
In
a maize-bean agricultural cultivated area, in volcanic soils of
Nicaragua, with annual mean precipitation rates of 1500 mm and slopes of
more than 26% , moderate net erosion rate of 28.3 Mg ha-1 year-1 was determined using a metric strip rod (Avilés, 2016).
Results in the same order of magnitude were determined in this work.
Using Proportional and Mass Balance-1 Conversion Models, the net erosion
rates estimated were 19.8 and 29.3 Mg ha-1 year-1, respectively, and a sedimentation velocity, for both models, was of 80%. Silva (2014), registered soil losses between 94 and 135 Mg ha-1 using sedimentation collectors, in a maize agro ecosystem with inclinations of 20 and 30%, respectively.
FIGURE 3.
Soil net erosion and distribution rates (Mg ha-1 year-1) using the Proportional Conversion Model.
Comparing estimation methods for net erosion rates, by means of runoff plots opposed to 137Cs with Proportional, Mass Balance-1 and Mass II Balance Conversion Models, Brígido et al. (2006),
obtained very similar results between the runoff plots and the Mass
Balance-2 Conversion Model. Nonetheless, Proportional and Mass Balance-1
Conversion Models results that could overestimate the net erosion rate.
The advantages and disadvantages of different conversion models have been thoroughly discussed by Walling et al., 2004, and they advise that the Proportional Conversion Model can overestimate soil loss due to loss of 137Cs
accumulated on the surface, prior to its assimilation to the profile.
In the same way, with the Mass Balance-1 Model, ignoring the 137Cs
loss due to recent precipitation events (inducing surface runoff and
subsequent erosion), before it is incorporated to the arable layer, as
well as the simplification that all the 137Cs deposit occurred in 1963, also induce overestimation in the erosion rates.
FIGURE 4.
Soil net erosion and distribution rates (Mg ha-1 year-1) obtained using the Mass Balance-1 Conversion Model.
Hence, as explained above, by using
Proportional and Mass Balance-1 Conversion Models, probably there could
be an overestimation of the net erosion rates reported in this work.
Nevertheless, the low mean annual precipitation in Hoyo de la Cumbre
(774 mm), the predominance of sand fraction, the mean pH (6.5) both, in
the reference area and in the study sites, and the management of surface
runoff in the study sites, induced to a thought. It is that the causes
of the erosion phenomena and the order of magnitude of the estimated net
erosion rate are mainly associated to the agricultural management and
not to the critical possible overestimation referred.
For the first time, nuclear 137Cs
technique with Proportional and Mass Balance-1 models in the study of
the net erosion rate is introduced in Venezuela. The results corroborate
moderate net erosion rates associated with intensive horticulture, in
slopes with more than 25% inclination and surface runoff management
practices. Furthermore, total surface erosion and deposition in the
study site were determined, in accordance with the order of magnitude of
the net erosion rate and soil redistribution. This allows an integrated
view of both phenomena, which are of substantial importance in the
formulation, execution, and evaluation of public policies by government
and private decision makers on environmental, agricultural, food
sovereignty. Thus, it contributes to soil and water assets preservation
through the combination of geographic information systems with the
benefits of nuclear techniques in the study of soil erosion and
redistribution. This technique allows identifying and evaluating the
impact of conservation measures of soil and water, in vast extensions of
watersheds, where hillside agriculture is widespread, which combined
with frequent extreme climate events, generates significant erosion
processes and loss of soil fertility with the consequent continuous
cycles of intensive fertilizing and pesticide applications, which also
contaminate waters.
ACKNOWLEDGEMENTS
The
authors wish to thank the IAEA program of technical cooperation through
Project ARCAL 5/051, as well as the Cuban Hygiene Protection and
Radiation Centre and the Nuclear Physics Laboratory of the Simon Bolivar
University, Venezuela, for its contribution in the capacitating of
human talent in our country. In the same way we wish to acknowledge the
following institutions: INPARQUE, Nuclear technology unit at the
Venezuelan Institute of Scientific Research IVIC and FONACIT for
financing project Nº 2011001061
REFERENCES
AVILÉS,
S.A.: Efectos de los sistemas de cultivo-arboles-pastos sobre la
erosión laminar y la calidad de suelo en la micro cuenca Tecomapa,
municipio de Somotillo-Nicaragua, [en línea], Universidad Nacional
Agraria, Facultad de Recursos Naturales y del Ambiente., MSc. Thesis,
Nicaragua, 97 p., 2016, Disponible en: http://repositorio.una.edu.ni/3376/1/tnf08a958.pdf
, [Consulta: 20 de junio de 2018].
BRÍGIDO,
O.; MENDOZA, L.; MONTALVÁN, A.; RODRÍGUEZ, D.: “Cuantificación de
procesos erosivos en suelos agrícolas empleando las precipitaciones
radiactivas globales del Cesio-137. VI Congreso Sociedad Cubana de la
Ciencia del Suelo. Memorias CD Rom. Sociedad Cubana de la Ciencia del
Suelo”, [en línea], En: VI Congreso de la Sociedad Cubana de la Ciencia
del Suelo, La Habana, Cuba, 8 de marzo de 2006, DOI:
10.13140/RG.2.1.1754.5122, ISBN: 959-7023-35-0, Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/260388346
, [Consulta: 17 de noviembre de 2018].
BUNZL,
K.; SCHIMMACK, W.; KREUTZER, K.; SCHIERL, R.: “The migration of fallout
134Cs, 137Cs and 106Ru from Chernobyl and of 137Cs from weapons testing
in a forest soil”, Zeitschrift für Pflanzenernährung und Bodenkunde,
152: 39-44, 1989, ISSN: 0044-3263, DOI:
https://doi.org/10.1002/jpln.19891520108.
MABIT,
L.; BERNARD, C.; WICHEREK, C.; LAVERDIÈRE, M.R.: Applied Geomorphology,
Theory and Practice, [en línea], Ed. John Willey & Sons, UK,
197-203 p., 2002, Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/257948164
, [Consulta: 15 de enero de 2015].
MABIT,
L.; ZAPATA, F.; DERCON, G.; BENMANSOUR, M.; BERNARD, C.; WALLING, D.E.:
Guidelines for Using Fallout Radionuclides to Assess Erosion and
Effectiveness of Soil Conservation Strategies, [en línea], Ed.
IAEA-TECDOC-1741, 2014, ISBN: 978-92-0-105414-2, Disponible en: https://www.iaea.org/publications/10501
, [Consulta: 17 de noviembre de 2018].
RITCHIE,
J.C.; MCHENRY, J.R.: “Application of radioactive fallout cesium-137 for
measuring soil erosion and sediment accumulation rates and patterns: a
review”, Journal of environmental quality, 19(2): 215-233, 1990, ISSN:
0047-2425, DOI: 10.2134/jeq1990.00472425001900020006x.
SCHULLER,
P.; ELLIES, A.; CASTILLO, A.; SALAZAR, I.: “Use of 137Cs to estimate
tillage-and water-induced soil redistribution rates on agricultural land
under different use and management in central-south Chile”, Soil and
Tillage Research, 69: 69-83, 2003, ISSN: 0167-1987.
SILVA,
O.: “El bosque y su suelo: relación única, funciones imprescindibles. I
Simposio sobre impacto ambiental en el clima, suelo, fauna y flora por
pérdida de nuestros bosques. Degradación de los suelos a causa de la
pérdida de los bosques”, En: Universidad Central de Venezuela, Facultad
de Agronomía , Montalbán, Venezuela, 2014, DOI: 10.13140/2.1.2974.3688.
WALLING,
D.E.; QUINE, T.A.: “Calibration of caesium‐137 measurements to provide
quantitative erosion rate data”, Land Degradation & Development,
2(3): 161-175, 1990, ISSN: 1085-3278.
WALLING,
D.E.; ZHANG, X.B.; HE, Q.: Erosion and Effectiveness of Soil
Conservation Strategies, Ed. IAEA-TECDOC-1741, 213 p., 2014, ISBN:
978-92-0-105414-2.
ZAPATA,
F.: Handbook for the Assessment of Soil Erosion and Sedimentation Using
Environmental Radionuclides, Ed. Kluwer Academic Publishers, UK, 219
p., 2002, ISBN: 978-0-306-48054-6.
ZHANG,
X.B.; HIGGITT, D.L.; WALLING, D.E.: “A preliminary assessment of the
potential for using cesium 137 to estimate rates of erosion in the Loess
Plateu of China”, Hydrology Science Journal, 35: 267-276, 1990.
ARTÍCULO ORIGINAL
Determinación de tasas de erosión neta de suelo utilizando 137Cs en un agroecosistema de ladera
[I] Universidad
Central de Venezuela, Facultad de Ciencias, Instituto de Zoología y
Ecología Tropical, Centro de Ecología Aplicada, Laboratorio de
Agroecología, Caracas, Venezuela.
[II] Universidad Central de Venezuela, Facultad de Ingeniería, Escuela Básica, Laboratorio de Investigación, Caracas, Venezuela.
[*] Author for correspondence: Alonso David Ojeda-Falcón, e-mail: alonso.ojeda@gmail.com
RESUMEN
La
erosión severa y moderada de los suelos ha ocasionado la degradación de
un 80% de las tierras agrícolas del planeta. La agricultura en
pendiente, sin medidas de conservación de suelos, unida a la ocurrencia
de eventos climáticos extremos, cada vez más frecuentes, como
consecuencia del cambio climático, han acelerado estos fenómenos, a
tasas de 5-7 millones de hectáreas degradadas/año. En este trabajo se
utilizó la espectroscopía gamma para determinar la actividad del 137Cs,
un radionúclido ambiental de origen antrópico, para estimar las tasas
de erosión de suelo, en un agroecosistema de hortalizas, ubicado en el
Parque Nacional Waraira Repano, estado Vargas, Venezuela. Con este
objetivo, se extrajeron tres núcleos de suelo, seccionados a las
profundidades: 0-20; 20-40 y 40-60 cm, en cada uno los 26 y 28 vértices
equi distante, distribuidos en los sitios de estudio y referencia,
respectivamente. La actividad del 137Cs determinada en cada
profundidad, permitió establecer patrones contrastantes de su
distribución en los perfiles; y sirvió para estimar las tasas de
erosión, mediante los modelos de conversión, Proporcional y de Balance
de Masas I, que arrojaron tasas de erosión bruta y neta de: 24,7 y 39,7;
y 19,8 y 29,3, Mg ha-1 año-1, respectivamente.
Los beneficios de las técnicas nucleares, permiten además, determinar la
redistribución de los suelos; y prever prospectiva y
retrospectivamente, la vulnerabilidad de la capacidad productiva de los
suelos, que compromete la sustentabilidad de la agricultura,
particularmente en suelos muy susceptibles a la erosión, al sobrepasar
su grado de saturación hídrica.
Palabras clave:
degradación; conservación de suelos; modelos de conversión; espectroscopía gamma.
La
degradación de los suelos ha afectado más de 1,9 billones de hectáreas
de las tierras cultivadas del mundo, debido a fenómenos de erosión,
severa-moderada, originada por la acción hídrica-superficial (Mabit et al., 2014).
Esto, a su vez, genera impactos ecológicos y socio-económicos,
asociados a la reducción de la productividad de los suelos, a la
contaminación de las aguas y a los fenómenos de sedimentación de
embalses y ríos. De allí, que las técnicas para determinar tasas de
erosión, que ofrezcan practicidad, certidumbre; y, permitan una
valoración prospectiva y retrospectiva, tienen una alta significación
para decisores en materia de políticas públicas en agricultura y
ambiente.
Los radionúclidos ambientales,
antrópicos y naturales pueden ser utilizados como trazadores debido a
que, son depositados en los suelos desde la atmósfera mediante
precipitación, sufriendo posteriormente la misma redistribución debido a
los diferentes factores de erosión a los cuales están sometidos los
suelos a los que se adhieren. Los principales radionúclidos utilizados
para este tipo de estudio son: 7Be de origen cosmogénico; 137Cs
de origen antropogénico, generados por pruebas de armas termonucleares y
accidentes en reactores nucleares (Chernobyl, Fukushima y otros a menor
escala); 210Pb de origen natural, proveniente del decaimiento del 222Rn de la serie de decaimiento del 238U, parte del 222Rn se difunden a través del subsuelo hacia la atmósfera donde decae a 210Pb y eventualmente precipita y se redistribuye en los suelos. Midiendo la actividad del 210Pb y del padre 226Ra es posible determinar el 210Pbexceso que se encuentra fuera de equilibrio con el 226Ra (Zapata, 2002).
Es así que, midiendo la actividad, por espectroscopia Gamma, de 137Cs, 210Pbexc y 7Be,
depositados en el suelo, aun en cantidades muy bajas, se puede
determinar información para generar patrones de distribución, tasas de
erosión y sedimentación, en distintas escalas temporales. Dependiendo
del radionúclido utilizado, se pueden integrar lapsos temporales
diferentes, desde un evento singular hasta un lapso de tres meses con
las medidas de la actividad del 7Be, hasta periodos que van desde 30 años en el caso del 137C (antropogénico) hasta 100 años con 210Pbexceso.
Las
estimaciones de erosión con técnicas nucleares, son retrospectivas,
pueden obtenerse oportunamente, realizando un solo muestreo en los
sitios de estudio, sin intervenir en las operaciones normales de
cultivo; las mediciones, pueden escalarse desde parcelas hasta cuencas
hidrográficas, sin ninguna otra consecuencia que el incremento del
número de muestras a ser analizadas; y a su vez, las tasas de
redistribución de los suelos, representan los efectos integrados del
movimiento del material particularizado, bajo los usos y manejos
singulares de los ecosistemas. Por estas razones, las técnicas nucleares
mediante el uso de radionúclidos ambientales han comenzado a ser
ampliamente utilizadas con estos fines (Ritchie y McHenry, 1990; Zapata, 2002; Mabit et al., 2014).
El 137Cs
es un radionúclido de origen antrópico, que circula en la atmósfera
terrestre, a raíz de las explosiones y accidentes nucleares ocurridos a
partir de 1950. Este radionúclido entra a los suelos mediante
precipitación atmosférica y es fuertemente retenido en el complejo
orgánico-mineral de las capas más superficiales de los suelos según Mabit et al. (2002) y su migración vertical es muy limitada (Bunzl et al., 1989). El balance de redistribución o actividad total del radionúclido por unidad de área está basado en el inventario de 137Cs,
medido en un sitio de muestreo dado, comparado con un sitio de
referencia que corresponde a un inventario de acumulación de las
entradas, tomando en cuenta la diferencia de comportamiento de los
suelos cultivados (sitios de estudio) y no cultivados (sitio de
referencia). La estimación cuantitativa de las tasas de erosión y
sedimentación a partir de las mediciones de actividades del 137Cs,
requiere el uso de modelos de conversión que son desarrollados sobre la
base de los procesos físicos que influencian las interrelaciones entre
la magnitud de la reducción o incremento en el inventario de 137Cs y la redistribución del suelo.
El objetivo principal de este trabajo es utilizar las mediciones de 137Cs
y los modelos de conversión, Proporcional y de Balance de Masa I, para
estimar las tasas de erosión neta en un agroecosistema en pendiente
cultivado con hortalizas.
El
área de estudio, se identificó en el Parque Nacional Waraira Repano,
Camino de Los Españoles, contiguo a El Valle de Caracas, de origen
tectónico y rellenado con sedimentos del Terciario y el Cuaternario.
Forma parte de la Cordillera de la Costa Central de Venezuela, de unos
cuatrocientos kilómetros de longitud, que se extiende paralela a la
costa en dirección este-oeste, desde la depresión del Unare hasta la
depresión de Yaracuy.
TABLA 1.
Coordenadas geográficas del área de referencia y los sitios de estudio, Parque Nacional Waraira Repano
Longitud Oeste
Latitud Norte
Localidades
Áreas de referencia y sitios de estudio
66.95169
10.543487
El Fortín de La Cumbre, vertiente sur
Área de referencia (AR)
66.94493
10.549852
Unidad de Producción Hoyo de La Cumbre
Sitio de estudio, área de erosión (SE)
66.94467
10.549769
Unidad de Producción Hoyo de La Cumbre
Sitio de estudio, área de depósito (SD)
La Tabla 1, muestra las coordenadas geográficas del área de referencia y los sitios de estudio, que a continuación se describen:
Área de referencia (AR):
Se localizó en El Fortín de La Cumbre, identificado como una y la mayor
de una línea de pequeñas fortificaciones que guardaban el Camino de los
Españoles; construida en 1 770, ubicada a 1 428 m.s.n.m., con una
precipitación promedio anual de 774 mm de acuerdo al registro de la
estación meteorológica, serial 5050.
Sitios
de estudio: Se encuentran ubicados en Hoyo de La Cumbre, que es una
zona bajo fomento agrícola desde tiempos remotos. Se trata de un
agroecosistema de hortalizas, localizado a 700 m del Fortín de La Cumbre
(área de referencia) en la que se practica una agricultura en
pendiente, con labranza de monocultivo, en extensiones de 2-3 ha; riego
por aspersión y fertilización con fórmulas de NPK 12-24-12. La
identificación del sitio de depósito (SD) se realizó en una
franja estrecha, próxima al talud de la vialidad, en la que se produce
un cambio abrupto de la pendiente y se depositan los sedimentos (Figura 1).
FIGURA 1.
Pendiente de orientación norte-sur y cambio de la pendiente en el SD.
En el SD, las pruebas
preliminares de campo permitieron determinar una profundidad efectiva
del suelo de 80 cm, en contraste con la profundidad efectiva del suelo
en el área de erosión (25-30 cm).
Muestreo de suelo: En el AR
se estableció un muestreo sistemático de distribución regular, 3 m x 5
m, que definió un total de 28 vértices en 7 puntos y 4 hileras. En el
área de estudio se estableció un diseño de muestreo similar al del área
de referencia, pero con distanciamientos de 10 m x 10 m y un total de 26
puntos. En cada punto central de muestreo, se tomaron 2 réplicas a una
distancia de radio de 0,5 m, para un total de 3 sub-muestras para cada
una de las profundidades de muestreo: 0-20; 20-40 y 40-60 cm, lo que
permitió formar una muestra compuesta para cada vértice y profundidad de
estudio. Sólo en el área de depósito, se obtuvieron muestras a las
profundidades de 60-80 cm.
La Figura 1
muestra los cambios de relieve en el agroecosistema de hortalizas con
dos planos de inclinación, que permitió identificar el sitio de erosión
con pendiente de 25% y el sitio de depósito, donde se redistribuyeron
los sedimentos provenientes de la escorrentía superficial por acción de
la erosión hídrica. El plano más bajo, orientado al sur-este, se
localizó a 1 264,5 msnm; mientras que el más alto, orientado al
nor-oeste, se ubicó a 1 279,5 msnm, originando un desnivel total de 15 m
separados por una distancia de 60 m entre ambos extremos altitudinales (Figuras 1 y 2).
FIGURA 2.
Cambios de relieve en el agroecosistema de hortalizas localizado en Hoyo de La Cumbre.
Los núcleos de suelo extraídos para cada
profundidad: 0-20; 20-40, 40-60 y 60-80 cm, se secaron a temperatura
ambiente, se homogenizaron, se pesaron y se tamizaron, a través de una
criba de 2 mm. Las 3 sub-muestras de cada punto se mezclaron hasta
formar una muestra compuesta de cada punto/profundidad.
En
envases rotulados, tapados y sellados, se colocaron las muestras
compuestas de masa conocida sobre el detector de Ge y se midieron por
períodos de 48 y 72 horas. Para la determinación de la actividad de 137Cs,
se utilizó un espectrómetro gamma con detector coaxial de Germanio
Hiperpuro de alta resolución, 30% de eficiencia relativa, marca Canberra
y el programa Genie 2000 V3.1. Las actividades de 137Cs, se
midieron en la Unidad de Tecnología Nuclear del Instituto Venezolano de
Investigaciones Científicas (IVIC). Una vez obtenidas estas actividades
expresadas en Bq kg-1, se procedió al cálculo de h0 y la actividad de 137Cs en el área de referencia, utilizando la ecuación (1):
Se
utilizó el programa Surfer 9.0, para mapear la topografía local y
expresar las estimaciones de erosión y depósito, en iso-concentraciones
asociadas a cada vértice de la malla de muestreo. Se utilizó una
estación total ±(4 mm + 4 ppm) y el punto de la red geodésica ubicado en
el vértice: Carlota, edo. Miranda, Datum: SIRGAS-REGVEN
(10°29´19´´.3890 N y 66°50´56´´.5679 W).
El inventario de 137Cs en el área de referencia, arrojó un valor promedio de 671,69 Bq m-2.
Esto nos permitió obtener los mapas geo-referenciados de las tasas de
erosión neta y depósito de suelos, empleando los modelos de conversión
de mediciones de 137Cs a tasas de erosión neta de suelos: modelo Proporcional y modelo de Balance de Masas I (Fig. 3 y 4,
respectivamente). En ambas figuras se presenta la distribución espacial
del total de suelo erosionado (valores negativos) y depositado (valores
positivos). En ambos modelos las máximas tasas de erosión y depósito,
coincidieron con las áreas de mayor y menor pendiente, mayor y menor
profundidad efectiva de los suelos, respectivamente. Los modelos de
conversión, Proporcional y de Balance de Masas I, mostraron las máximas
tasas de erosión en un orden de magnitud de 40-45 Mg ha-1 año-1 y 55-65 Mg ha-1 año-1, respectivamente. Por el contrario, el área de depósito, presentó tasas de acumulación de 5-45 Mg ha-1 año-1 y de 5-65 Mg ha-1 año-1,
respectivamente, para ambos modelos. En el área próxima al talud o
borde final del área de cultivo, se observa la forma cóncava,
característica de la ganancia anual de suelo y sobre la cual, el
productor admite, que obtiene mayores rendimientos, se conserva mayor la
humedad del suelo y utiliza menos fertilizantes (Figura 1).
El
orden de magnitud de las tasas máximas de erosión estimadas en este
trabajo, coinciden con los resultados de la literatura utilizando
técnicas nucleares (Schuller et al., 2003) y (Brígido et al., 2006). Para las condiciones del sur de Chile, por ejemplo, donde se estudiaron fenómenos de erosión utilizando 137Cs,
en un agroecosistema en pendiente (19%), cultivado y labrado
intensamente todos los años, y se estimaron tasas de erosión entre 20-70
Mg ha-1 año-1 (Schuller et al., 2003).
Para las condiciones de Cuba en un agroecosistema llano-ondulado, con
pendientes promedio de 2-5% y máximas de 10%, cultivado durante más de
30 años, se estimaron, empleando el modelo de Balance de Masas II y 137Cs, una tasa de erosión neta de 12,2 Mg ha-1 año-1, para una profundidad de arado de 20 cm (Brígido et al., 2006).
FIGURA 3.
Tasas de erosión neta y redistribución de suelo, utilizando el Modelo de Conversión Proporcional (Mg ha-1 año-1).
En Nicaragua, utilizando varilla con la cinta métrica, se determinaron tasas de erosión neta moderada de 28,3 Mg ha-1 a-1,
en sistema de tala-quema y fomento agrícola maíz-fríjol, en suelos de
origen volcánico, precipitaciones promedio anual de 1.500 mm y
pendientes superiores al 26% (Avilés, 2016).
Resultados en estos órdenes de magnitud, fueron obtenidos en este
trabajo, empleando los modelos de conversión, Proporcional y de Balance
de Masas I, que permitieron estimar tasas de erosión neta de 19,8 y 29,3
Mg ha-1 año-1, respectivamente; y una velocidad de la sedimentación, que en ambos casos fue de 80%. Silva (2014), en agroecosistemas de maíz, registró pérdidas mayores de suelo de 94 y 135 Mg ha-1 en pendientes de 20 y 30%, respectivamente, utilizando colectores de sedimentos.
FIGURA 4.
Tasas de erosión neta y redistribución de suelo, utilizando el Modelo de Conversión de Balance de Masas I (Mg ha-1 año-1)
Brígido et al. (2006), al comparar los métodos para la estimación de las tasas de erosión neta, utilizando parcelas de escurrimiento y el uso de 137Cs,
empleando los modelos de conversión: Proporcional, Balance de Masas I y
Balance de Masas II, encontraron resultados muy similares entre las
estimaciones con parcelas de escurrimiento y el modelo Balance de Masas
II, mientras que los modelos Proporcional y Balance de Masas I,
arrojaron resultados que podrían sobreestimar las tasas de erosión neta.
Las ventajas y desventajas de los distintos modelos de conversión han sido ampliamente discutidas Walling et al. (2014) y advierten, que en el modelo Proporcional, se pueden sobreestimar las pérdidas de suelo, debido a la remoción previa del 137Cs
acumulado sobre la superficie, antes de su incorporación al perfil; y
en el caso del modelo Balance de Masas I, al no considerar la remoción
del 137Cs recientemente precipitado durante los eventos de
lluvias (que inducen escorrentía superficial y por consiguiente
erosión), antes de su incorporación a la capa arable y la sobre
simplificación de que todo el depósito de 137Cs ocurrió en 1963, también induce una sobreestimación de las tasas de erosión.
Por
estas razones, al utilizar los modelos de conversión, Proporcional y
Balance de Masas I, es probable una sobreestimación de las tasas de
erosión neta estimadas en este trabajo. Sin embargo, la baja
precipitación promedio anual en Hoyo de La Cumbre (774 mm), el
predominio de la fracción de arena en estos suelos, un valor promedio
del pH (6,5) tanto en el área de referencia como en los sitios de
estudio y las prácticas de manejo de la escorrentía superficial
realizadas en el sitio de estudio, nos induce a pensar que las causas de
estos fenómenos de erosión y el orden de magnitud de las tasas de
erosión neta, están principalmente asociados al manejo de la agricultura
en pendiente y no a los factores críticos de posible sobreestimación
referidos en la literatura, cuando se emplean estos modelos de
conversión.
Se introduce por primera vez en Venezuela la técnica de uso de 137Cs,
para determinar las tasas de erosión neta y redistribución de suelo,
empleando los modelos de conversión Proporcional y Balance de Masas I.
Los resultados confirman tasas de erosión neta moderadas asociadas a la
agricultura intensiva de hortalizas, en laderas con pendiente de 25% y
prácticas de manejo de las aguas de escorrentía superficial.
Adicionalmente, se determinaron las superficies totales de erosión y
depósito en el sitio de estudio, de acuerdo al orden de magnitud de cada
una de las tasas de erosión neta y re-distribución de suelo, lo que
permite una visión integrada de ambos fenómenos de particular
importancia para la formulación, ejecución y evaluación de las políticas
públicas, por parte de decisores privados y gubernamentales en materia
ambiental, agrícola y soberanía alimentaria, que contribuyan a la
preservación de los bienes comunes de suelos y aguas, al combinar los
sistemas de información geográfica con las bondades de las técnicas
nucleares en estudios de erosión y redistribución de suelo. Esta técnica
permite identificar y evaluar el impacto de las medidas de conservación
de suelos y aguas en las grandes extensiones de las cuencas
hidrográficas, donde se ha generalizado la agricultura en laderas, que
unida a los frecuentes eventos extremos debido al cambio climático,
propicia significativos procesos de erosión y pérdida de la fertilidad
de los suelos, lo que a su vez, induce al ciclo continuado de uso
intensivo de altas dosis de fertilizantes que ocasionan también la
contaminación de las aguas, por arrastre de sedimentos y de compuestos
provenientes de agrotóxicos y fertilizantes solubles.
AGRADECIMIENTOS
Los
autores agradecen al programa de cooperación técnica de la OIEA a
través del proyecto ARCAL 5/051, de igual manera al Centro de Higiene y
Protección de las Radiaciones de Cuba y al Laboratorio de Física Nuclear
de la Universidad Simón Bolívar por su contribución en la capacitación
del talento humano de nuestro país. Así mismo, nuestro reconocimiento a
las instituciones: INPARQUE, a la Unidad de Tecnología Nuclear del IVIC y
al FONACIT, a través del financiamiento del proyecto N° 2011001061.