INTRODUCTION

Soil compaction due to agricultural traffic machinery is a threat to soil productivity and soil ecological functions (Guimarães et al., 2017GUIMARÃES, R.M.L., KELLER, T., MUNKHOLM, L.J. & LAMANDÉ, M. 2017. Visual soil evaluation and soil compaction research. Soil Till. Res., 173, 1-3.). Compaction affects the environmental sustainability of soil, and cause soil degradation. Land degradation is a deterioration of long-term in ecosystem function and productivity caused by alterations starting from which soil cannot recover without help, this is a cumulative global issue, growing from 15 per cent of the total land surface in 1991 to 24% in 2008 (Bai et al., 2008BAI, Z.G., DENT, D.L., OLSSON, L. & SCHAEPMAN, M.E. 2008. Global assessment of land degradation and improvement 1: Identification by remote sensing. In: FAO/ISRIC (ed.). Rome/Wageningen. : FAO/ISRIC.).

If the pressure exerted on the soil by traffic of agricultural equipment is smaller than the soil strength, no permanent deformation will occur and hence soil damage is not to be expected. If this is not the case, then soil compaction is unavoidable (Schjønning et al., 2015SCHJØNNING, P., VAN DEN AKKER, J.J.H., KELLER, T., GREVE, M.H., LAMANDÉ, M., SIMOJOKI, A., STETTLER, M., ARVIDSSON, J. & BREUNING-MADSEN, H. 2015. Chapter Five - Driver-Pressure-State-Impact-Response (DPSIR) Analysis and Risk Assessment for Soil Compaction—A European Perspective. In: SPARKS, D.L. (ed.) Advances in Agronomy. Academic Press., Stettler et al., 2014STETTLER, M., KELLER, T., WEISSKOPF, P., LAMANDÉ, M., LASSEN, P. & SCHJØNNING, P. 2014. Terranimo – a web-based tool for evaluating soil compaction. Landtechnik, 69, 132-137.). ASAE/ASABE S526.4(R2019) (2015)ASAE/ASABE S526.4(R2019) 2015. Soil and Water Terminology. St. Joseph, Michigan: ASABE. defined soil compaction as the reduction in porosity, and collapse of the structure of soil when subjected to surface loads. It damages the physical basis of soil fertility, it increases the mechanical resistance for root growth and modifies the soil pore size distribution and connectivity. It decreases infiltration and groundwater recharge, as well as increasing water runoff, soil erosion, and flooding (Berli et al., 2015BERLI, M., CASINI, F., ATTINGER, W., SCHULIN, R., SPRINGMAN, S.M. & KIRBY, J.M. 2015. Compressibility of Undisturbed Silt Loam Soil—Measurements and Simulations. Vadose Zone J. , Keller et al., 2015KELLER, T., DA SILVA, A.P., TORMENA, C.A., GIAROLA, N.F. B., CAVALIERI, K.M.V., STETTLER, M. & ARVIDSSON, J. 2015. SoilFlex-LLWR: linking a soil compaction model with the least limiting water range concept. Soil Use Manage, 31, 321–329., Kuhwald et al., 2018KUHWALD, M., DÖRNHÖFER, K., OPPELT, N. & DUTTMANN, R. 2018. Spatially Explicit Soil Compaction Risk Assessment of Arable Soils at Regional Scale: The SaSCiA-Model. Sustainability, 10.).

Soil compaction in cultivated lands affects mostly the upper layer of soil (Nawaz et al., 2013NAWAZ, M., BOURRIÉ, G. & TROLARD, F. 2013. Soil compaction impact and modelling. A review. Agron. Sustain. Dev., 33, 291-309.). Topsoil compaction takes place in the soil tillage layer and subsoil compaction takes place to depth under soil tillage layer (Alakukku et al., 2003ALAKUKKU, L., WEISSKOPF, P., CHAMEN, W.C.T., TIJINK, F.G.J., VAN DER LINDEN, J.P., PIRES, S., SOMMER, C. & SPOOR, G. 2003. Prevention strategies for field traffic-induced subsoil compaction: a review Part 1. Machine/soil interacitions. Soil Till. Res., 73, 145-160.). Primary tillage may reverse topsoil compaction, but subsoil compaction persists in the long term (Kuhwald et al., 2018KUHWALD, M., DÖRNHÖFER, K., OPPELT, N. & DUTTMANN, R. 2018. Spatially Explicit Soil Compaction Risk Assessment of Arable Soils at Regional Scale: The SaSCiA-Model. Sustainability, 10.). Researches of long-term found that subsoil compaction is not alleviated by natural processes and that nutrient leaching and greenhouse gas emissions may be intensified (Stettler et al., 2014STETTLER, M., KELLER, T., WEISSKOPF, P., LAMANDÉ, M., LASSEN, P. & SCHJØNNING, P. 2014. Terranimo – a web-based tool for evaluating soil compaction. Landtechnik, 69, 132-137.).

At the present days heavy tractors are increasingly used in intensive farming because it offers the possibility of working with a minimum number of passes on agricultural soil (Biris et al., 2019BIRIS, S.S., UNGUREANU, N. & CUJBESCU, D. 2019. Modelling of soil compaction under heavy-duty tractors. INMATEH - Agr. Eng., 57, 261-270.). These tractors have driving systems on tracks or high flotation tires, this way no high pressures on soil surface are achieved. However, subsoil compaction due to tractor traffic is directly related to axle load (Botta et al., 2002 BOTTA, G., JORAJURIA, D. & JORAJURIA, L.M. 2002. Influence of the axle load, tyre size and configuration on the compaction of a freshly tilled clayey soil. J. Terramech., 39, 47-54. , Botta et al., 2009 BOTTA, G.F., BECERRA, A.T. & TOURN, F.B. 2009. Effect of the number of tractor passes on soil rut depth and compaction in two tillage regimes. Soil Till. Res., 103, 381-386. , González et al., 2016GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C.E., LÓPEZ, E., RECAREY, C.A. & HERRERA, M. 2016. Modelling in FEM the soil pressures distribution caused by a tyre on a Rhodic Ferralsol soil. J. of Terramech., 63, 61-67.). Soil stress is always a function of the stress at the tire-soil interface, which is a function of both tire inflation pressure and wheel load, as well as tire properties and soil conditions (Arvidsson and Keller, 2007KELLER, T., DÉFOSSEZ, P., WEISSKOPF, P., ARVIDSSON, J. & RICHARD, G. 2007. SoilFlex: A model for prediction of soil stresses and soil compaction due to agricultural field traffic including a synthesis of analytical approaches. Soil Till. Res., 93, 391-411.).

The main factors that cause soil compaction are related with machinery traffic and soil properties. Axle load, ground pressure, tire inflation pressure, stresses distribution on soil surface, traffic intensity, speed forward, and travel reduction are machinery features related to soil compaction (Biris et al., 2009BIRIS, S. S., VLADUT, V., UNGUREANU, N., PARASCHIV, G. & VOICU, G. 2009. Development and experimental testing of a FEM model for the stress distribution analysis in agricultural soil due to artificial compaction. Agric. Conspec. Sci., 74, 21-29., González et al., 2009GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C. E. & HERRERA, M. 2009. Análisis de los factores que provocan compactación del suelo agrícola. Rev. Cienci. Téc. Agrop., 18, 57-63., González et al., 2013GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C.E., RECAREY, C.A., URRIOLAGOITIA-SOSA, G., URRIOLAGOITIA-CALDERÓN, G., HERNÁNDEZ, L.H. & HERRERA, M. 2013. Three dimensional finite element model of soil compaction caused by agricultural tire traffic. Comput. Electron. Agric., 99, 146-152., Kuhwald et al., 2018KUHWALD, M., DÖRNHÖFER, K., OPPELT, N. & DUTTMANN, R. 2018. Spatially Explicit Soil Compaction Risk Assessment of Arable Soils at Regional Scale: The SaSCiA-Model. Sustainability, 10., Nawaz et al., 2013NAWAZ, M., BOURRIÉ, G. & TROLARD, F. 2013. Soil compaction impact and modelling. A review. Agron. Sustain. Dev., 33, 291-309.). The soil texture, soil grain size, or soil type (Biris et al., 2019BIRIS, S.S., UNGUREANU, N. & CUJBESCU, D. 2019. Modelling of soil compaction under heavy-duty tractors. INMATEH - Agr. Eng., 57, 261-270., González et al., 2013GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C.E., RECAREY, C.A., URRIOLAGOITIA-SOSA, G., URRIOLAGOITIA-CALDERÓN, G., HERNÁNDEZ, L.H. & HERRERA, M. 2013. Three dimensional finite element model of soil compaction caused by agricultural tire traffic. Comput. Electron. Agric., 99, 146-152., Nawaz et al., 2013NAWAZ, M., BOURRIÉ, G. & TROLARD, F. 2013. Soil compaction impact and modelling. A review. Agron. Sustain. Dev., 33, 291-309., Silva et al., 2018SILVA, R.P., ROLIM, M.M., GOMES, I.F., PEDROSA, E.M.R., TAVARES, U.E. & SANTOS, A.N. 2018. Numerical modeling of soil compaction in a sugarcane crop using the finite element method. Soil Till. Res., 181, 1-10.), structure, organic matter content, bulk density, soil moisture content (de Lima et al., 2018DE LIMA, R.P., DA SILVA, A.P., GIAROLA, N.F.B., DA SILVA, A.R., ROLIM, M.M. & KELLER, T. 2018. Impact of initial bulk density and matric suction on compressive properties of two Oxisols under no-till. Soil and Tillage Research, 175, 168-177., González et al., 2013GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C.E., RECAREY, C.A., URRIOLAGOITIA-SOSA, G., URRIOLAGOITIA-CALDERÓN, G., HERNÁNDEZ, L.H. & HERRERA, M. 2013. Three dimensional finite element model of soil compaction caused by agricultural tire traffic. Comput. Electron. Agric., 99, 146-152., Silva et al., 2018SILVA, R.P., ROLIM, M.M., GOMES, I.F., PEDROSA, E.M.R., TAVARES, U.E. & SANTOS, A.N. 2018. Numerical modeling of soil compaction in a sugarcane crop using the finite element method. Soil Till. Res., 181, 1-10.) and soil stress history they are associated to soil strength and consequently to soil compaction (Berli et al., 2015BERLI, M., CASINI, F., ATTINGER, W., SCHULIN, R., SPRINGMAN, S.M. & KIRBY, J.M. 2015. Compressibility of Undisturbed Silt Loam Soil—Measurements and Simulations. Vadose Zone J. , Guimarães Júnnyor et al., 2019GUIMARÃES JÚNNYOR, W.D.S., DISERENS, E., DE MARIA, I.C., ARAUJO-JUNIOR, C.F., FARHATE, C.V.V. & DE SOUZA, Z.M. 2019. Prediction of soil stresses and compaction due to agricultural machines in sugarcane cultivation systems with and without crop rotation. Sci. Total Environ., 681, 424-434.). But it is heavily dependent of wet soil (Botta et al., 2016BOTTA, G.F., TOLÓN-BECERRA, A., RIVERO, D., LAUREDA, D., RAMÍREZ-ROMAN, M., LASTRA-BRAVO, X., AGNES, D., FLORES-PARRA, I.M., PELIZZARI, F. & MARTIREN, V. (2016) Compactión produced by combine harvest traffic: Effect on soil and soybean (Glycine max l.) yields under direct sowing in Argentinean Pampas. Eur. J. Agron., 74, 155-163., Chamen et al., 2015CHAMEN, W.C.T., MOXEY, A.P., TOWERS, W., BALANA, B. & HALLETT, P.D. (2015) Mitigating arable soil compaction: A review and analysis of available cost and benefit data. Soil Till. Res., 146, 10-25., Guimarães Júnnyor et al., 2019GUIMARÃES JÚNNYOR, W.D.S., DISERENS, E., DE MARIA, I.C., ARAUJO-JUNIOR, C.F., FARHATE, C.V.V. & DE SOUZA, Z.M. 2019. Prediction of soil stresses and compaction due to agricultural machines in sugarcane cultivation systems with and without crop rotation. Sci. Total Environ., 681, 424-434., Kuhwald et al., 2018KUHWALD, M., DÖRNHÖFER, K., OPPELT, N. & DUTTMANN, R. 2018. Spatially Explicit Soil Compaction Risk Assessment of Arable Soils at Regional Scale: The SaSCiA-Model. Sustainability, 10., Stoessel et al., 2018STOESSEL, F., SONDEREGGER, T., BAYER, P. & HELLWEG, S. 2018. Assessing the environmental impacts of soil compaction in Life Cycle Assessment. Sci. Total Environ., 630, 913-921.).

Among factors influencing soil compaction the soil moisture content is the most important factor (Hamza and Anderson, 2005HAMZA, M.A. & ANDERSON, W.K. 2005. Soil compaction in cropping systems. A review of the nature, causes and possible solutions. Soil Till. Res., 82, 121-145.). González et al. (2008)GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C. E., HERRERA, M., LÓPEZ, E. & SÁNCHEZ, A. 2008. Efecto de la humedad y la presión sobre el suelo en la porosidad total de un Rhodic Ferralsol. Rev. Cienc. Téc. Agrop., 17, 50-54. on laboratory conditions evaluated the effect of soil moisture content and the ground pressure in soil porosity. They found that a ground pressure of 400 kPa, on a Rhodic Ferralsol soil with 25% of moisture content, causes a smaller change in the porosity that a ground pressure of 200 kPa in a soil with 35% of moisture content. The soil moisture content has a bigger influence in the porosity decrease that ground pressure. What means, that increasing soil moisture content causes a reduction of soil strength (Hamza and Anderson, 2005HAMZA, M.A. & ANDERSON, W.K. 2005. Soil compaction in cropping systems. A review of the nature, causes and possible solutions. Soil Till. Res., 82, 121-145.).

The prediction of soil stresses and compaction have been modelling by mean of numerical and semi-analytical methods (Défosssez and Richard, 2002DÉFOSSSEZ, P. & RICHARD, G. 2002. Models of soil compaction due to traffic and their evaluation. Soil Till. Res., 67, 41-64.). The numerical method more used have been finite element method (González et al., 2013GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C.E., RECAREY, C.A., URRIOLAGOITIA-SOSA, G., URRIOLAGOITIA-CALDERÓN, G., HERNÁNDEZ, L.H. & HERRERA, M. 2013. Three dimensional finite element model of soil compaction caused by agricultural tire traffic. Comput. Electron. Agric., 99, 146-152., Nawaz et al., 2013NAWAZ, M., BOURRIÉ, G. & TROLARD, F. 2013. Soil compaction impact and modelling. A review. Agron. Sustain. Dev., 33, 291-309., Silva et al., 2018SILVA, R.P., ROLIM, M.M., GOMES, I.F., PEDROSA, E.M.R., TAVARES, U.E. & SANTOS, A.N. 2018. Numerical modeling of soil compaction in a sugarcane crop using the finite element method. Soil Till. Res., 181, 1-10., Biris et al., 2019BIRIS, S.S., UNGUREANU, N. & CUJBESCU, D. 2019. Modelling of soil compaction under heavy-duty tractors. INMATEH - Agr. Eng., 57, 261-270.) . Analytical or semi-analytical soil compaction models have the advantage that they are usually simple to use, and require few input parameters. These methods have been widely used in modeling of soil compaction achieving satisfactory predictions of stress transmission and change of bulk density (Keller and Lamandé, 2010KELLER, T. & LAMANDÉ, M. 2010. Challenges in the development of analytical soil compaction models. Soil Till. Res., 111, 54-64.). Among these models it is found SOCOMO developed to calculate soil stresses under wheel loads (Van den Akker, 2004VAN DEN AKKER, J.J.H. 2004. SOCOMO: a soil compaction model to calculate soil stresses and the subsoil carrying capacity. Soil Till. Res., 79, 113-127.), SoilFlex, a model for prediction of soil stresses and soil compaction due to agricultural traffic. This model allows predictions of the contact area and the stresses distribution in the contact area from readily available tire parameters, it is possible to simulate the passage of several machines, including e.g. tractors with dual wheels and trailers with tandem wheels (Keller et al., 2007KELLER, T., DÉFOSSEZ, P., WEISSKOPF, P., ARVIDSSON, J. & RICHARD, G. 2007. SoilFlex: A model for prediction of soil stresses and soil compaction due to agricultural field traffic including a synthesis of analytical approaches. Soil Till. Res., 93, 391-411.). Schjønning et al. (2008)SCHJØNNING, P., LAMANDÉ, M., TØGERSEN, F.A., ARVIDSSON, J. & KELLER, T. 2008. Modelling effects of tyre inflation pressure on the stress distribution near the soil–tyre interface. Biosyst. Eng., 99, 119-133. proposed the model FRIDA that describes the tire footprint by a super ellipse and the stress distribution by a combined exponential (perpendicular to the driving direction) and power-law (along the driving direction) function. The model seems suited for describing stress distributions at the soil-tyre interface.

Battiato and Diserens (2017)BATTIATO, A. & DISERENS, E. 2017. Tractor traction performance simulation on differently textured soils and validation: A basic study to make traction and energy requirements accessible to the practice. Soil and Tillage Research, 166, 18-32. developed a model to predict subsoil compaction TASC (TYRES/TRACKS AND SOIL COMPACTION) as an Excel application consisting of five modules. The first module permits rapid evaluation of the risks of severe soil-compaction damage in the subsoil by taking into account both soil characteristics and machine load and the second module simulates the traction force - slip curve providing also the limit beyond which top soil failure occurs. The others modules calculates the share of trafficked areas, provides access to the technical data for more than 1,270 agricultural and forestry tires and final module related to road safety provides information (Diserens et al., 2014DISERENS, E., BATTIATO, A. & SARTORI, L. Soil Compaction, Soil Shearing and Fuel Consumption: TASC V3.0 – A Practical Tool for Decision-Making in Farming. International Conference of Agricultural Engineering, 6 - 10 July 2014 Zurich.). This model have been applied by Guimarães Júnnyor et al. (2019)GUIMARÃES JÚNNYOR, W.D.S., DISERENS, E., DE MARIA, I.C., ARAUJO-JUNIOR, C.F., FARHATE, C.V.V. & DE SOUZA, Z.M. 2019. Prediction of soil stresses and compaction due to agricultural machines in sugarcane cultivation systems with and without crop rotation. Sci. Total Environ., 681, 424-434. to prediction of soil stresses and compaction due to agricultural machines in sugarcane cultivation systems. The results indicated strategies to avoid soil compaction by machines, including adjustments on machine loads and changes in tillage and management design.

In Cuba, the sugarcane has always taken an outstanding place as for the quantity of area dedicated to its cultivation, reaching in the season 2020-2021 the 300 000 ha harvested (ONEI, 2023ONEI 2023. Anuario Estadístico de Cuba 2022. Edición 2023, La Habana, Oficina Nacional de Estadísticas e Información.). The use of heavy harvesters and transport equipment has been identified as one of the main causes of soil compaction in sugarcane crop in Cuba (López-Bravo et al., 2022LÓPEZ-BRAVO, E., SAUCEDO-LEVI, E.R., GONZÁLEZ-CUETO, O., HERRERA-SUÁREZ, M. & BETANCOURT-RODRÍGUEZ, Y. 2022. Effects of mechanized harvesting of sugarcane over the soil. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 31, 5-12.). Some areas planted with sugarcane, in heavy clay plastics soils during intense rains they cannot be harvested by several weeks and until months due to the high water content that soil store, causing considerable economic losses (Martínez-Ramírez et al., 2017MARTÍNEZ-RAMÍREZ, R., GONZÁLEZ-CUETO, O., BETANCOURT-RODRÍGUEZ, Y., RODRÍGUEZ-OROZCO, M. & GUILLÉN-SOSA, S. 2017. Soil compaction and variation of bank profile provoked by the harvester CASE IH A8800 on wet soils. Rev. Ing. Agr., 7, 30-35.).

The mill José Maria Pérez, in Camajuaní, province of Villa Clara, in the central region of Cuba, it has areas with Vertisol soils (Hernández et al., 2015HERNÁNDEZ, A., PÉREZ, J.M., BOSCH, D. & CASTRO, N. 2015. Clasificación de los suelos de Cuba 2015, San José de las Lajas, Cuba, Ediciones INCA.). In the farm Chiqui Gómez Lubian, belonging to this mill, the harvest of sugarcane is made with CASE IH 8800, tipping tows 7CX (SC)-10 pulling by tractors YTO 1608 or XTZ 150K-09. These soils remain wet during several days or weeks after intense rains and in many cases the harvest is carried out in soft soil conditions, which favors the soil compaction.

After harvester the agricultural operations to reestablish the initial state of the soil in the plantation, are one of the main tasks in search of achieving a good yield of the ratoons. The prediction of soil stresses and compaction that soil bear during the harvest and transport are fundamental indications in the prevention strategies and remediation of the soil compaction. The objective of this research was to predict soil compaction caused by harvesters and transport equipment during sugarcane harvest on soft soil.

MATERIAL AND METHODS

Machinery traffic was simulated using the TASC V3.0 model (Battiato and Diserens, 2017BATTIATO, A. & DISERENS, E. 2017. Tractor traction performance simulation on differently textured soils and validation: A basic study to make traction and energy requirements accessible to the practice. Soil and Tillage Research, 166, 18-32.). Module 1 "Stress Propagation and Soil Damage" was used. The procedures used to calculate the soil stresses in depth, the determination of the depth at which severe compaction occurs, as well as tire/track soil contact area and the mean contact pressure can be reviewed in Diserens (2009)DISERENS, E. 2009. Calculating the contact area of trailer tyres in the field. Soil & Tillage Research, 103, 302-309., Diserens et al. (2010)DISERENS, E., CHANET, M. & MARIONNEAU, A. Machine Weight and Soil Compaction: TASC V2.0.xls – a Practical Tool for Decision-Making in Farming. AgEng, 6 - 8 september 2010 Clermont-Ferrand. Ref 239., Diserens et al. (2011)DISERENS, E., DEFOSSEZ, P., DUBOISSET, A. & ALAOUI, A. 2011. Prediction of the contact area of agricultural traction tyres on firm soil. Bios. Eng., 110, 73-82. and Diserens et al. (2014)DISERENS, E., BATTIATO, A. & SARTORI, L. Soil Compaction, Soil Shearing and Fuel Consumption: TASC V3.0 – A Practical Tool for Decision-Making in Farming. International Conference of Agricultural Engineering, 6 - 10 July 2014 Zurich..

RESULTS AND DISCUSSION

The results of the simulation as mean contact pressure, severe soil compaction risk up to depth and maximum vertical stresses propagated to soil are shown in Table 2. Mean contact pressure was from 42 until 197 kPa. The lesser mean contact pressure was recorded by CASE IH 8800 harvester, due to big ground contact surface of the tracks. The largest contact pressure was of the tipping tow 7CX (SC)-10. This equipment had a high tire inflation pressure (higher than recommended by the manufacturer) and high tire load, two factors with direct influence in contact pressure soil tire. Soil stresses distribution is a function of both factors. Several researches have shown dependence of mean contact stresses and soil stresses distribution from inflation pressure and tire load (Arvidsson and Keller, 2007ARVIDSSON, J. & KELLER, T. 2007. Soil stress as affected by wheel load and tyre inflation pressure. Soil Till. Res., 96, 284-291., Keller, 2005KELLER, T. 2005. A model for the prediction of the contact area and the distribution of vertical stress below agricultural tyres from readily available tyre parameters. Biosystems Engineering, 92, 85-96.) and some equations have been developed to predict mean contact pressure from inflation pressure. Arvidsson and Keller (2007)ARVIDSSON, J. & KELLER, T. 2007. Soil stress as affected by wheel load and tyre inflation pressure. Soil Till. Res., 96, 284-291. researched the maximum stresses caused by agricultural machinery at different soil depth. They found at 10 cm depth, the stress increased with increasing inflation pressure and with increasing wheel load.

Maximum vertical stresses were found in contact area tire-soil. These are propagated in depth. For soft clay soil TASC V3.0 stablish a stability point where the soil response is elastic when pressures transmitted are lesser than 80 kPa. Soil compaction occurs when pressure transmitted to soil exceeds the corresponding soil reaction force represented here by stability point, that can be the precompressive pressure. No severe soil compaction occurs if the vertical pressures caused by machinery are lower than precompressive pressure or stability point (Guimarães Júnnyor et al., 2019GUIMARÃES JÚNNYOR, W.D.S., DISERENS, E., DE MARIA, I.C., ARAUJO-JUNIOR, C.F., FARHATE, C.V.V. & DE SOUZA, Z.M. 2019. Prediction of soil stresses and compaction due to agricultural machines in sugarcane cultivation systems with and without crop rotation. Sci. Total Environ., 681, 424-434.). Figure 1 and 2 shows soil pressures transmission and pressure bulbs for the tractor XTZ 150K-0.9. Pressures higher than 80 kPa are found until a depth of 0.24 and 0.23 m for front and rear tire respectively, therefore severe soil compaction risk up to these depths. From these depths no soil compaction occurs.

The Figure 2 shows pressure bulbs for the rear tire of tractor XTZ 150K-09. Soil has similar response for rear and front tire of this tractor due to tire size is the same from both axle and tire load is quite similar. Maximum pressures were obtained in soil surface, raising 179 y 170 kPa. Soil compaction occurs until 0.24 m for front tire y until 0.23 m from rear tire, almost in the zone of maximum tillage depth.

The tractor YTO 1604 shows a difference in soil response for front and rear tire. Although tire size are some similar, the difference is made by tire load with almost 1 Mg more in rear tire respect to front tire. This make that mean contact pressure of rear tire (288 kPa) is almost double respect to front tire (130 kPa) (Table 2). Figure 3 shows compressive pressures in soil under tractor YTO 1604 and CASE IH 8800. Both harvester and tractor front tire do not cause compaction of the agricultural soil, under the maximum tillage layer. Even on the soil surface the harvester does not cause compaction. The front tire causes compaction up to a depth of 0.19 m (Table 2), that is, in the tillage layer. However, rear tire of YTO 1604 cause soil compaction until a depth of 0.31 m.

The Figure 4 shows pressure bulbs in soil under front and rear tire of the YTO 1604. For front tire bulbs pressure higher than stability point only occurs in surficial layer. For rear tire is observed a high pressure higher than 100 kPa in all tillage layer, raising the risk of severe soil compaction until 0.31 m of depth.

The Figure 5 shows pressure bulbs caused by tipping tow, here is observe the high pressure in the soil - tire contact. Mean contact pressures are similar, 197 and 196 kPa and maximum vertical stresses are similar too, 342 y 340 kPa respectively; however risk of severe soil compaction were 0.37 and 0.32 m, 5 centimeters more in front tire respect to rear tire. Although the pressure in the soil-tire contact is similar, the depth to which severe compaction occurs is much greater in the case of the front tire because it applies a greater load on the soil by 850 kg. The representation of the pressure bulbs show that stresses not only propagate in depth below the tire center, but they also propagate on the sides with respect to the axis wheel, that is, perpendicular to the direction of progression. This occurs precisely because the pressure exerted on the soil displaces the particles toward the deeper layers but at the same time does so toward the sides, producing lateral compaction that, although not as severe as that produced in the lower layers, does affect the soil physical properties.

When analyzing these results, we found that both the harvester, the XTZ 150K-09 tractor and the front tire of the tractor YTO 1604 compact only the soil tillage layer. In seasonal crops, this compaction does not affect the crop because the soil is tilled at the end of the harvest. However, in the case of sugarcane, this does not happen, and this layer of soil will have to be decompacted with deep cultivation work or decompaction between rows, carrying out work that demands a large amount of energy from the tractor. From these results can be propose to decompaction until a depth of 0.37 m. Until this depth occurs severe soil compaction.

The high potential for the tipping tow and rear tire of the YTO 1604 to cause soil compaction is related with the high load carried by the wheels, which causes the pressures applied to soil is extend deeper into the vertical profile. Some researchers have described as soil pressure propagation to layers more depth is mainly a resulted of axle load (González et al., 2016GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C.E., LÓPEZ, E., RECAREY, C.A. & HERRERA, M. 2016. Modelling in FEM the soil pressures distribution caused by a tyre on a Rhodic Ferralsol soil. J. of Terramech., 63, 61-67., Botta et al., 2002 BOTTA, G., JORAJURIA, D. & JORAJURIA, L.M. 2002. Influence of the axle load, tyre size and configuration on the compaction of a freshly tilled clayey soil. J. Terramech., 39, 47-54. ).

The results obtained here are also consistent with those of Botta et al. (2002) BOTTA, G., JORAJURIA, D. & JORAJURIA, L.M. 2002. Influence of the axle load, tyre size and configuration on the compaction of a freshly tilled clayey soil. J. Terramech., 39, 47-54. , who describe that the pressure in the wheel-soil contact zone can influence surface compaction, while at a depth equal to or greater than 40 cm, the weight on the axle, regardless of the pressure on the ground, is the main cause of the compaction process and Hakansson and Reeder (1994)HAKANSSON, I. & REEDER, R.C. 1994. Subsoil compaction by vehicles with high axle load extent, persistence and crop response Soil Till. Res, 29, 277-304., who found a strong and direct dependence of surface compaction on the pressure in the wheel-soil contact area.

Of the equipment evaluated, the tipping tow is the one that causes soil compaction at the greatest depth and the one that represents the greatest risk of severe soil compaction. A solution to soil compaction caused by this medium could be to use it up to a medium load, which would reduce compaction. However, the best variant would be to use it only on firm or dry soils and to replace it with a trailer with a lower load capacity and a lower total weight on the axles during harvesting in high moisture content.

CONCLUSIONS

The use of modelling TASC V3.0 permitted to predict soil compaction caused by harvesters and transport equipment during sugarcane harvest on soft clay soil. More severe soil compaction was obtained during use of tipping tow 7CX (SC)-10 due to high mean contact pressure and high tire load, which caused severe soil compaction reaching 0.37 m of depth. Rear tire of tractor YTO 1604 caused severe soil compaction too reaching 0.31 m of depth. In general sense all equipment caused severe soil compaction in tillage layer, therefore must be make decompactions works until a depth of 0.37 m, with the objective to loose soil in depth for a good developed of sugarcane ratoons.

INTRODUCCIÓN

La compactación del suelo debido al tráfico de maquinaria agrícola es una amenaza para la productividad y las funciones ecológicas del suelo (Guimarães et al., 2017GUIMARÃES, R.M.L., KELLER, T., MUNKHOLM, L.J. & LAMANDÉ, M. 2017. Visual soil evaluation and soil compaction research. Soil Till. Res., 173, 1-3.). La compactación afecta la sostenibilidad ambiental del suelo y provoca su degradación. La degradación del suelo es un deterioro a largo plazo de la función y la productividad de los ecosistemas causado por alteraciones a partir de las cuales el suelo no puede recuperarse sin ayuda. Se trata de un problema mundial acumulativo que ha aumentado del 15 por ciento de la superficie terrestre total en 1991 al 24 por ciento en 2008 (Bai et al., 2008BAI, Z.G., DENT, D.L., OLSSON, L. & SCHAEPMAN, M.E. 2008. Global assessment of land degradation and improvement 1: Identification by remote sensing. In: FAO/ISRIC (ed.). Rome/Wageningen. : FAO/ISRIC.).

Si la presión ejercida sobre el suelo por el tráfico de equipos agrícolas es menor que la resistencia del suelo, no se producirá deformación permanente y, por lo tanto, no se esperan daños al suelo. Si este no es el caso, entonces la compactación del suelo es inevitable (Schjønning et al., 2015SCHJØNNING, P., VAN DEN AKKER, J.J.H., KELLER, T., GREVE, M.H., LAMANDÉ, M., SIMOJOKI, A., STETTLER, M., ARVIDSSON, J. & BREUNING-MADSEN, H. 2015. Chapter Five - Driver-Pressure-State-Impact-Response (DPSIR) Analysis and Risk Assessment for Soil Compaction—A European Perspective. In: SPARKS, D.L. (ed.) Advances in Agronomy. Academic Press., Stettler et al., 2014STETTLER, M., KELLER, T., WEISSKOPF, P., LAMANDÉ, M., LASSEN, P. & SCHJØNNING, P. 2014. Terranimo – a web-based tool for evaluating soil compaction. Landtechnik, 69, 132-137.). ASAE/ASABE S526.4(R2019) (2015)ASAE/ASABE S526.4(R2019) 2015. Soil and Water Terminology. St. Joseph, Michigan: ASABE. definió la compactación del suelo como la reducción de la porosidad y el colapso de la estructura del suelo cuando se somete a cargas superficiales. Daña la base física de la fertilidad del suelo, aumenta la resistencia mecánica para el crecimiento de las raíces y modifica la distribución y la conectividad del tamaño de los poros del suelo. Disminuye la infiltración y la recarga de aguas subterráneas, además de aumentar la escorrentía superficial, erosión del suelo e inundación (Berli et al., 2015BERLI, M., CASINI, F., ATTINGER, W., SCHULIN, R., SPRINGMAN, S.M. & KIRBY, J.M. 2015. Compressibility of Undisturbed Silt Loam Soil—Measurements and Simulations. Vadose Zone J. , Keller et al., 2015KELLER, T., DA SILVA, A.P., TORMENA, C.A., GIAROLA, N.F. B., CAVALIERI, K.M.V., STETTLER, M. & ARVIDSSON, J. 2015. SoilFlex-LLWR: linking a soil compaction model with the least limiting water range concept. Soil Use Manage, 31, 321–329., Kuhwald et al., 2018KUHWALD, M., DÖRNHÖFER, K., OPPELT, N. & DUTTMANN, R. 2018. Spatially Explicit Soil Compaction Risk Assessment of Arable Soils at Regional Scale: The SaSCiA-Model. Sustainability, 10.).

La compactación del suelo en tierras cultivadas afecta principalmente a la capa superior del suelo (Nawaz et al., 2013NAWAZ, M., BOURRIÉ, G. & TROLARD, F. 2013. Soil compaction impact and modelling. A review. Agron. Sustain. Dev., 33, 291-309.). La compactación de la capa superficial del suelo tiene lugar en la capa de labranza del suelo y la compactación del subsuelo tiene lugar a una profundidad debajo de la capa de labranza del suelo (Alakukku et al., 2003ALAKUKKU, L., WEISSKOPF, P., CHAMEN, W.C.T., TIJINK, F.G.J., VAN DER LINDEN, J.P., PIRES, S., SOMMER, C. & SPOOR, G. 2003. Prevention strategies for field traffic-induced subsoil compaction: a review Part 1. Machine/soil interacitions. Soil Till. Res., 73, 145-160.). La labranza primaria puede revertir la compactación de la capa superficial del suelo, pero la compactación del subsuelo persiste a largo plazo (Kuhwald et al., 2018KUHWALD, M., DÖRNHÖFER, K., OPPELT, N. & DUTTMANN, R. 2018. Spatially Explicit Soil Compaction Risk Assessment of Arable Soils at Regional Scale: The SaSCiA-Model. Sustainability, 10.). Investigaciones a largo plazo encontraron que la compactación del subsuelo no se alivia mediante procesos naturales y que la lixiviación de nutrientes y las emisiones de gases de efecto invernadero pueden intensificarse (Stettler et al., 2014STETTLER, M., KELLER, T., WEISSKOPF, P., LAMANDÉ, M., LASSEN, P. & SCHJØNNING, P. 2014. Terranimo – a web-based tool for evaluating soil compaction. Landtechnik, 69, 132-137.).

En la actualidad, los tractores pesados se utilizan cada vez más en la agricultura intensiva porque ofrecen la posibilidad de trabajar con un número mínimo de pasadas en suelo agrícola (Biris et al., 2019BIRIS, S.S., UNGUREANU, N. & CUJBESCU, D. 2019. Modelling of soil compaction under heavy-duty tractors. INMATEH - Agr. Eng., 57, 261-270.). Estos tractores cuentan con sistemas motrices sobre orugas o neumáticos de alta flotación, de esta forma no se provocan presiones elevadas sobre la superficie del suelo. Sin embargo, la compactación del subsuelo por el tránsito de tractores está directamente relacionada con la carga por eje (Botta et al., 2002 BOTTA, G., JORAJURIA, D. & JORAJURIA, L.M. 2002. Influence of the axle load, tyre size and configuration on the compaction of a freshly tilled clayey soil. J. Terramech., 39, 47-54. , Botta et al., 2009 BOTTA, G.F., BECERRA, A.T. & TOURN, F.B. 2009. Effect of the number of tractor passes on soil rut depth and compaction in two tillage regimes. Soil Till. Res., 103, 381-386. , González et al., 2016GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C.E., LÓPEZ, E., RECAREY, C.A. & HERRERA, M. 2016. Modelling in FEM the soil pressures distribution caused by a tyre on a Rhodic Ferralsol soil. J. of Terramech., 63, 61-67.). El Esfuerzo sobre el suelo es siempre una función del esfuerzo en la interfaz neumático-suelo, que es función tanto de la presión de inflado de los neumáticos como de la carga de las ruedas, así como de las propiedades de los neumáticos y las condiciones del suelo (Arvidsson and Keller, 2007ARVIDSSON, J. & KELLER, T. 2007. Soil stress as affected by wheel load and tyre inflation pressure. Soil Till. Res., 96, 284-291.).

Los principales factores que provocan compactación del suelo están relacionados con el tráfico de maquinaria y las propiedades del suelo. La carga por eje, la presión sobre el suelo, la presión de inflado de los neumáticos, la distribución de esfuerzos en la superficie del suelo, la intensidad del tráfico, la velocidad de avance y el patinaje son características de la maquinaria relacionadas con la compactación del suelo (Biris et al., 2009BIRIS, S. S., VLADUT, V., UNGUREANU, N., PARASCHIV, G. & VOICU, G. 2009. Development and experimental testing of a FEM model for the stress distribution analysis in agricultural soil due to artificial compaction. Agric. Conspec. Sci., 74, 21-29., González et al., 2009GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C. E. & HERRERA, M. 2009. Análisis de los factores que provocan compactación del suelo agrícola. Rev. Cienci. Téc. Agrop., 18, 57-63., González et al., 2013GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C.E., RECAREY, C.A., URRIOLAGOITIA-SOSA, G., URRIOLAGOITIA-CALDERÓN, G., HERNÁNDEZ, L.H. & HERRERA, M. 2013. Three dimensional finite element model of soil compaction caused by agricultural tire traffic. Comput. Electron. Agric., 99, 146-152., Kuhwald et al., 2018KUHWALD, M., DÖRNHÖFER, K., OPPELT, N. & DUTTMANN, R. 2018. Spatially Explicit Soil Compaction Risk Assessment of Arable Soils at Regional Scale: The SaSCiA-Model. Sustainability, 10., Nawaz et al., 2013NAWAZ, M., BOURRIÉ, G. & TROLARD, F. 2013. Soil compaction impact and modelling. A review. Agron. Sustain. Dev., 33, 291-309.). La textura del suelo, el tamaño de grano o el tipo de suelo (Biris et al., 2019BIRIS, S.S., UNGUREANU, N. & CUJBESCU, D. 2019. Modelling of soil compaction under heavy-duty tractors. INMATEH - Agr. Eng., 57, 261-270., González et al., 2013GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C.E., RECAREY, C.A., URRIOLAGOITIA-SOSA, G., URRIOLAGOITIA-CALDERÓN, G., HERNÁNDEZ, L.H. & HERRERA, M. 2013. Three dimensional finite element model of soil compaction caused by agricultural tire traffic. Comput. Electron. Agric., 99, 146-152., Nawaz et al., 2013NAWAZ, M., BOURRIÉ, G. & TROLARD, F. 2013. Soil compaction impact and modelling. A review. Agron. Sustain. Dev., 33, 291-309., Silva et al., 2018SILVA, R.P., ROLIM, M.M., GOMES, I.F., PEDROSA, E.M.R., TAVARES, U.E. & SANTOS, A.N. 2018. Numerical modeling of soil compaction in a sugarcane crop using the finite element method. Soil Till. Res., 181, 1-10.) estructura del suelo, contenido de materia orgánica, densidad aparente, contenido de humedad del suelo (de Lima et al., 2018DE LIMA, R.P., DA SILVA, A.P., GIAROLA, N.F.B., DA SILVA, A.R., ROLIM, M.M. & KELLER, T. 2018. Impact of initial bulk density and matric suction on compressive properties of two Oxisols under no-till. Soil and Tillage Research, 175, 168-177., González et al., 2013GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C.E., RECAREY, C.A., URRIOLAGOITIA-SOSA, G., URRIOLAGOITIA-CALDERÓN, G., HERNÁNDEZ, L.H. & HERRERA, M. 2013. Three dimensional finite element model of soil compaction caused by agricultural tire traffic. Comput. Electron. Agric., 99, 146-152., Silva et al., 2018SILVA, R.P., ROLIM, M.M., GOMES, I.F., PEDROSA, E.M.R., TAVARES, U.E. & SANTOS, A.N. 2018. Numerical modeling of soil compaction in a sugarcane crop using the finite element method. Soil Till. Res., 181, 1-10.) e historial de esfuerzos del suelo (Berli et al., 2015BERLI, M., CASINI, F., ATTINGER, W., SCHULIN, R., SPRINGMAN, S.M. & KIRBY, J.M. 2015. Compressibility of Undisturbed Silt Loam Soil—Measurements and Simulations. Vadose Zone J. , Guimarães Júnnyor et al., 2019GUIMARÃES JÚNNYOR, W.D.S., DISERENS, E., DE MARIA, I.C., ARAUJO-JUNIOR, C.F., FARHATE, C.V.V. & DE SOUZA, Z.M. 2019. Prediction of soil stresses and compaction due to agricultural machines in sugarcane cultivation systems with and without crop rotation. Sci. Total Environ., 681, 424-434.) están asociados con la resistencia del suelo y en consecuencia a la compactación del suelo. Mas, el suelo es fuertemente dependiente de la humedad del suelo (Botta et al., 2002 BOTTA, G., JORAJURIA, D. & JORAJURIA, L.M. 2002. Influence of the axle load, tyre size and configuration on the compaction of a freshly tilled clayey soil. J. Terramech., 39, 47-54. , Chamen et al., 2015CHAMEN, W.C.T., MOXEY, A.P., TOWERS, W., BALANA, B. & HALLETT, P.D. (2015) Mitigating arable soil compaction: A review and analysis of available cost and benefit data. Soil Till. Res., 146, 10-25., Guimarães Júnnyor et al., 2019GUIMARÃES JÚNNYOR, W.D.S., DISERENS, E., DE MARIA, I.C., ARAUJO-JUNIOR, C.F., FARHATE, C.V.V. & DE SOUZA, Z.M. 2019. Prediction of soil stresses and compaction due to agricultural machines in sugarcane cultivation systems with and without crop rotation. Sci. Total Environ., 681, 424-434., Kuhwald et al., 2018KUHWALD, M., DÖRNHÖFER, K., OPPELT, N. & DUTTMANN, R. 2018. Spatially Explicit Soil Compaction Risk Assessment of Arable Soils at Regional Scale: The SaSCiA-Model. Sustainability, 10., Stoessel et al., 2018STOESSEL, F., SONDEREGGER, T., BAYER, P. & HELLWEG, S. 2018. Assessing the environmental impacts of soil compaction in Life Cycle Assessment. Sci. Total Environ., 630, 913-921.).

Entre los factores que influyen en la compactación del suelo, el contenido de humedad del suelo es el factor más importante (Hamza and Anderson, 2005HAMZA, M.A. & ANDERSON, W.K. 2005. Soil compaction in cropping systems. A review of the nature, causes and possible solutions. Soil Till. Res., 82, 121-145.). González et al. (2008)GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C. E., HERRERA, M., LÓPEZ, E. & SÁNCHEZ, A. 2008. Efecto de la humedad y la presión sobre el suelo en la porosidad total de un Rhodic Ferralsol. Rev. Cienc. Téc. Agrop., 17, 50-54. en condiciones de laboratorio evaluaron el efecto del contenido de humedad y la presión del suelo en la porosidad del suelo. Descubrieron que una presión sobre el suelo de 400 kPa, en un suelo Rhodic Ferralsol con un 25% de contenido de humedad, provoca un cambio menor en la porosidad que una presión sobre el suelo de 200 kPa en un suelo con un 35% de contenido de humedad. El contenido de humedad del suelo tiene una mayor influencia en la disminución de la porosidad que la presión sobre el suelo. Es decir, que el aumento del contenido de humedad del suelo provoca una reducción de la resistencia del suelo (Hamza and Anderson, 2005HAMZA, M.A. & ANDERSON, W.K. 2005. Soil compaction in cropping systems. A review of the nature, causes and possible solutions. Soil Till. Res., 82, 121-145.).

La predicción de los esfuerzos y la compactación del suelo se ha modelado mediante métodos numéricos y semianalíticos (Défosssez and Richard, 2002DÉFOSSSEZ, P. & RICHARD, G. 2002. Models of soil compaction due to traffic and their evaluation. Soil Till. Res., 67, 41-64.). El método numérico más utilizado ha sido el método de elementos finitos (González et al., 2013GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C.E., RECAREY, C.A., URRIOLAGOITIA-SOSA, G., URRIOLAGOITIA-CALDERÓN, G., HERNÁNDEZ, L.H. & HERRERA, M. 2013. Three dimensional finite element model of soil compaction caused by agricultural tire traffic. Comput. Electron. Agric., 99, 146-152., Nawaz et al., 2013NAWAZ, M., BOURRIÉ, G. & TROLARD, F. 2013. Soil compaction impact and modelling. A review. Agron. Sustain. Dev., 33, 291-309., Silva et al., 2018SILVA, R.P., ROLIM, M.M., GOMES, I.F., PEDROSA, E.M.R., TAVARES, U.E. & SANTOS, A.N. 2018. Numerical modeling of soil compaction in a sugarcane crop using the finite element method. Soil Till. Res., 181, 1-10., Biris et al., 2019BIRIS, S.S., UNGUREANU, N. & CUJBESCU, D. 2019. Modelling of soil compaction under heavy-duty tractors. INMATEH - Agr. Eng., 57, 261-270.) . Los modelos de compactación de suelos analíticos o semianalíticos tienen la ventaja de que suelen ser fáciles de usar y requieren pocos parámetros de entrada. Estos métodos han sido ampliamente utilizados en el modelado de la compactación del suelo logrando predicciones satisfactorias de la transmisión de esfuerzos y el cambio de la densidad aparente (Keller and Lamandé, 2010KELLER, T. & LAMANDÉ, M. 2010. Challenges in the development of analytical soil compaction models. Soil Till. Res., 111, 54-64.). Entre estos modelos se encuentra SOCOMO desarrollado para calcular los esfuerzos del suelo bajo cargas en las ruedas (Van den Akker, 2004VAN DEN AKKER, J.J.H. 2004. SOCOMO: a soil compaction model to calculate soil stresses and the subsoil carrying capacity. Soil Till. Res., 79, 113-127.), SoilFlex, un modelo para la predicción de los esfuerzos y la compactación del suelo debido al tráfico agrícola. Este modelo permite predecir el área de contacto y la distribución de esfuerzos en el área de contacto a partir de parámetros de neumáticos fácilmente disponibles; es posible simular el paso de varias máquinas, incluidas, por ejemplo, máquinas de neumáticos, tractores con ruedas dobles y remolques con ruedas tándem (Keller et al., 2007KELLER, T., DÉFOSSEZ, P., WEISSKOPF, P., ARVIDSSON, J. & RICHARD, G. 2007. SoilFlex: A model for prediction of soil stresses and soil compaction due to agricultural field traffic including a synthesis of analytical approaches. Soil Till. Res., 93, 391-411.). Schjønning et al. (2008)SCHJØNNING, P., LAMANDÉ, M., TØGERSEN, F.A., ARVIDSSON, J. & KELLER, T. 2008. Modelling effects of tyre inflation pressure on the stress distribution near the soil–tyre interface. Biosyst. Eng., 99, 119-133. propusieron el modelo FRIDA que describe la huella del neumático mediante una superelipse y la distribución de esfuerzos mediante una función combinada exponencial (perpendicular a la dirección de conducción) y de ley potencial (a lo largo de la dirección de conducción). El modelo parece adecuado para describir la distribución de esfuerzos en la interfaz suelo-neumático.

Battiato and Diserens (2017)BATTIATO, A. & DISERENS, E. 2017. Tractor traction performance simulation on differently textured soils and validation: A basic study to make traction and energy requirements accessible to the practice. Soil and Tillage Research, 166, 18-32. desarrollaron un modelo para predecir la compactación del subsuelo TASC (TYRES/TRACKS AND SOIL COMPACTION) como una aplicación Excel que consta de cinco módulos. El primer módulo permite una evaluación rápida de los riesgos de daños graves por compactación del suelo en el subsuelo teniendo en cuenta tanto las características del suelo como la carga de la máquina y el segundo módulo simula la curva fuerza de tracción-patinaje proporcionando también el límite más allá del cual se produce la falla del suelo superficial. Los otros módulos calculan la proporción de áreas transitadas, brindan acceso a los datos técnicos de más de 1270 neumáticos agrícolas y forestales y el último módulo proporciona información relacionado con la seguridad vial (Diserens et al., 2014DISERENS, E., BATTIATO, A. & SARTORI, L. Soil Compaction, Soil Shearing and Fuel Consumption: TASC V3.0 – A Practical Tool for Decision-Making in Farming. International Conference of Agricultural Engineering, 6 - 10 July 2014 Zurich.). Este modelo ha sido aplicado por Guimarães Júnnyor et al. (2019)GUIMARÃES JÚNNYOR, W.D.S., DISERENS, E., DE MARIA, I.C., ARAUJO-JUNIOR, C.F., FARHATE, C.V.V. & DE SOUZA, Z.M. 2019. Prediction of soil stresses and compaction due to agricultural machines in sugarcane cultivation systems with and without crop rotation. Sci. Total Environ., 681, 424-434. para la predicción del esfuerzo y la compactación del suelo debido a máquinas agrícolas en sistemas de cultivo de caña de azúcar. Los resultados indicaron estrategias para evitar la compactación del suelo por las máquinas utilizadas, incluidos ajustes en las cargas de las máquinas y cambios en el diseño de labranza y manejo.

En Cuba, la caña de azúcar siempre ha tomado un lugar sobresaliente en cuanto a la cantidad de área dedicada a su cultivo, llegando en la temporada 2020-2021 a las 300 000 ha cosechadas (ONEI, 2023ONEI 2023. Anuario Estadístico de Cuba 2022. Edición 2023, La Habana, Oficina Nacional de Estadísticas e Información.). El uso de cosechadoras pesadas y equipos de transporte se ha identificado como una de las principales causas de compactación del suelo en el cultivo de caña de azúcar en Cuba Cuba (López-Bravo et al., 2022LÓPEZ-BRAVO, E., SAUCEDO-LEVI, E.R., GONZÁLEZ-CUETO, O., HERRERA-SUÁREZ, M. & BETANCOURT-RODRÍGUEZ, Y. 2022. Effects of mechanized harvesting of sugarcane over the soil. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 31, 5-12.). Algunas áreas plantadas con caña de azúcar, en suelos plásticos arcillosos pesados ​​durante lluvias intensas, no pueden cosecharse por varias semanas y hasta meses debido al alto contenido de agua que almacena el suelo, causando pérdidas económicas considerables (Martínez-Ramírez et al., 2017MARTÍNEZ-RAMÍREZ, R., GONZÁLEZ-CUETO, O., BETANCOURT-RODRÍGUEZ, Y., RODRÍGUEZ-OROZCO, M. & GUILLÉN-SOSA, S. 2017. Soil compaction and variation of bank profile provoked by the harvester CASE IH A8800 on wet soils. Rev. Ing. Agr., 7, 30-35.).

La Empresa Azucarera José María Pérez, en Camajuaní, provincia de Villa Clara, en la región central de Cuba, presenta áreas con suelos Vertisoles (Hernández et al., 2015HERNÁNDEZ, A., PÉREZ, J.M., BOSCH, D. & CASTRO, N. 2015. Clasificación de los suelos de Cuba 2015, San José de las Lajas, Cuba, Ediciones INCA.). En la UBPC Chiqui Gómez Lubián, perteneciente a este ingenio, la cosecha de caña de azúcar se realiza con CASE IH 8800, remolques basculantes 7CX (SC)-10 tirados por tractores YTO 1608 o XTZ 150K-09. Estos suelos permanecen húmedos durante varios días o semanas después de intensas lluvias y en muchos casos la cosecha se realiza en condiciones de suelo blando, lo que favorece la compactación del suelo. Después de la cosecha, las operaciones agrícolas para restablecer el estado inicial del suelo en la plantación, son una de las principales tareas en busca de lograr un buen rendimiento de los retoños.

La predicción de los esfuerzos del suelo y la compactación que sufre el suelo durante la cosecha y el transporte son indicadores fundamentales en las estrategias de prevención y remediación de la compactación del suelo. El objetivo de esta investigación fue predecir la compactación del suelo causada por cosechadoras y equipos de transporte durante la cosecha de caña de azúcar en suelos blandos.

MATERIALES Y METODOS

El tráfico de maquinaria se simuló mediante el modelo TASC V3.0 (Battiato and Diserens, 2017BATTIATO, A. & DISERENS, E. 2017. Tractor traction performance simulation on differently textured soils and validation: A basic study to make traction and energy requirements accessible to the practice. Soil and Tillage Research, 166, 18-32.). Se utilizó el Módulo 1 “Propagación de Esfuerzos y Daño al Suelo”. Los procedimientos utilizados para calcular los esfuerzos del suelo en profundidad, la determinación de la profundidad a la que se produce una compactación severa, así como el área de contacto neumático/estera con el suelo y la presión media de contacto se pueden revisar en Diserens (2009)DISERENS, E. 2009. Calculating the contact area of trailer tyres in the field. Soil & Tillage Research, 103, 302-309., Diserens et al. (2010)DISERENS, E., CHANET, M. & MARIONNEAU, A. Machine Weight and Soil Compaction: TASC V2.0.xls – a Practical Tool for Decision-Making in Farming. AgEng, 6 - 8 september 2010 Clermont-Ferrand. Ref 239., Diserens et al. (2011)DISERENS, E., DEFOSSEZ, P., DUBOISSET, A. & ALAOUI, A. 2011. Prediction of the contact area of agricultural traction tyres on firm soil. Bios. Eng., 110, 73-82. and Diserens et al. (2014)DISERENS, E., BATTIATO, A. & SARTORI, L. Soil Compaction, Soil Shearing and Fuel Consumption: TASC V3.0 – A Practical Tool for Decision-Making in Farming. International Conference of Agricultural Engineering, 6 - 10 July 2014 Zurich..

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Resultados de la simulación como presión media de contacto, riesgo severo de compactación del suelo y esfuerzos verticales máximos propagadas al suelo se muestran en la Tabla 2. La presión media de contacto estuvo de 42 hasta 197 kPa. La presión de contacto media menor la registró la cosechadora CASE IH 8800, debido a la gran superficie de contacto con el suelo de las esteras. La mayor presión de contacto la ejerció el remolque autobasculante 7CX (SC)-10. Este equipo presentó una alta presión de inflado de neumáticos (superior a la recomendada por el fabricante) y una elevada carga sobre neumáticos, dos factores con influencia directa en la presión de contacto del neumático con el suelo. La distribución de los esfuerzos en el suelo es función de ambos factores. Varias investigaciones han demostrado la dependencia de los esfuerzos de contacto medios y la distribución de los esfuerzos en el suelo de la presión de inflado y la carga de los neumáticos (Arvidsson and Keller, 2007ARVIDSSON, J. & KELLER, T. 2007. Soil stress as affected by wheel load and tyre inflation pressure. Soil Till. Res., 96, 284-291., Keller, 2005KELLER, T. 2005. A model for the prediction of the contact area and the distribution of vertical stress below agricultural tyres from readily available tyre parameters. Biosystems Engineering, 92, 85-96.) y se han desarrollado algunas ecuaciones para predecir la presión de contacto media a partir de la presión de inflado. Arvidsson and Keller (2007)ARVIDSSON, J. & KELLER, T. 2007. Soil stress as affected by wheel load and tyre inflation pressure. Soil Till. Res., 96, 284-291. investigaron los esfuerzos máximos causadas por maquinaria agrícola a diferentes profundidades del suelo. Descubrieron que a 10 cm de profundidad, el esfuerzo aumentaba al aumentar la presión de inflado y al aumentar la carga de las ruedas.

Las presiones verticales máximas se encontraron en la zona de contacto neumático-suelo. Estas se propagan en profundidad. Para suelos arcillosos blandos TASC V3.0 establece un punto de estabilidad donde la respuesta del suelo es elástica cuando las presiones transmitidas son inferiores a 80 kPa. La compactación del suelo ocurre cuando la presión transmitida al suelo excede la fuerza de reacción correspondiente del suelo representada aquí por el punto de estabilidad, que puede ser la presión precompresión. No se produce una compactación severa del suelo si las presiones verticales causadas por la maquinaria son inferiores a la presión de precompresión o al punto de estabilidad (Guimarães Júnnyor et al., 2019GUIMARÃES JÚNNYOR, W.D.S., DISERENS, E., DE MARIA, I.C., ARAUJO-JUNIOR, C.F., FARHATE, C.V.V. & DE SOUZA, Z.M. 2019. Prediction of soil stresses and compaction due to agricultural machines in sugarcane cultivation systems with and without crop rotation. Sci. Total Environ., 681, 424-434.). Las Figuras 1 y 2 muestran la transmisión de presiones al suelo y los bulbos de presión para el tractor XTZ 150K-0.9. Se encuentran presiones superiores a 80 kPa hasta una profundidad de 0,24 y 0,23 m para los neumáticos delanteros y traseros respectivamente, por lo que existe un riesgo severo de compactación del suelo hasta estas profundidades. A partir de estas profundidades no se produce compactación del suelo.

La Figura 2 muestra los bulbos de presión del neumático trasero del tractor XTZ 150K-09. El suelo tiene una respuesta similar para los neumáticos delanteros y traseros de este tractor debido a que el tamaño de los neumáticos es el mismo en ambos ejes y la carga de los neumáticos es bastante similar. Las presiones máximas se obtuvieron en la superficie del suelo, alcanzando 179 y 170 kPa. La compactación del suelo se produce hasta 0,24 m para la llanta delantera y hasta 0,23 m para la llanta trasera, casi en la zona de máxima profundidad de labranza.

El tractor YTO 1604 muestra una diferencia en la respuesta del suelo para el neumático delantero y trasero. Aunque el tamaño de los neumáticos es algo similar, la diferencia la marca la carga del neumático, siendo casi 1 Mg más en el neumático trasero respecto al delantero. Esto hace que la presión media de contacto del neumático trasero (288 kPa) sea casi el doble respecto a la del neumático delantero (130 kPa) (Tabla 2). La Figura 3 muestra las presiones de compresión en el suelo debajo del tractor YTO 1604 y CASE IH 8800. Tanto la cosechadora como el neumático delantero del tractor no causan compactación del suelo agrícola, debajo de la capa de máxima labranza. Incluso en la superficie del suelo, la cosechadora no provoca compactación. La llanta delantera provoca compactación hasta una profundidad de 0.19 m (Tabla 2), es decir, en la capa de labranza. Sin embargo, el neumático trasero del YTO 1604 provoca la compactación del suelo hasta una profundidad de 0,31 m.

La Figura 4 muestra los bulbos de presión en el suelo debajo de los neumáticos delanteros y traseros del YTO 1604. Para los bulbos de los neumáticos delanteros, la presión superior al punto de estabilidad solo ocurre en la capa superficial. Para el neumático trasero se observa una alta presión superior a 100 kPa en toda la capa de labranza, elevando el riesgo de compactación severa del suelo hasta los 0,31 m de profundidad.

La Figura 5 muestra los bulbos de presión causados ​​por el remolque basculante, aquí se observa la alta presión en el contacto suelo-neumático. Las presiones medias de contacto son similares, 197 y 196 kPa y las presiones verticales máximas también son similares, 342 y 340 kPa respectivamente. Sin embargo, el riesgo de compactación severa del suelo fue de 0,37 y 0,32 m, 5 centímetros más en el neumático delantero respecto al trasero. Aunque la presión en el contacto suelo-neumático es similar, la profundidad a la que se produce una compactación severa es mucho mayor en el caso del neumático delantero porque aplica una carga mayor sobre el suelo, de 850 kg. La representación de los bulbos de presión muestra que las presiones no sólo se propagan en profundidad por debajo del centro del neumático, sino que también se propagan en los lados con respecto al eje de la rueda, es decir, perpendicularmente a la dirección de progresión. Esto ocurre precisamente porque la presión ejercida sobre el suelo desplaza las partículas hacia las capas más profundas, pero al mismo tiempo lo hace hacia los lados, produciéndose una compactación lateral que, si bien no es tan severa como la que se produce en las capas inferiores, sí afecta las propiedades físicas del suelo.

Al analizar estos resultados encontramos que tanto la cosechadora, el tractor XTZ 150K-09 como la rueda delantera del tractor YTO 1604 compactan únicamente la capa de labranza del suelo. En cultivos de temporada esta compactación no afecta al cultivo porque el suelo se labra al final de la cosecha. Sin embargo, en el caso de la caña de azúcar esto no sucede, y esta capa de suelo deberá ser descompactada con trabajos de cultivo profundo o descompactación entre hileras, realizando trabajos que demandan una gran cantidad de energía del tractor. A partir de estos resultados se puede proponer la descompactación hasta una profundidad de 0,37 m. Hasta esta profundidad se produce una fuerte compactación del suelo.

El alto potencial de que el remolque basculante y el neumático trasero del YTO 1604 causen compactación del suelo está relacionado con la alta carga que soportan las ruedas, lo que hace que las presiones aplicadas al suelo se extiendan más profundamente en el perfil vertical. Algunas investigaciones han descrito que la propagación de la presión del suelo a capas de mayor profundidad se debe principalmente a la carga por eje (González et al., 2016GONZÁLEZ, O., IGLESIAS, C.E., LÓPEZ, E., RECAREY, C.A. & HERRERA, M. 2016. Modelling in FEM the soil pressures distribution caused by a tyre on a Rhodic Ferralsol soil. J. of Terramech., 63, 61-67., Botta et al., 2002 BOTTA, G., JORAJURIA, D. & JORAJURIA, L.M. 2002. Influence of the axle load, tyre size and configuration on the compaction of a freshly tilled clayey soil. J. Terramech., 39, 47-54. ).

Los resultados obtenidos aquí también son consistentes con los de Botta et al. (2002) BOTTA, G., JORAJURIA, D. & JORAJURIA, L.M. 2002. Influence of the axle load, tyre size and configuration on the compaction of a freshly tilled clayey soil. J. Terramech., 39, 47-54. , quienes describen que la presión en la zona de contacto rueda-suelo puede influir en la compactación de la superficie, mientras que a una profundidad igual o mayor a 40 cm, el peso sobre el eje, independientemente de la presión sobre el suelo, es la principal causa del proceso de compactación y Hakansson and Reeder (1994)HAKANSSON, I. & REEDER, R.C. 1994. Subsoil compaction by vehicles with high axle load extent, persistence and crop response Soil Till. Res, 29, 277-304., quienes encontraron una fuerte y directa dependencia de la compactación de la superficie con la presión en el área de contacto rueda-suelo.

De los equipos evaluados, el remolque basculante es el que provoca la compactación del suelo a mayor profundidad y el que representa mayor riesgo de compactación severa del suelo. Una solución a la compactación del suelo provocada por este medio podría ser utilizarlo hasta una carga media, lo que reduciría la compactación. Sin embargo, la mejor variante sería utilizarlo sólo en suelos firmes o secos y sustituirlo por un remolque con menor capacidad de carga y menor peso total sobre los ejes durante la cosecha con alto contenido de humedad.

CONCLUSIONES

El uso del modelo TASC V3.0 permitió predecir la compactación del suelo causada por cosechadoras y equipos de transporte durante la cosecha de caña de azúcar en suelos arcillosos blandos. Se obtuvo una compactación del suelo más severa durante el uso del remolque basculante 7CX (SC)-10 debido a la alta presión media de contacto y la alta carga de los neumáticos, lo que provocó una compactación severa del suelo que alcanzó los 0,37 m de profundidad. El neumático trasero del tractor YTO 1604 provocó una fuerte compactación del suelo hasta una profundidad de 0,31 m. En sentido general todos los equipos provocaron una severa compactación del suelo en la capa de labranza, por lo que se deben realizar trabajos de descompactación hasta una profundidad de 0.37 m, con el objetivo de aflojar el suelo en profundidad para un buen desarrollo de los retoños de caña de azúcar.