Cambios estructurales y mecánicos en suelos volcánicos de

Scientific registration number : 1717
Symposium : 2
Presentation : Poster
Cambios estructurales y mecánicos en suelos volcánicos
de diferentes usos
Structural and mechanical changes in volcanic soils
with different management
Changements structuraux et mécaniques dans des sols
volcaniques soumis à différents modes d’utilisation
ELLIES Achim
Instituto de Ingeniería Agraria y Suelos, Universidad Austral de Chile, Casilla 567,
Valdivia, CHILE e-mail: [email protected]
SUMMARY
Volumetric changes of soil components of undisturbed samples, bearing capacity,
internal cohesion, penetration resistance, stress distribution was determined in a
Hapludand soils in Southern Chile with different kinds of management. A settling was
detected immediately after elimination of native forest, a further use of soil the volume
was not affected significantly. In addition to these changes in pore space modifications
were detected in pore size distribution. These changes depend more on pedological
environment, than on soil use. Nevertheless the magnitude of these changes on pore size
distribution depends on soil use. Soil penetration resistance increase with settlement and
the amount of roots in soil decrease If wheeling is carried out with heavy machines, this
soils can either react mor o less stabile with changes in the pore system and soil
mechanical properties. Recently incorporated soil sites to agriculture, bearing capacity
were low. With a increment of soil management intensity in agriculture the consolidation
curves were secondary and marked a increase in bearing capacity. The soil cohesion increase on the same direction, but volume recover after a discharge were opposit.
RESUMEN
En un Typic Hapludand del sur de Chile se estudiaron los efectos del manejo de la
actividad agropecuaria sobre la morfología de la estructura y estabilidad mecánica.
Al eliminar la cubierta arbórea nativa, el suelo se asienta inmediatamente con una tasa
muy alta, después de 120 años, la tasa del asentamiento se minimiza. La estructura del
suelo bajo bosque es pulverulenta, con una alta cantidad de poros muy gruesos. Con un
uso del suelo en praderas de pastoreo, se crean agregados de tamaño medio, con una
gran porosidad media que se desarrolla a expensas de la porosidad muy gruesa.
Un sobrepastoreo o laboreos frecuentes del suelo, reducen la porosidad secundaria, los
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agregados se pulverizan.
La estabilidad mecánica de los agregados varía en el transcurso del año, en especial para
el sitio con bosque nativo. Esta es máxima a inicio de otoño y mínima a fines de invierno,
con esto se modifica también la distribución de poros por tamaño.
La capacidad de soporte es baja debido a la falta de cohesión entre las partículas y
microagredaos del suelo. Las líneas de tensión producidas por una carga externa,
penetran más profundo en sitios con un bajo nivel de intervención, exhibiendo en estos
casos altos coeficientes de concentración.
Con praderas permanentes aumenta la estabilidad estructural, los cambios estacionales
son menores, la distribución de poros por tamaño es menos variable a lo largo del año, la
capacidad de soporte incrementa debido a un aumento en la cohesión. Esto se debe en
gran parte a la mayor densidad radical. Las líneas de tensión se compensan en la estrata
superficial del suelo, y el coeficiente de concentraciónes de una magnitud moderada. En
los sitios con un sobrepastoreo y frecuentes labores de labranza, la capacidad de soporte
del suelo superficial es baja, esta aumenta en profundidad. El incremento de la
cohesión se debe al grado de encaje de microagregados aristados. Las líneas de fuerza se
compensan en la superficie y el coeficiente de concentración es pequeño.
INTRODUCCIÓN
Los suelos Hapludands se caracterizan por una muy baja densidad aparente, sin embargo
aparentan resistir acciones mecánicas externas. En estos suelos, la perdida del espacio
poroso producida por un manejo degradante, por regla general se desestima. El espacio
remanente, aún permite un adecuado desarrollo vegetal y la erosión se mantiene en
márgenes tolerabas (Ellies y Contreras, 1997).
Con el manejo del suelo se modifican las propiedades estructurales. Excesivas
presiones producen una compactación, lo que equivale a una reducción del volumen
arraigable. La magnitud del asentamiento o deformación del suelo depende del contenido
de humedad, sistema poroso, conductividad hidráulica y magnitud de la carga aplicada
(Hartge y Horn, 1991).
En un suelo consolidado incrementa la resistencia a nuevas deformaciones. Pero estas
ganancias en cualidades mecánicas, están aparejadas con aumentos en la densidad
aparente, cambios en la distribución por tamaño de los poros, modificaciones en la
conducción del agua en el suelo y disminución de estabilidad al agua de los agregados.
Esto es una modificación notable en el entorno, y por ende el crecimiento y la
biodiversidad vegetal son afectados. (Ellies y Ramírez, 1994)
El presente trabajo tubo por objetivo en evaluar los cambios de las propiedades
estructurales de un suelo volcánico sometido a distintos manejos.
MATERIALES Y MÉTODOS
Las investigaciones se llevaron a cabo en un suelo de ceniza volcánica, del Centro-Sur
de Chile. Bajo las condiciones húmedas imperantes de la zona, el bosque nativo
parcialmente caducifolio de Roble-Laurel-Lingue (Nothofago-Perseetum linguae)
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corresponde a la situación original, y al comparar la estructura de su suelo, con la de
aquellos que han tenido distintos usos y manejos, se pueden determinar los cambios
producidos con dicha intervención.
En un suelo muy homogéneo de la Serie Pelchuquin (medial mesic oxic, Hapludand) se
seleccionaron sitios muy cercanos, que distanciaban en menos de 400 entre sí, con un
manejo de bosque nativo, una pradera muy nueva, silvopastoreo, pradera artificial de alta
producción, un corredor de ganado y un sitio con rotaciones de cultivo con pradera.
De cada sitio se extrajeron muestras no alteradas por estrata suelo hasta una
profundidad de 60 cm, para determinar la distribución de poros por tamaño (Richard,
1949), resistencia al corte directo (Forsythe 1975) y capacidad de soporte (Hartge y
Horn, 1992)
Para cuantificar la distribución de presiones verticales se instalaron 16 celdas
transduductoras, con un registro de presión unidimensional. Estas se colocaron
horizontalmente desde la pared de una calicata por estratas de 10 cm, hasta una
profundidad de 60 cm. Las celdas se distanciaron por estrata 20 cm entre sí. Las celdas
se conectaron a un módulo colector de datos múltiple y éste a un computador (Ellies et
al, 1996). Sobre los sitios con las celdas instaladas transitaron maquinarias. Previo al
tránsito de la maquinaria se efectuó una caracterización físico-mecánica de cada suelo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los cambios estructurales más significativos con los distintos usos y manejos del suelo, se
producen en el sistema poroso. La mayor perdida de grosor o volumen del suelo se inicia
una vez eliminado el dosel arbóreo. Posteriormente, continua el asentamiento del suelo, este
se produce con una tasa decreciente y depende del manejo. En la Figura 1 se presentan
diversas magnitudes en el asentamiento según el manejo para un mismo suelo. Los números
entre paréntesis, indican los años desde que el sitio se incorporó a la actividad agropecuaria,
una vez eliminado bosque.
La reducción del grosor del suelo con una pradera nueva, después de cuatro años de la tala
del bosque, fue de 213 mm. El asentamiento máximo con 271 mm se produce en el sitio bajo
rotaciones culturales. El asentamiento de un Hapludand, con uso agropecuario, es mayor
que con un manejo silvívola, donde se elimina el bosque nativo y se sustituye con varias
rotaciones de bosque exótico (Ellies et al., 1993).
FIGURA 1 : Volumen equivalente residual de un suelo de ceniza volcánica sometido a
variados manejos y tiempo de uso (años) desde la eliminación del bosque nativo
3
Manejo del Suelo
Bosque Nativo (0)
Pradera Nueva (4)
Silvopastoreo (12)
Pradera (52)
Corredor de Ganado (82)
Rotaciones (120)
0
250
500
750
Profundidad Equivalente (mm)
Volumen Mineral
Poros 50 - 10 µm
Componentes del Suelo
Volumen Orgánico
Poros 10 -0,2 µm
Poros 50 µm
Poros 0,2 µm
.El suelo con bosque, tiene el mayor volumen poroso, con un dominio de poros
gruesos. Al eliminar el bosque, disminuye principalmente, la fracción de poros
muy gruesos. La pérdida de estos poros continúa en el tiempo, pero a una tasa
decreciente. En los sitios con pastoreo, aumenta la fracción de poros de agua útil
para las plantas (poros medios), es decir, se inicia un proceso pedológico con una
nueva forma de agregados y formación de bioporos.
En la pradera pisoteada la porosidad gruesa se pierde, paralelamente, incrementa la fina. La
porosidad media también disminuye. Finalmente, el sitio con rotaciones culturales, el
volumen poroso es restituido periódicamente con el labrantío, aún cuando, la distribución del
espacio poroso por tamaño difiere de la calidad original. En el subsuelo si se observó una
fuerte reducción de los poros secundarios.
En la Figura 2 se representan las variaciones, de la resistencia a la penetración del suelo con
sus distintos manejos. En el sitio bajo bosque nativo o en aquellos donde este fue eliminado
recientemente, se mantiene en gran parte, la soltura original del suelo. La resistencia a la
penetración, aumenta con la intensidad del uso del suelo, en especial, en de las estratas
superiores y en el sector bajo rotación de cultivos, también en el subsuelo donde se insinúa
un pie de arado. El aumento en la resistencia a la penetración esta más ligado al manejo del
suelo que los años de utilización en actividades agropecuarias.
FIGURA 2 : Resistencia a la penetración de un suelo sometido a variados manejos y tiempo
de uso (años) desde la eliminación de la vegetación nativa
4
4
3
2
1
0
0
10
Bosque Nativo (0)
Pradera Lechería (52)
20
30
Usos del Suelo
Pradera Nueva (4)
Pradera Degradada (82)
40
Silvopastoreo (12)
Rotación de Cultivos (120)
La resistencia a la penetración, afecta el crecimiento radical como se observa en el Cuadro 1.
Existe la tendencia que la cantidad de raíces disminuye por volumen al incrementar la
resistencia. La biomasa radical, en el suelo de bosque, está repartida homogéneamente en
todo el perfil; con los cultivos pecuarios, esta se concentra en las estratas superficiales.
En la Figura 3 se muestra la transmisión de las tensiones ejercidas por un tractor pesado,
sobre el sitio con la pradera intensiva y el corredor de ganado, además, se presenta, otro
suelo de cenizas volcánicas muy recientes, con un manejo de bajo bosque y otro de cero
labranza.
CUADRO 1. Biomasa radical (g/l) de un suelo superficial sometido a variados manejos y
tiempo de uso (años) desde la eliminación del bosque nativo
-----------------------------------------------------------------------------------Manejo
Años de
Raíces
Total
de uso Gruesas Finas
------------------------------------------------------------------------------------Bosque nativo
0
20.21
13.10
33.38
Pradera Nueva
4
9.07
17.01
26.19
Silvopastoreo
12
4.51
10.73
15.31
Pradera
52
2.60
10.69
13.34
Corredor Ganado
82
4.47
17.32
21.79
Rotaciones
120
3.54
10.79
14.40
-------------------------------------------------------------------------------------FIGURA 3: Distribución de las tensiones en el perfil de dos suelos de ceniza volcánica
con manejos distintos.
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Profundidad del suelo (cm)
Suelo San Patricio, bosque
Suelo San Patricio, con cero labranza
Distancia horizontal desde el eje de la rueda (cm)
Suelo Pelchuquin, potrero transitado
Suelo Pelchuquin, pradera lechería
Distancia horizontal desde el eje de la rueda (cm)
Las isobaras de presión penetran a una mayor profundidad cuando el suelo, es mas
suelto. Es decir, tienen un alto coeficiente de concentración, ya que las presiones se
concentran alrededor de un eje vertical. Cuando la presión ejercida por una máquina,
supera a la capacidad de soporte de una estrata, esta necesariamente se deforma. En los
sitios compactados, las líneas de presión se concentran en la superficie y la presión se
desplaza alrededor de un eje horizontal, esto explica que el coeficiente de concentración
es bajo.
La estabilidad mecánica de los suelos de ceniza volcánica, se asocia a la rugosidad y a la
forma aristada de los microagregados, y de los componentes primarios, como el vidrio
volcánico (Ellies y Funes, 1982). La estabilidad para estos suelos se asocia al grado de
encaje de estas unidades estructurales.
.Al someter a los suelos volcánicos a una alta presión dinámica o estática las aristas de
las partículas primarias y de las unidades estructurales se quiebran, y toman formas mas
lisas, lo cual permite un mayor encaje o consolidación. El uso de equipos y maquinarias
agrícolas pesadas, pueden provocar cambios irreversibles en la estructura (Ellies y
Hartge, 1990; Ellies et al, 1994).
La capacidad de soporte del suelo, o preconsolidación, determinada a partir de las
curvas de consolidación, incrementa con el tiempo e intensidad de uso (Figura 4). En los
sitios menos intervenidos, está queda muy por debajo de aquella del sitio utilizados por
más tiempo y con un manejo intensivo.
El sitio con bosque nativo presenta la menor preconsolidación, seguido por la pradera
incorporada recientemente a la actividad pecuaria, después de la eliminación del bosque.
6
La secuencia en el aumento de la preconsolidación de las estratas superficiales, esta
muy relacionada con el tiempo e historial de del suelo. Sólo en el sitio con rotaciones,
vuelve a bajar. Pero en el subsuelo, esta incrementa. El incremento de la
preconsolidación necesariamente, produce un nuevo reordenamiento de las partículas,
esto equivale a una reducción del espacio poroso secundario, lo cual se asocia a una
pérdida en la calidad de sitio
La cohesión determinada con el corte directo, en los distintos manejos tiene la misma
secuencia que la capacidad de soporte. Esta para todos los sitios es extremadamente
baja, ya que corresponde a la cohesión estructural real del suelo saturado, que depende
exclusivamente de los cementos agregantes y no de algún grado de deshidratación. Se
confirma, otra vez más, que esta propiedad, en suelos volcánicos con una baja densidad
aparente, es muy reducida en comparación a otros suelos minerales (Ellies, 1986).
Figura 4: Cohesión interna y capacidad de soporte del suelo superficial según manejo
del suelo
Bosque Nativo (0)
Pradera Nueva (8)
Silvopastoreo (12)
Pradera (52)
Corredor de ganado (82)
Rotación (120)
0
20
40
60
80
100
Propiedades mecánicas
Cohesión (kPa)
Capacidad de soporte (kPa)
.CONCLUSIONES
El mayor asentamiento de un suelo de ceniza de volcánica, se produce una vez
eliminado la vegetación nativa. La magnitud del asentamiento secundario depende del
manejo del suelo.
Pequeñas mermas en el alto volumen del espacio poroso de un suelo volcánico,
incrementan la resistencia a la penetración, que incide en el desarrollo radical
La profundidad penetración de las líneas de tensión en el suelo, con presiones externas,
en suelos de ceniza es moderada, lo cual indica que los suelos tienen una estabilidad
intrínseca, que depende de la morfología de las partículas primarias y de los agregados.
En condiciones saturadas, la cohesión interna real y la capacidad de soporte, en suelos
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volcánicos es baja, esta incrementa considerablemente, con manejos que solicitan más al
suelo.
BIBLIOGRAFÍA
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RICHARD, L. 1949. Methods of masuring soil moisture tnsion. Soil. Sci 68: 95-112
Palabras clave : porosidad, compactación, capacidad de soporte, suelos volcánicos
Keywords : porosity, compaction, penetrometry, bearing capacity, volcanic soil
Mots clés : porosité, compactage, pénétrométrie, portance, sol volcanique
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