REPELENCIA AL AGUA EN SUELOS. Con énfasis en Andisoles de Antioquia

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1 REPELENCIA AL AGUA EN SUELOS Con énfasis en Andisoles de Antioquia DANIEL F.. JARAMILLO J.. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE GEOCIENCIAS MEDELLÍN 2004

2 REPELENCIA AL AGUA EN SUELOS Con énfasis en Andisoles de Antioquia DANIEL F. JARAMILLO J. Profesor Titular UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE GEOCIENCIAS MEDELLÍN 2004

3 PRESENTACIÓN En este documento se hace una amplia revisión bibliográfica de temas relacionados con la repelencia al agua en los suelos. Además, se presentan los resultados de varias investigaciones que se han llevado a cabo para estudiar este fenómeno en Andisoles de la cuenca hidrográfica de la quebrada Piedras Blancas, ubicada en el oriente antioqueño, en cercanías a Medellín. El documento se ha organizado, para su presentación, en cinco Capítulos. El primero de ellos recopila la información básica que constituye el marco conceptual y de referencia para el tema a tratar. En el segundo Capítulo se discuten ampliamente el origen y la naturaleza de la repelencia al agua en el suelo, así como el efecto que tiene la materia orgánica del mismo sobre aquella. En el Capítulo 3 se estudian los métodos que se utilizan para evaluar la repelencia al agua en el suelo, haciendo énfasis en la variabilidad aleatoria, espacial y temporal de este fenómeno y aportando información local para ilustrar dicho comportamiento. En el Capítulo 4 se hace una revisión amplia acerca de lo que se ha denominado vías de flujo preferencial en el suelo: sus causas, propiedades y manifestaciones, así como su relación con la repelencia al agua, sus efectos sobre la hidrología del suelo y el papel que ellas pueden jugar en la contaminación de aguas subsuperficiales. En el Capítulo 5 se entregan algunos resultados de trabajos de investigación llevados a cabo con el fin de caracterizar los Andisoles repelentes al agua. Al final del documento se plantean algunos problemas que están por solucionarse en el futuro cercano, para entender el fenómeno de la repelencia al agua en el suelo. Se anexa, además, una extensa lista de bibliografías consultadas que pueden ayudar a quienes se interesen en estos temas a mejorar su conocimiento en ellos. Se quiere dejar constancia de agradecimiento a los profesionales Alexandra M. Castillo T., John Santiago Gómez L., Marco A. Abril R., Bianor A. Ortiz Echeverri y Claudia E. Hoyos E., por haberme permitido utilizar información básica obtenida por ellos en sus trabajos de investigación.

4 TABLA DE CONTENIDO CAPÍTULO MARCO CONCEPTUAL EL AGUA PROPIEDADES LA TENSIÓN SUPERFICIAL Y EL ÁNGULO DE CONTACTO LA REPELENCIA AL AGUA EN LOS SUELOS SUELO REPELENTE AL AGUA SUELO HUMECTABLE ALGUNAS MANIFESTACIONES DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO ORIGEN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN LOS SUELOS EFECTOS DE LA REPELENCIA AL AGUA SOBRE EL SUELO Contenido de humedad La infiltración y el humedecimiento del suelo Escorrentía y erosión Estructura del suelo Otros efectos IMPORTANCIA Y DISTRIBUCIÓN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO EVALUACIÓN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN LOS SUELOS MANEJO DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO Evitar la acumulación excesiva de litter Mecanización del suelo Adicionar arcilla o materiales terrosos arcillosos Aumentar el ph del suelo Agregar agentes humectantes Otras posibilidades...53 CAPÍTULO ORIGEN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO ORIGEN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO FUENTES DE LOS COMPUESTOS HIDROFÓBICOS PARA EL SUELO LA VEGETACIÓN...60

5 LOS MICROORGANISMOS LOS INCENDIOS, QUEMAS Y CALENTAMIENTO CONTAMINACIÓN CON HIDROCARBUROS NATURALEZA DE LOS COMPUESTOS HIDROFÓBICOS EN EL SUELO...75 Solvente RELACIÓN REPELENCIA AL AGUA MATERIA ORGÁNICA...89 CAPÍTULO SEVERIDAD, PERSISTENCIA Y VARIABILIDAD DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO SEVERIDAD DE LA REPELENCIA AL AGUA MARCO CONCEPTUAL EVALUACIÓN DE LA SEVERIDAD DE LA REPELENCIA AL AGUA: MÉTODO MED Desarrollo y factores que la afectan Protocolo para el método MED Condiciones para la determinación Procedimiento Clasificación de la severidad de la repelencia al agua en el suelo Una variante del MED PERSISTENCIA DE LA REPELENCIA AL AGUA MARCO CONCEPTUAL EVALUACIÓN DE LA PERSISTENCIA DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO: MÉTODO WDPT Desarrollo y propiedades Procedimientos que se han utilizado frecuentemente Protocolo Clasificación de la persistencia de la repelencia al agua en el suelo Una variante del WDPT VARIABILIDAD DE LAS MEDIDAS DE LA REPELENCIA AL AGUA EN LOS SUELOS VARIABILIDAD ALEATORIA Variabilidad aleatoria del MED Variabilidad aleatoria del WDPT Generalidades Estudio de casos Caracterización de la persistencia de la repelencia potencial al agua en suelos provenientes de 4 coberturas vegetales Variabilidad aleatoria de la persistencia de la repelencia potencial al agua Efecto de la cobertura vegetal en la persistencia de la repelencia potencial al agua ii

6 Efecto del tamizado de las muestras sobre la persistencia de la repelencia potencial al agua Efecto del secado y almacenamiento de las muestras a 105 C durante varios días seguidos, sobre la persistencia de la repelencia potencial al agua Comparación de la mediana y la media de los valores del WDPT Conclusiones Variabilidad aleatoria de las medidas con la solución de etanol al 15% VARIABILIDAD ESPACIAL Variabilidad espacial del MED Variabilidad espacial del WDPT VARIABILIDAD TEMPORAL CAPÍTULO VÍAS DE FLUJO PREFERENCIAL DEFINICIÓN Y DESARROLLO FLUJO EN MACROPOROS FLUJO DIGITADO Desarrollo Propiedades Tamaño Velocidad Recurrencia MECANISMO DE HUMEDECIMIENTO DE UN SUELO REPELENTE AL AGUA CON VÍAS DE FLUJO PREFERENCIAL FLUJO DE DISTRIBUCIÓN FLUJO VERTICAL FLUJO DIVERGENTE IMPORTANCIA Y EFECTOS DE LAS VÍAS DE FLUJO PREFERENCIAL EN EL SUELO EFECTO SOBRE EL MOVIMIENTO DE AGUA EFECTO SOBRE EL MOVIMIENTO DE CONTAMINANTES RECONOCIMIENTO DE LAS VÍAS DE FLUJO PREFERENCIAL EN EL CAMPO CON INFORMACIÓN DE HUMEDAD Y/O DE REPELENCIA AL AGUA CAPÍTULO CARACTERIZACIÓN DE ANDISOLES REPELENTES AL AGUA DE LA CUENCA DE LA QUEBRADA PIEDRAS BLANCAS RELACIÓN FERTILIDAD REPELENCIA DEL SUELO AL AGUA CARACTERIZACIÓN DE LOS ANDISOLES REPELENTES AL AGUA DE LA CUENCA DE LA QUEBRADA PIEDRAS BLANCAS TRABAJOS PREVIOS iii

7 NUEVOS TRABAJOS Comparación de muestras Depuración de las bases de datos Comparación de muestras Análisis de tendencias Análisis de variabilidad espacial Con diversas coberturas vegetales Análisis univariados generales Efecto de las coberturas Relación de la repelencia potencial al agua con otras propiedades del suelo Análisis de tendencias SÍNTESIS, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA iv

8 CAPÍTULO 1 MARCO CONCEPTUAL 1.1. EL AGUA PROPIEDADES LA TENSIÓN SUPERFICIAL Y EL ÁNGULO DE CONTACTO LA REPELENCIA AL AGUA EN LOS SUELOS SUELO REPELENTE AL AGUA SUELO HUMECTABLE ALGUNAS MANIFESTACIONES DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO ORIGEN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN LOS SUELOS EFECTOS DE LA REPELENCIA AL AGUA SOBRE EL SUELO IMPORTANCIA Y DISTRIBUCIÓN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO EVALUACIÓN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN LOS SUELOS MANEJO DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO...41

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10 1.1. EL AGUA PROPIEDADES Aparte de la importancia que tiene como componente de la Tierra, puesto que cubre, según Tarbuck y Lutgens (1999), aproximadamente el 71% de su superficie, y de ser el principal componente de los organismos vivos: representa entre el 80 y el 90% del peso fresco de las gramíneas y más del 50% del peso fresco de las plantas leñosas (Kramer, 1974), el agua es una sustancia especial por sus propiedades únicas. En la Tabla 1.1 se presentan algunas de ellas y se comparan con las de otros líquidos comunes. TABLA 1.1. Propiedades físicas del agua y de algunos fluidos comunes, a 20º C. (Tomadas de Restrepo, 2001). Fluido Fórmula Peso molecular (uma) Densidad (g cm -3 ) Punto de ebullición (º C) Viscosidad (N s m -2 ) Tensión superficial (dina cm -1 ) Momento dipolar (debye) Agua H 2 O x Acetona CH 3 COCH x Benceno C 6 H x Etanol C 2 H 5 OH x Tetracloruro de carbono CCl x El agua también presenta valores extremadamente altos de calor de vaporización: 540 cal g -1 y de calor de fusión: 80 cal g -1 (Hillel, 1998). Teniendo en cuenta su bajo peso molecular puede decirse que el agua tiene unas propiedades anómalas, comparada con otros líquidos comunes y más pesados que ella. Las propiedades que muestra el agua se deben, fundamentalmente, a su estructura molecular especial, la cual puede verse en la Figura 1.1. HIDRÓGENO POLO º OXÍGENO POLO - HIDRÓGENO FIGURA 1.1. Estructura molecular del agua. (Con base en Hillel, 1998).

11 Llama la atención, además, como lo expone Hillel (1998), que el agua se presente en forma líquida a las temperaturas normales, estando compuesta por dos gases y teniendo un peso molecular tan bajo. Los altos valores que presenta el agua en propiedades como la viscosidad, la tensión superficial, el calor de vaporización y el de fusión y el punto de fusión, están determinados por las altas fuerzas de cohesión intermoleculares (Kramer, 1974; Hillel, 1998). De particular importancia en la molécula de agua son los enlaces de hidrógeno. El hidrógeno forma unos enlaces primarios con el oxígeno, para dar origen a la molécula de agua y estas moléculas, a su vez, se unen entre sí a través del oxígeno con otros enlaces secundarios con el hidrógeno de las moléculas vecinas, formando una especie de retícula que Hillel (1998) reconoce como un polímero de moléculas unidas por hidrógeno. Los enlaces primarios son más fuertes que los secundarios y todos los enlaces de hidrógeno son fuertemente direccionales. Además, los enlaces de hidrógeno tienen una longitud específica que difiere de un tipo de enlace a otro, dependiendo de la geometría estructural y de la distribución de los electrones en la molécula particular. Todo lo anterior pone de manifiesto, entonces, que los enlaces de hidrógeno se forman y permanecen sólo bajo unas condiciones geométricas específicas (Hillel, 1998). Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua son resistentes a la reorganización, razón por la cual el agua moja y se pega a superficies y a sustancias que tengan oxígenos expuestos con los que la molécula de agua pueda formar enlaces de hidrógeno (Kramer, 1974). Según Hillel (1998), las fuerzas intermoleculares tan altas que se presentan en el agua líquida son causadas por la polaridad de la molécula, la cual se origina en el arreglo que presentan sus átomos: Las uniones H-O-H no son lineales sino que son curvadas, formando un ángulo de 104.5º entre los hidrógenos, como se aprecia en la Figura 1.1. El arreglo molecular que se presenta en la Figura 1.1 crea una asimetría eléctrica en la molécula que lleva a cada átomo a adquirir una carga parcial local, positiva en los hidrógenos y negativa en el oxígeno que, aunque no genera carga neta en ella, sí la convierte en un dipolo. La polaridad de las moléculas de agua es la que hace que ellas se atraigan mutuamente y es la principal razón para que se adsorban rápidamente en superficies sólidas, en coloides y en iones hidratados, así como, en parte, para que el agua sea un solvente particularmente bueno. El agua tiene una muy baja capacidad de ionización: Sólo una molécula se encuentra disociada en un litro de agua. Cada que se disocia una molécula, se libera un protón (el hidrógeno) el cual no puede existir solo por lo que inmediatamente se une a una molécula de agua para formar el ión hidronio (Hillel, 1998). Este comportamiento, principalmente, es el que hace que el agua sea un solvente tan eficiente: Solvente Universal. Kramer (1974) destaca otras propiedades del agua que aquí simplemente se enumeran pues tienen poca pertinencia para el estudio de la Hidrofobicidad en el suelo: Es buen conductor de calor, en comparación con otros líquidos y sólidos no metálicos. 4

12 Es muy transparente a la radiación visible y opaca a las radiaciones de longitud de onda larga. Se expande al congelarse: el hielo tiene un volumen 10% mayor que el del agua que lo formó. En resumen puede decirse que el agua, en su estado líquido, es un fluido con propiedades únicas y diferentes a las esperadas de acuerdo con su naturaleza, donde su estabilidad y su actividad se la dan las fuerzas de cohesión que presenta y la polaridad que posee, ambas características derivadas de la geometría estructural de su molécula LA TENSIÓN SUPERFICIAL Y EL ÁNGULO DE CONTACTO En la Figura 1.2, las moléculas de agua que están en el interior del líquido (marcadas con A) experimentan unas fuerzas de atracción por sus vecinas que tienen igual magnitud pero diferentes direcciones por lo que la fuerza neta que actúa sobre una molécula en particular es igual a cero. A diferencia de lo anterior, las moléculas que están en la superficie del líquido (marcadas con B) experimentan fuerzas diferenciales sobre ellas: Adentro, las fuerzas son iguales a las que afectan a las otras moléculas pero, en la superficie de la interfase, las fuerzas ejercidas por la fase gaseosa son menores, con lo que se genera una componente de fuerza sobre dicha superficie, dirigida hacia el interior del líquido, que reduce el área de esa superficie y la distancia entre las moléculas ubicadas en ella. GAS B Superficie del líquido A LÍQUIDO FIGURA 1.2. Fuerzas que actúan sobre las moléculas de agua en el interior del líquido y en la interfase líquido-gas. La suma de las fuerzas que actúan en la superficie del líquido es lo que puede definirse como la tensión superficial del mismo y representa, como dice Restrepo (2001), la energía requerida para incrementar el área superficial de dicho líquido en una unidad. Doerr et al (2000) expresan que para aumentar la superficie de un líquido se requiere hacer un trabajo cuya magnitud se 5

13 relaciona con su tensión superficial o energía libre superficial, la que para la mayoría de los líquidos está entre 20 y 40x10-3 N m -1. Estos mismos autores dicen que para sólidos duros esa energía varía entre 500 y 5000 N m -1. Para que un líquido moje una superficie sólida, al colocar el líquido sobre la superficie del sólido aquel se debe esparcir sobre éste y las fuerzas de cohesión entre las moléculas del líquido son debilitadas pues parte de ellas se transforman en fuerzas de adhesión del líquido hacia el sólido ya que, como dicen Doerr et al (2000), la afinidad o repelencia entre el agua y una superficie sólida se origina en el balance de fuerzas de adhesión y de cohesión que se presenten entre las moléculas de agua. Cuando hay afinidad entre el líquido y el sólido, el líquido se esparce, las fuerzas de adhesión superan a las de cohesión y el líquido moja al sólido; cuando no hay esa afinidad, las fuerzas de cohesión son las dominantes y no dejan esparcir el líquido sobre el sólido con lo cual no hay mojadura. Cuando el sólido es un medio poroso como el suelo y el líquido es el agua, la interacción de esos dos componentes se manifiesta en la entrada del agua a través de los poros y la humectación de un determinado volumen del suelo, cuando éste es afín con el agua (hidrofílico) o, en el caso de suelos repelentes al agua, se expresa como la permanencia del agua sobre el suelo con la menor superficie de contacto posible entre ellos. En el caso de colocar una gota de agua sobre la superficie de un suelo repelente al agua, las fuerzas de cohesión en la gota, todas dirigidas hacia el interior de ella, son las que le dan la forma esférica característica que adopta (ver Figura 1.7); en la Figura 1.3 se esquematiza el comportamiento descrito en las dos situaciones expuestas. Poco tiempo a. Suelo hidrofílico Mucho tiempo b. Suelo hidrofóbico FIGURA 1.3. Interacción del suelo con el agua. a. Suelo que tiene afinidad por el agua: El agua entra al suelo y lo humedece en muy poco tiempo. b.. Suelo que no tiene afinidad por el agua: El agua no se esparce sobre el suelo sino que permanece sobre su superficie por largo tiempo y adquiere formas que reducen al máximo el contacto entre los dos componentes. 6

14 De acuerdo con lo que se ha expuesto anteriormente, para que el agua se pueda esparcir sobre la superficie de un sólido, éste debe tener una energía libre mayor a 72.75x10-3 N m -1, de manera que pueda vencer las fuerzas de cohesión que ella tiene y la atraiga hacia sí, humedeciéndose. Este requisito lo cumplen los principales minerales del suelo, por lo que ellos son hidrofílicos (Tschapek, citado por Doerr et al, 2000) pero no lo cumplen muchos sólidos orgánicos, como grasas y polímeros, por lo que son hidrofóbicos (Zisman, citado por Doerr et al, 2000). La tensión superficial se presenta en la interfase de dos fluidos no miscibles (Stephens, 1996) y casi exclusivamente en la interfase líquido-gas (Hillel, 1998). En la Tabla 1.2 se presentan valores de tensión superficial de agua a diferentes temperaturas y de agua con otros fluidos. TABLA 1.2. Tensión en la interfase* de varios fluidos. (Tomada de Stephens, 1996). Fluidos Tensión en la interfase (dinas cm -1 ) Temperatura (ºC) Agua-aire Agua-aire Agua-aire Agua-benceno Agua-n octano Agua-tetracloruro de carbono Agua-tetracloroetileno Solución NaCl (10.46%)-aire Solución NaCl (25.92%)-aire * Stephens (1996) prefiere hablar de tensión en la interfase cuando los fluidos involucrados no son un líquido y aire y reserva la tensión superficial para la situación en que los fluidos sí son un líquido y el aire. En la tabla anterior se observa que al incrementar la temperatura, en el mismo sistema, se reduce la tensión superficial en él. También, al utilizar electrolitos en el agua se incrementa la tensión superficial, ya que los iones incrementan las fuerzas de cohesión en la solución. Obsérvese, además, que la adición de solutos orgánicos al agua, reduce su tensión superficial Cuando se coloca una gota de un líquido sobre la superficie de un sólido se definen 3 interfases, en cada una de las cuales se genera su propia tensión superficial. Aparte de esto, al hacer un corte vertical en el sistema, en el punto en que convergen las tres fases se forman tres ángulos que suman 360º (ver Figura 1.4). El ángulo que se forma entre el líquido y la superficie del sólido es el que se conoce como ángulo de contacto. Según Stephens (1996), el ángulo de contacto es un resultado directo de las fuerzas que actúan en la interfase y de la atracción del líquido por el sólido; así mismo, es el reflejo de la humectabilidad del sólido por el líquido, es decir, de la facilidad con que el líquido se esparce sobre la superficie del sólido. Cuando el ángulo de contacto es igual a cero, la superficie del sólido es perfectamente humectable por el líquido e indica que ella tiene una preferencia absoluta por el líquido sobre el gas. La superficie en la cual el agua exhibe un ángulo de contacto obtuso es una superficie repelente al agua o hidrofóbica (Hillel,1998). 7

15 LG GAS GS LÍQUIDO SL SÓLIDO FIGURA 1.4. Tensión superficial entre varias fases y ángulo de contacto (Con base en Hillel, 1998). Según Hillel (1998), en la superficie del sólido representado en la Figura 1.4 se cumple la siguiente relación: GS cos [ 1.1 ] SL LG Donde: GS : Tensión en la interfase gas-sólido. SL : Tensión en la interfase sólido-líquido. LG : Tensión en la interfase líquido-gas. : Ángulo de contacto entre las interfases líquido-gas y líquido-sólido en el punto de confluencia de las tres fases. La tensión superficial y el ángulo de contacto en el agua, en un medio poroso, se ven reflejados en las fuerzas de capilaridad que generan los sólidos del mismo y que actúan, en parte y en el caso de los suelos, en la retención del agua en él cuando no está saturado. Stephens (1996) expresa dicha relación con la siguiente ecuación: m 2 cos [ 1.2 ] r c 8

16 Donde: m : Potencial mátrico o fuerza capilar. : Tensión superficial del agua. : Ángulo de contacto entre las interfases líquido-gas y líquido-sólido. r c : Radio de un tubo capilar que representa el radio de curvatura del menisco que se produce en la interfase agua-aire. Se mencionó antes que una de las fuerzas que actúan en la retención del agua en el suelo, cuando éste no está saturado, es la fuerza capilar; la otra fuerza que actúa sobre dicha retención es la fuerza de adsorción, la cual es la resultante de la diferencia entre las fuerzas de atracción y de repulsión que se presentan entre moléculas y iones de diferentes fases al ser puestas en contacto sus superficies. La adsorción del agua por el suelo es de naturaleza electrostática, originada por la polaridad de las moléculas de agua que hace que ellas se adhieran a las superficies cargadas de los sólidos y/o de los iones que ya están unidos a ellas (Hillel, 1998). En la Figura 1.5 se representa la retención del agua en el suelo debida a las fuerzas analizadas anteriormente. Sólido Agua adsorbida Agua capilar FIGURA 1.5. Retención del agua en el suelo no saturado. (Con base en Hillel, 1998 y en Stephens, 1996). En el esquema de la Figura 1.5 es importante notar que el agua adsorbida se presenta en las películas de humedad más delgadas que rodean las partículas sólidas del suelo, mientras que el agua capilar se ubica en el espacio poroso del mismo. Estas diferencias también generan diferencias entre la importancia que tienen los dos mecanismos de retención, en relación con la condición de humedad que tenga el suelo: Si el suelo está seco, la retención del agua se hará más por adsorción mientras que si está mojado, las fuerzas capilares harán un aporte importante a la magnitud de la retención. 9

17 1.2. LA REPELENCIA AL AGUA EN LOS SUELOS Un material se considera hidrofóbico o repelente al agua, cuando el agua no se extiende sobre su superficie, es decir, cuando el ángulo que se forma entre la superficie del agua (interfase aguaaire) y la superficie del sólido (interfase agua-sólido) es mayor o igual a 90º. En la Figura 1.6 se representa esquemáticamente la definición anterior y se contrasta con la situación en la que el ángulo de contacto es menor a 90º y, por lo tanto, el material es hidrofílico. La Figura 1.7 muestra la manifestación de la repelencia al agua en el suelo: Obsérvese que las gotas de agua no se extienden sobre él sino que permanecen recogidas sobre su superficie formando ángulos mayores a 90º. Agua Agua Sólido Sólido a. Hidrofóbico: > 90º b. No hidrofóbico: < 90º FIGURA 1.6. Ángulo de contacto entre el sólido y el agua en materiales repelentes y no repelentes al agua. En el caso de los suelos, la gran mayoría de las veces la repelencia al agua no se manifiesta en forma permanente sino que se presenta estacionalmente, siendo más intensa en las épocas secas, razón por la cual es frecuente hablar de suelos de difícil humectabilidad o de suelos resistentes a la humectación para referirse a los suelos repelentes al agua SUELO REPELENTE AL AGUA Hay varias propuestas para considerar que un suelo es repelente al agua. King (1981) apunta que un suelo arenoso y seco al aire empieza a presentar dificultad para ser humedecido cuando una gota de agua colocada sobre su superficie tarda más de 10 segundos en ser absorbida completamente por él. Otros autores como Roberts y Carbon o Walsh y colaboradores, citados por Doerr et al (2000), han propuesto que se considere el suelo como repelente al agua cuando la gota de agua colocada en su superficie tarde, respectivamente, más de 1 y más de 60 segundos en ser absorbida. Finalmente, por conveniencia y sin que haya algún significado físico especial en ello, Richardson, en 1984, citado por Dekker y Jungerius (1990), propuso que el suelo se considere repelente al agua si dicha gota tarda más de 5 segundos en ser absorbida completamente por él. El 10

18 valor propuesto por Richardson ha sido aceptado y utilizado ampliamente hasta hoy: Dekker (1998), Ritsema (1998), Dekker et al (2000), Dekker y Ritsema (2000), Jaramillo et al (2000), Kostka (2000), Letey et al (2000), Robichaud y Hungerford (2000), Wang et al (2000), Doerr et al (2002a), Jaramillo (2003a), Moral et al (2003), Vanegas (2003), entre otros. 134º FIGURA 1.7. Expresión de la repelencia al agua en el suelo SUELO HUMECTABLE Como consecuencia de la exposición hecha en los párrafos anteriores, un suelo es humectable o no repelente al agua cuando una gota que se coloque en su superficie es absorbida completamente en un tiempo menor a 5 segundos ALGUNAS MANIFESTACIONES DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO En un suelo hidrofóbico, con poros grandes abiertos, el agua puede ocupar parte de ellos e, inclusive, humedecer completa o parcialmente los agregados que están a su alrededor. En la Figura 1.8 puede apreciarse, a pequeña escala, cómo luego de colocar una gota de agua sobre una muestra de suelo repelente al agua, seco al aire y cernido por tamiz de 2 mm, parte del líquido se aloja en un poro grande y no fluye a través de él (se ve oscuro y con puntos luminosos-flechas amarillas) y algunos de los agregados a su alrededor se humedecen completamente, mientras que otros lo hacen parcialmente (obsérvese el agregado señalado con la flecha roja). Este 11

19 comportamiento puede generar lo que algunos autores han definido como repelencia subcrítica al agua (Hallett et al, 2001), es decir, un humedecimiento lento del suelo. FIGURA 1.8. Proceso de humedecimiento de un suelo extremadamente repelente al agua, a la escala de agregados de 2 mm de diámetro máximo. (Foto en estéreomicroscopio con aumento de 2.5x). A una escala de trabajo mayor, se presentan varias manifestaciones de la repelencia al agua en el suelo. En la Figura 1.9a se aprecia cómo al observar el suelo en planta, en su superficie se puede definir un patrón de parches debido a la alternancia de sectores repelentes (secos y de colores más claros) con sectores humectables (colores más oscuros debido a la mayor humedad) en el mismo suelo. Patrones similares al que se muestra en esta figura fueron reconocidos y cartografiados en una parcela de 10 x 40 m por Castillo y Gómez (1995), en Andisoles con plantación de Pinus patula y también han sido observados en suelos arenosos de dunas con vegetación herbácea (ver Figura 1.10a, la flecha señala un parche húmedo), en Holanda, por Dekker (1998). En la Figura 1.9b, se observa, en cambio, una capa continua repelente al agua (color claro) ubicada en el contacto entre la capa de acículas de pino y la superficie del suelo mineral correspondiente al límite superior del horizonte A de un Andisol. En la Figura 1.9c se aprecia una capa delgada (más o menos 3 cm) repelente al agua en la que abunda micelio fungal blanco en el interior del horizonte A de un Andisol con cobertura de pino. La Figura 1.9d presenta también micelio, pero esta vez, en la capa de acículas del pino. Obsérvese un detalle en la Figura 1.9e, en la cual se ve un ped de un Andisol con recubrimiento parcial de micelio blanco extremadamente repelente al agua. 12

20 La Figura 1.10b muestra otro patrón frecuente en suelos repelentes al agua como es la alternancia de cuerpos de suelo secos repelentes al agua (de color claro) con cuerpos de suelo húmedo (de color oscuro). a b c d e FIGURA 1.9. Algunas manifestaciones de repelencia al agua en Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, bajo plantaciones de pino (Pinus patula). Otro rasgo de ocurrencia frecuente en los suelos repelentes al agua es el que se conoce como patrón o frente de humedecimiento irregular (Dekker, 1998) que es el que muestran las Figuras 1.10 c y d ORIGEN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN LOS SUELOS La repelencia al agua en el suelo se debe a la acumulación de ciertos tipos de compuestos orgánicos en él. La fuente por excelencia de dichos compuestos son los vegetales y/o los microorganismos, tanto de organismos vivos como de organismos en descomposición. Una característica importante de los compuestos orgánicos que se asocian con la hidrofobicidad es que 13

21 no presentan un grado de alteración muy avanzado, es decir, no corresponden con humus propiamente dicho sino que se ubican más bien en el grupo de sus precursores. Doerr et al (2000) reúnen los compuestos responsables de la repelencia al agua en el suelo en dos grandes grupos: El primero, compuesto por hidrocarburos alifáticos que son sustancias formadas por hidrógeno y carbono, con los carbonos distribuidos en cadenas largas. Estos compuestos son no polares y, en consecuencia, son casi insolubles en agua. El segundo grupo está formado por compuestos de estructura anfifílica, es decir que son compuestos que tienen una parte terminal polar y otra no-polar. La parte terminal polar es hidrofílica, en tanto que la no-polar es hidrofóbica. Luego de que se producen los compuestos hidrofóbicos, éstos se deben distribuir en el suelo para poderle imprimir ese carácter de repelente al agua. En la distribución, los compuestos van recubriendo total o parcialmente granos, agregados y/o poros, trasmitiéndole al material afectado su comportamiento hidrofóbico. Al papel de la materia orgánica en la repelencia al agua en el suelo se dedicará buena parte de próximo un capítulo, por lo que no se profundizará más en el tema en este numeral. a b d c FIGURA Algunas manifestaciones de repelencia al agua en suelos arenosos de dunas de Holanda. Las fotos a, c y d, tomadas de Dekker (1998) y foto b, tomada de Ritsema (1998). 14

22 Un agente no biótico que puede generar repelencia al agua en el suelo es el fuego. DeBano (1981, 2000) ha realizado extensas revisiones de literatura y ha mostrado el estado del arte en lo que se relaciona con el fuego y sus efectos sobre la repelencia al agua en el suelo. En las revisiones citadas se pueden destacar los siguientes resultados: Después de un incendio la repelencia al agua puede manifestarse como una capa discreta, de espesor y continuidad variables, en la superficie del suelo o a unos pocos centímetros de profundidad en él y paralela a su superficie. La intensidad del fuego, es decir, las temperaturas alcanzadas y la duración del mismo, la cantidad de materia orgánica fresca (litter) acumulada sobre la superficie del suelo, así como la acumulación de productos de la descomposición y del metabolismo de los organismos que viven en él, determinan el efecto que va a tener el fuego sobre la repelencia al agua del suelo. El calor producido por la combustión de la capa de litter puede alcanzar entre 850 y 1100ºC y vaporizar sustancias orgánicas que son movidas hacia el interior del suelo siguiendo un gradiente de temperatura, hasta que llegan a capas interiores más frías que hacen que se condensen en ellas, generándose la hidrofobicidad. Con respecto a la relación entre la temperatura y la repelencia al agua en el suelo, se producen muy pequeños cambios en la repelencia al agua cuando el calentamiento se hace a menos de 175ºC; se produce una intensa repelencia cuando el calentamiento se hace entre 175 y 200ºC y con temperaturas entre 280 y 400ºC ocurre la destrucción de casi todos los compuestos hidrofóbicos. Robichaud y Hungerford (2000) confirmaron, en ensayos de laboratorio y con diferentes tipos de suelos, que al someter los suelos a calentamiento se generan gradientes de temperatura que controlan la distribución y ubicación de la repelencia al agua en ellos. Además, encontraron que hay una interacción entre el calentamiento inducido por el fuego, el contenido de agua en el suelo y el tipo de suelo. Advierten que la combustión del litter causó los mayores efectos sobre la repelencia al agua y que el calentamiento de suelos secos no repelentes al agua en condiciones naturales, puede convertirlos en repelentes. Doerr et al (1998) encontraron, en suelos de texturas gruesas y con bajo contenido de materia orgánica, de clima mediterráneo y bajo plantaciones de Pinus pinaster y Eucalyptus globulus, que las quemas realizadas sobre ellos no produjeron cambios sustanciales en las condiciones de hidrofobicidad iniciales, atribuyendo este comportamiento a que la hidrofobicidad original ya era alta antes de la quema y que, por tanto, los compuestos orgánicos liberados con ella no tuvieron un efecto detectable sobre la repelencia; añaden, además, que las temperaturas alcanzadas no fueron lo suficientemente altas como para destruir la hidrofobicidad pre-existente. Apuntan, eso sí, que la quema de litter de las dos especies mencionadas generó parches extremadamente repelentes al agua en la superficie del suelo. Debido a los efectos nocivos que tiene la presencia de materiales hidrofóbicos en el suelo sobre muchas de sus propiedades, como se verá más adelante, así como al hecho de que la repelencia al 15

23 agua puede ser generada fácilmente en el suelo después de una quema que se haga sobre él, es que el Soil Quality Institute (SQI, 2000) del Servicio de Conservación de Recursos Naturales de Estados Unidos de Norteamérica ha recomendado que la hidrofobicidad del suelo sea uno de los parámetros que se tenga en cuenta para evaluar la calidad de este recurso. No sólo las temperaturas alcanzadas durante un incendio son capaces de alterar el comportamiento hídrico del suelo. Se sabe que la manifestación de la repelencia al agua tiene un patrón estacional: es de máxima expresión en las épocas secas y es mínima, e incluso puede desaparecer, en las épocas húmedas. Además, según Dekker y Ritsema (2000) la severidad de la repelencia al agua, cuando las muestras se someten a secado, puede estar influenciada por la temperatura de calentamiento durante el proceso de secado. Jaramillo (2003a) mostró que el secado de las muestras de Andisoles incrementaba el grado de repelencia al agua del suelo, así como el espesor del suelo afectado por ella, al incrementar la temperatura de secado de la condición de campo (aproximadamente 15ºC) a temperaturas de 35 y de 105ºC. En la Figura 1.11 puede verse que el suelo estudiado no presentó repelencia al agua en campo (repelencia real) 1 en ningún punto y en ninguna profundidad; sin embargo, cuando fue sometido a secado en laboratorio, a 35ºC (repelencia potencial) 2, en todos los sitios de muestreo se presentó algún grado de repelencia al agua y cuando las muestras se secaron a 105ºC, prácticamente todo el perfil muestreado (casi 30 cm) del suelo fue extremadamente repelente al agua. Vanegas (2003) realizó un estudio del efecto de la temperatura de secado de muestras de Andisoles sobre el grado de repelencia al agua que ellas podían desarrollar, sometiendo las muestras a secado con temperaturas de 15, 20, 25, 30, 35 y 105ºC y encontró, también, que al ir incrementando la temperatura de secado de las muestras, se incrementaba el grado de repelencia al agua en ellas y el volumen de suelo que se veía afectado por la hidrofobicidad, tanto en suelos bajo cobertura de Pinus patula, como bajo cobertura natural de roble (Quercus humboldtii), aunque con menor intensidad bajo cobertura natural. Es importante hacer notar que el secado a 15ºC fue capaz de generar repelencia al agua en un buen número de muestras, en ambas coberturas, lo que indica que en las épocas secas, cuando las temperaturas ambientales sobrepasan ese valor, los suelos estudiados tienen una alta probabilidad de generar repelencia al agua en condiciones de campo. El autor de este documento estudió el efecto del secado, a dos temperaturas: 35 y 105ºC, en muestras de Andisoles tomadas bajo diferentes coberturas: Pinus patula, P. elliottii, Cupresus lusitanica y Quercus homboldtii, encontrando que la intensidad en el grado de repelencia al agua, en general, mostró la tendencia a incrementarse al pasar la temperatura de secado de 35 a 105ºC, en todas las coberturas. Este comportamiento puede verse en la gráfica de la Figura Repelencia real: Es la medida de la repelencia al agua en el suelo sin que él haya sido sometido a secado, es decir, con la humedad que tenía en el campo (Dekker y Ritsema, 1994b). 2 Repelencia potencial: Es la medida de la repelencia al agua en el suelo, después de que él ha sido sometido a algún tipo de secado, bien sea al aire o en el horno a cualquier temperatura (Dekker y Ritsema, 1994b). 16

24 Valor del WDPT en el campo en el transecto 6 Profundidad (cm) Distancia horizontal (cm) Clase de WDPT 1 Valor del WDPT35 en el transecto 6 Profundidad (cm) Distancia horizontal (cm) Clase de WDPT Valor del WDPT105 en el transecto 6 Profundidad (cm) Distancia horizontal (cm) Clase de WDPT 5 FIGURA Distribución espacial de la repelencia al agua en campo y en laboratorio con muestras sometidas a dos temperaturas de secado: 35 C (WDPT35) y 105 C (WDPT105), en un transecto que fue muestreado cada 5 cm y en cuatro profundidades, en un Andisol bajo cobertura de Pinus patula. (Las clases de WDPT corresponden a las clases de repelencia propuestas por Dekker y Jungerius, 1990). (Tomado de Jaramillo, 2003). 17

25 43% 15% 13% 5% 15% WDPT 35 4% 5% Clases de WDPT % 9% 20% WDPT FIGURA Distribución de las clases de repelencia al agua en muestras secadas a 35 y a 105 ºC en Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas (Antioquia). Las clases de WDPT corresponden a las clases de repelencia propuestas por Dekker y Jungerius (1990). (Con base en 116 muestras) EFECTOS DE LA REPELENCIA AL AGUA SOBRE EL SUELO La presencia de materiales repelentes al agua en el suelo le imprime a éste una serie de comportamientos particulares, sobre todo en lo que tiene que ver con su hidrología y con la susceptibilidad a la erosión Contenido de humedad El hecho de que un suelo manifieste algún grado de repelencia al agua no quiere decir que en ese momento deba estar completamente seco. En la Tabla 1.3 puede apreciarse que el contenido de humedad que conservan muchas muestras que tienen algún grado de repelencia al agua, después de ser sometidas a secado a 35ºC, puede ser bastante alto: Obsérvese que en muestras que fueron secadas a 35ºC, hubo por lo menos una que, correspondiendo a la clase 4 de WDPT, es decir, que tuvo un WDPT > 3600 segundos, conservó 67.35% de humedad gravimétrica, la cual, con una densidad aparente de 0.4 Mg m -3, frecuente en estos suelos, equivale a un contenido de humedad volumétrica de 26.94%. Al hacer un análisis de comparación de medianas del contenido de humedad gravimétrico (Kruskal y Wallis) por clase de WDPT a las muestras de la Tabla 1.3, se encontraron los resultados que se exponen a continuación: 18

26 Con las muestras sin secar, el ordenamiento de las medianas, de menor a mayor, y la diferencia significativa entre ellas (marcada con el símbolo cuando la hay), fue: Clase 0 Clase 2 = Clase 1 Con las muestras secadas a 35ºC, los resultados fueron: Clase 0 = Clase 2 Clase 3 Clase 4 = Clase 1 TABLA 1.3. Contenido de humedad gravimétrica (%) de muestras de Andisoles con diferente grado de repelencia al agua, sin secar y secadas a 35ºC. Clase de Muestras sin secar (n = 804) Muestras secadas a 35ºC (n = 811) WDPT* Promedio Mediana Máximo Mínimo Promedio Mediana Máximo Mínimo General * Clases según Dekker y Jungerius (1990). En los resultados del análisis de comparación de medianas también se aprecia que no hay una relación directa entre el grado de repelencia al agua de las muestras y el contenido de humedad que ellas conservan: No son las muestras menos repelentes al agua las que conservan mayor cantidad de humedad. Doerr et al (2000) reporta varios trabajos en los que se obtuvieron altos valores de humedad almacenada en suelos repelentes al agua y recopila algunas sugerencias hechas acerca de ciertos mecanismos que podrían explicar esa situación: El movimiento de agua en forma de vapor se produce libremente en el suelo y puede ayudar a redistribuir la humedad en el interior del mismo, acumulando humedad en los hidrofóbicos. La presencia de materiales finos hidrofílicos embebidos en el espacio poroso de una matriz de suelo hidrofóbica puede permitir el humedecimiento parcial del suelo, a la vez que también dichos materiales pueden actuar como núcleos de condensación de vapor de agua. Algunas partículas hidrofóbicas pueden sufrir transformaciones durante el proceso de adsorción de vapor, permitiendo la entrada de agua al suelo. 19

27 Cuando los suelos repelentes al agua se presentan en zonas climáticamente húmedas, como es el caso de los Andisoles estudiados en la cuenca de la quebrada Piedras Blancas (Jaramillo et al, 2000) y cuando la distribución de la hidrofobicidad se presenta en forma de parches (ver Figura 1.9a), los flujos laterales de agua desde las áreas no hidrofóbicas pueden mantener unos contenidos de humedad relativamente altos en el suelo, a pesar de su hidrofobicidad; este mecanismo de humedecimiento del suelo lo propuso Jaramillo (1992) y podría explicar, además, parte de los resultados que se muestran en la Tabla 1.3. Dekker y Ritsema (1994b, 1995) en varios tipos de suelos de Holanda observaron que, a pesar de que ellos presentaban repelencia al agua, conservaban contenidos importantes de humedad teniendo en cuenta las texturas y los contenidos de materia orgánica que poseían. Encontraron que los contenidos de humedad tenían una alta variabilidad espacial, tanto superficial como en profundidad, así como una apreciable variabilidad estacional. Pese a lo anterior, ellos pudieron definir un contenido crítico de humedad para que se presentara repelencia al agua real en el suelo. El contenido crítico de humedad fue definido como aquel contenido de humedad que presenta el suelo, por debajo del cual se manifiesta repelente al agua y por encima del cual es humectable. Dekker y Ritsema (1994b, 1995) definieron el contenido de humedad crítico para dos suelos holandeses, a diferentes profundidades y en diferentes épocas y los resultados obtenidos pueden verse en la Tabla 1.4 TABLA 1.4. Contenido crítico de humedad de dos suelos holandeses en diferentes épocas de muestreo y en varias profundidades; ambos contenidos son volumétricos (Resultados de Dekker y Ritsema, 1994b, 1995). Suelo Typic Fluvaquent mésico franco limoso Typic Psammaquent mésico Profundidad (cm) Contenido de humedad crítico (% vol) Fecha de muestreo Octubre 21 de 1992 Enero 15 de 1993 Agosto 30 de 1988 Los resultados expuestos en la tabla anterior indican que hay una relación importante entre el comportamiento de la humedad de los suelos estudiados y su textura, tal como ocurre en los suelos que no tienen repelencia al agua: Obsérvese que la humedad crítica en el suelo arenoso es mucho menor que la del suelo franco limoso. 20

28 La Tabla 1.4 también llama la atención sobre el hecho de que la humedad crítica es más variable, estacionalmente, en los primeros centímetros del suelo, comportamiento que debe estar relacionado con el mayor contenido de materia orgánica que se presenta en ellos. Teniendo en cuenta la definición de humedad crítica, puede verse que en el suelo franco limoso, muestras que presenten una fuerte repelencia al agua, pueden tener altos contenidos de humedad. Doerr y Thomas (2000), en suelos de Portugal (Umbric Leptosols superficiales y Humic Cambisols), de texturas franco arenosas y arenoso francas, con menos de 6% de arcilla y en clima húmedo mediterráneo encontraron, también, un límite crítico de humedad gravimétrica de 28%, aunque llaman la atención en el sentido de que no se dio ninguna relación clara entre el incremento de la hidrofobicidad a medida que disminuía la humedad del suelo. Jaramillo (2003a) trató, infructuosamente, de definir ese límite crítico de humedad para los Andisoles que trabajó en la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, con una base de 811 muestras. Sin embargo, se encontraron correlaciones significativas, principalmente no lineales (coeficientes de correlación de Spearman), entre el contenido de humedad y el grado de repelencia al agua en varios de los transectos que fueron trabajados, aunque con coeficientes de determinación R 2 muy bajos (< 0.32) La infiltración y el humedecimiento del suelo En un suelo humectable y seco, el proceso de humedecimiento inicial del mismo es rápido, debido a las altas fuerzas de atracción que se generan entre los sólidos del suelo y el agua; sin embargo, este proceso de humedecimiento puede llegar a ser extremadamente lento en suelos que, estando secos también, presentan materiales repelentes al agua. En términos de infiltración, la rata de entrada del agua a un suelo humectable y seco, inicialmente es alta pero al poco tiempo empieza a decrecer; por el contrario, en un suelo repelente al agua, la rata de infiltración, al iniciar el proceso de humedecimiento, es supremamente lenta e inclusive puede ser nula; el agua empezará a penetrar en el suelo al cabo de algún tiempo de estar en contacto los dos y, al aumentar el tiempo, la rata de infiltración también va aumentando. Wilkinson y Miller (1978) evaluaron la rata de infiltración en parches con suelo repelente al agua y en suelo normal en un campo de golf y encontraron que en los parches hidrofóbicos dicha tasa fue sólo el 20% de la tasa observada en el suelo normal adyacente. Ritsema y Dekker (1996b) estudiaron el proceso de humedecimiento en tres suelos, utilizando muestras de 100 cm -3 secas al horno: Un suelo derivado de loes, completamente humectable; un suelo arenoso ligeramente repelente al agua y otro suelo, también arenoso, extremadamente repelente al agua. Los suelos fueron colocados en cilindros y se les puso una cabeza de presión de 2.5 cm. El suelo de loes llegó al equilibrio con el gradiente de tensión aplicado a las pocas horas de iniciado el experimento; en el suelo ligeramente repelente al agua el equilibrio se obtuvo poco después de los 8 días de experimentación y, en el suelo extremadamente repelente al agua, después de 5 meses de observación, todavía no se había establecido ese equilibrio, lo que muestra lo lento que puede llegar a ser el proceso de humedecimiento en los suelos hidrofóbicos. 21

29 Moral et al (2003) estudiaron problemas hidrológicos en varios suelos arenosos con repelencia al agua en el Parque Natural de Doñana, al sur de la península Ibérica. Hicieron ensayos de infiltración en campo y en laboratorio con ayuda de infiltrómetros de succión, con tiempo límite de duración para la prueba de 20 minutos, dada la textura gruesa que presentaban los suelos. Utilizaron agua y etanol para hacer las pruebas de infiltración. En la Figura 1.13 se observan algunos de los resultados obtenidos por Moral et al (2003), en laboratorio. Puede verse que en el suelo humectable, con agua y con etanol se obtienen prácticamente las mismas curvas de infiltración en cada muestra, para el tiempo de observación utilizado; en cambio, cuando los suelos fueron repelentes al agua, hay una marcada diferenciación entre las curvas que se consiguen con etanol y las que se consiguen con agua. a b Figura Curvas de infiltración obtenidas en laboratorio con diferentes muestras, empleando agua (símbolos negros) y etanol (símbolos blancos) como líquidos infiltrantes. a. En suelo no repelente al agua. b. En suelo repelente al agua. (Tomadas de Moral et al, 2003). Nótese en la Figura 1.13b que con etanol las curvas presentan un comportamiento similar al del agua en el suelo no repelente a ella: Rápidamente empieza a mostrar la tendencia a volverse asintótica y a estabilizarse, en cambio, con agua, terminado el tiempo de la prueba, la curva de infiltración todavía está en su fase ascendente y muy lejos del tope que está poniendo la curva del etanol. Téngase en cuenta que el etanol no se ve afectado por la presencia de repelencia al agua en el suelo, puesto que él humedece el suelo con un ángulo de contacto igual a cero, como lo demostraron Letey et al (1962a). DeBano (1971) estudió el efecto de la repelencia al agua sobre el avance del frente de humedecimiento en columnas de suelo de textura gruesa, colocadas horizontalmente; encontró que dicho frente se movió 25 veces más rápido en la columna que contenía suelo humectable que en la que tenía el suelo repelente al agua. Además, observó que la diferencia en el contenido de 22

30 humedad entre el punto de contacto del suelo con la fuente de agua y el frente de humedecimiento varió entre 20 y 25%, en el suelo repelente, mientras que en el humectable sólo varió alrededor del 10%, aparte de que el suelo repelente al agua presentó un frente de humedecimiento muy mal definido: el agua no mojó este suelo en forma homogénea. Wallis et al (1990a) también encontraron grandes diferencias entre la rata de infiltración que mostraron dos sitios que tenían suelos arenosos con diferentes grados de repelencia al agua: el sitio menos repelente tuvo una rata de infiltración, en una prueba de 10 minutos de duración, equivalente a 204 mm h -1, mientras que en el más repelente dicha rata fue de sólo 36.6 mm h -1, valores promedios de tres replicaciones por sitio Escorrentía y erosión Obviamente, el hecho de retardar la velocidad de entrada del agua al suelo, en un terreno cuya superficie tenga algún gradiente de pendiente, puede llevar a que la rata de aporte de agua sobrepase la rata de infiltración que se está alcanzando y a que se genere un excedente de humedad que empezará a fluir por encima de la superficie del suelo. Si el gradiente de pendiente no se tiene, se presentará un encharcamiento del terreno. El desarrollo de escorrentía puede verse afectado por la distribución de la repelencia al agua en el terreno. En la Figura 1.14 se puede apreciar, en primer lugar, la configuración general del relieve de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas y, en las fotografías acompañantes, algunos detalles de las condiciones topográficas frecuentes en los lotes sembrados con Pinus patula en dicha cuenca. En la Figura 1.14 se ve que las condiciones topográficas de la cuenca mencionada son favorables al desarrollo de escorrentía, si el aporte de agua se hace a una velocidad mayor que la rata de infiltración del suelo. Sin embargo, a pesar de que hay un fenómeno de repelencia al agua de considerable extensión e intensidad en ella (Jaramillo, 1992) y de que su clima es húmedo (Duque, 1993), la escorrentía no se presenta como la manifestación hidrológica más frecuente en las plantaciones de pino, hecho que puede deberse a (1): que las lluvias, normalmente, no son torrenciales (Giraldo, 1992); (2): que la hidrofobicidad se presenta, predominantemente, en forma de parches pequeños, lo que permite la entrada del agua por los cuerpos de suelo no repelentes a ella y su posterior redistribución al interior del suelo mediante el flujo lateral subsuperficial, como lo sugirió Jaramillo (1992) y/o (3): que los Andisoles no repelentes al agua de esta cuenca tienen una abundante cantidad de macro poros que actúan como vías de flujo preferencial que movilizan rápidamente grandes volúmenes de agua (ver Capítulo 4). Costantini et al (1995) también observaron que las condiciones superficiales del suelo controlan, en parte, la expresión de la escorrentía en él. La presencia de un micro-relieve irregular y/o de capas espesas de litter, incrementan el almacenamiento superficial de agua y retrasan la aparición y alargan la duración de la escorrentía. En un estudio de simulación de lluvia con suelos de textura gruesa, en la replicación que presentó el micro-relieve más irregular y la capa de litter más espesa, la escorrentía se prolongó por 5 minutos más después de que terminó la lluvia y aportó el 18% del total de la escorrentía de la 23

31 parcela experimental, mientras que en la replicación que presentó el micro-relieve más regular y una capa de litter no tan gruesa, la escorrentía se prolongó por 3 minutos más, después de terminada la lluvia y sólo aportó el 7% de la escorrentía total de la parcela (Costantini et al, 1995). FIGURA Vista panorámica parcial de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas y condiciones topográficas frecuentes en ella, en lotes con Andisoles repelentes al agua, bajo plantaciones de Pinus patula. Moral et al (2003) aplicaron la metodología descrita por Wallis et al (1991) para calcular el índice de repelencia de los suelos que utilizaron en el estudio de la Figura 1.13 y con estos resultados establecieron el valor de la infiltración potencial que deberían presentar dichos suelos, mediante la siguiente ecuación: IP IAM x IR [ 1.3 ] 24

32 Donde: IP: Infiltración potencial con base en 20 minutos de observación (mm). IAM: Infiltración acumulada media durante 20 minutos (mm). IR: Índice de repelencia (ver Fórmula 1.7). En términos prácticos, la infiltración potencial puede definirse como la infiltración que debería presentar el suelo, si no fuera repelente al agua, durante un período de tiempo de observación dado. Con los criterios expuestos, Moral et al (2003) encontraron resultados como los que se presentan en la Tabla 1.5. TABLA 1.5. Infiltración acumulada e infiltración potencial en un tiempo de 20 minutos en suelos arenosos repelentes al agua del Parque Natural Doñana, España. (Tomados de Moral et al, 2003). Infiltración Media Acumulada (mm) Infiltración Potencial (mm) En campo En laboratorio En campo En laboratorio Los resultados de la Tabla 1.5 presentan claramente el efecto que está produciendo la repelencia al agua sobre el comportamiento hidrológico de los suelos estudiados: Los suelos no están captando la cantidad de agua que les permitiría su condición textural y están dejando un gran excedente de agua en su superficie que se convierte en escorrentía y que, como ilustran Moral et al (2003), inducen severas manifestaciones de erosión en el terreno estudiado. Con respecto a la erosión, aunque se acepta el hecho de que la repelencia al agua puede favorecerla, Shakesby et al (2000) han identificado tres aspectos que hacen difícil el estudio y entendimiento de la relación hidrofobicidad-erosión: 1. Cuando la repelencia al agua está presente, su influencia rara vez es aislada de la influencia de otros posibles factores y cuantificada. 2. No es claro si las medidas puntuales de la hidrofobicidad son importantes a la hora de explicar las pérdidas de suelo en áreas de tamaños y propiedades variables: efecto de la escala de trabajo. 3. La hidrofobicidad es usualmente transitoria, pudiendo desaparecer durante períodos importantes de tiempo, cuando el suelo está sometido a humedecimiento intenso: durante estos períodos la relación hidrofobicidad-erosión no se puede estudiar: se pierde continuidad en las evaluaciones y se dificultan los estudios a largo plazo. Con el fin de aclarar algunos aspectos de la relación hidrofobicidad-erosión, los autores mencionados en el párrafo anterior establecieron parcelas experimentales de diferentes tamaños en lotes bajo cobertura de pino (Pinus pinaster) y de eucalipto (Eucalyptus globulus), con pendientes comprendidas entre 14 y 22%; algunos sitios habían sufrido incendios fuertes dos años atrás mientras que otros no. Sometieron las parcelas a simulación de lluvia y midieron las pérdidas de suelo, la cantidad de escorrentía producida y la cantidad de sedimentos en suspensión durante varios períodos de tiempo. 25

33 Una forma en que Shakesby et al (2000) observaron que la hidrofobicidad sí era un factor activo en la erosión de los suelos que sufrieron quema, fue en el incremento en el aporte de sedimentos susceptibles de ser transportados por los flujos de agua superficiales que se dio en ellos: el desprendimiento de partículas por salpicadura ( splash ) en el simulador de lluvia fue 85 y 59% mayor, en promedio, en el suelo fuertemente repelente al agua (WDPT > 3600 s) que en su equivalente hidrofílico, al compararlos en pendientes horizontal y de 15º, respectivamente. En la Tabla 1.6 puede apreciarse dicho comportamiento. TABLA 1.6. Cantidad de partículas desprendidas por salpicadura ( splash ) en un simulador de lluvia, en suelos repelentes y no repelentes al agua de Portugal, sometidos a diferentes intensidades de lluvia y con dos gradientes de pendiente. (Datos tomados de Shakesby et al, 2000). Pendiente Horizontal 15º Lámina de agua aplicada (mm) Relación de las tasas de desprendimiento entre suelos hidrofóbico/hidrofílico Rata de desprendimiento por Tiempo de salpicadura (g mm -1 )* aplicación (min) Suelo Suelo hidrofóbico hidrofílico Promedio * Gramos de material desprendido por milímetro de lámina de agua aplicado Promedio Como puede verse en la tabla anterior, en el suelo hidrofóbico siempre hay mayor cantidad de material desprendido por salpicadura ( splash ) disponible para que sea arrastrado por las aguas de escorrentía, cuando ésta se genera. Los autores del trabajo observaron que el suelo hidrofílico se humedecía y se sellaba rápidamente, impidiendo la salpicadura, mientras que el hidrofóbico permanecía seco, no sellaba y, por tanto, era sometido a desprendimiento de partículas por más tiempo, aún cuando se alcanzaba a formar una película de agua sobre él, lo que explica el comportamiento observado. Shakesby et al (2000) llaman la atención acerca de que la magnitud del efecto que pueda tener la hidrofobicidad sobre la erosión en el suelo, depende fuertemente de la continuidad que tenga la repelencia al agua. Dicha continuidad afecta el tamaño del área de muestreo, la interpretación que se haga de los resultados de la evaluación de parámetros relacionados con la susceptibilidad del suelo a la erosión y la relación que se pueda establecer entre ésta y la hidrofobicidad. En la Tabla 1.7 pueden verse algunos de los resultados obtenidos por Shakesby et al (2000) cuando evaluaron la magnitud del flujo superficial de agua que se producía en suelos de Portugal, con cobertura de Pinus pinaster, que habían sido quemados en 1991, después de varios aguaceros, en parcelas de diferente tamaño. 26

34 TABLA 1.7. Flujo superficial producido en suelos afectados por incendios en 1991, medidos en el verano de 1993 en parcelas de dos tamaños. (Tomados de Shakesby et al, 2000). Tamaño de la parcela Replicación Aguacero (mm) Flujo superficial (mm) m 2 (1m x 1m) m 2 (8m x 2m) En la tabla anterior se observa que al medir el flujo superficial que se produce después de un aguacero, el área de muestreo genera diferencias importantes en los resultados. Parte de las diferencias anotadas, sobre todo aquellas en donde el tamaño de la parcela y la lámina de agua recibida son iguales, se pueden deber a la distribución de la hidrofobicidad en el terreno. Como lo señalan Shakesby et al (2000), en parcelas grandes se pueden involucrar vías de flujo preferencial que captan parte de ese flujo superficial y lo transportan al interior del suelo, interrumpiendo la continuidad en la hidrofobicidad, por lo que en ellas dicho flujo puede tener valores mucho menores que en parcelas más pequeñas. De acuerdo con Shakesby et al (2000), la presencia de grietas, huecos, madrigueras, canales de raíces, macro poros y/o parches no hidrofóbicos pueden ser vías importantes de infiltración de agua en el suelo y, junto con la distribución de la vegetación en el terreno, son características críticas a la hora de definir el riesgo de erosión en suelos repelentes al agua. A estos aspectos cabe agregarle el espesor de la capa de litter que se haya acumulado sobre el suelo pues, como lo observó Jaramillo (1992), en ella puede acumularse una buena cantidad de agua que, luego de un tiempo prolongado de contacto con el suelo hidrofóbico, puede cambiar su ángulo de contacto o generar una cabeza hidráulica suficiente y penetrar en él. Además, una capa de litter espesa es un disipador excelente de la energía con que llegan las gotas de lluvia al suelo y, como ya se mencionó, los suelos hidrofóbicos son fácilmente disgregables por ellas; este aspecto puede ser una de las causas por las cuales, a pesar de que en los Andisoles repelentes al agua estudiados en la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, Jaramillo (2001a) encontró que el tamaño de los agregados se reduce con la hidrofobicidad, no observó aporte importante de material sólido a los flujos superficiales ni a las corrientes de agua en ella, como tampoco una erosión actual significativa; en la Figura 1.15 se puede apreciar una capa de litter frecuente en los suelos bajo cobertura de Pinus patula de la mencionada cuenca; el espesor promedio obtenido con 76 muestras fue de cm, con fluctuaciones entre 9 cm y 32 cm (Jaramillo, 1996a). Jungerius y Dekker (1990) también enfatizan en la idea de que la eficiencia del desprendimiento de partículas del suelo por el golpe de las gotas de lluvia ( splash ) depende mucho de la cobertura que haga la vegetación en él, así como de la resistencia que ofrezca la superficie del 27

35 suelo, la cual depende, a su vez y entre otras características, de la presencia de materia orgánica viva y muerta sobre y entre las partículas del suelo. FIGURA Espesor de la capa de litter (acículas) que se acumula frecuentemente sobre Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, bajo cobertura de Pinus patula. Nótese, además, la alta cantidad de raíces finas superficiales de estos árboles. Jungerius y Dekker (1990) encontraron que en dunas costeras de arena de Holanda y Alemania se presentaba una interacción entre la lluvia y el viento, capaz de producir erosión en ellas. Hacen referencia al fenómeno que Rutin, en 1983, llamó splash drift, que depende de la fuerza del viento durante un aguacero y que consiste en transportar partículas de suelo que han sido desprendidas por las gotas de lluvia, con una corriente fuerte de viento actuando al mismo tiempo. Dekker y Ritsema (1994a) documentan la formación de columnas, conos y otras formas de arena en dunas de Holanda y asocian su formación a la presencia de vías de flujo preferencial en ellas, generadas por cuerpos repelentes al agua alternando con suelo humectable. Esta manifestación de erosión eólica se produce cuando corrientes fuertes de viento soplan sobre una superficie que tiene unos cuerpos de suelo húmedos, más pesados y difíciles de mover, alternando con cuerpos secos, más livianos y menos resistentes al transporte. Los materiales secos son arrastrados por el viento y los húmedos se quedan en su sitio, sobresaliendo de la superficie como columnas, conos, etc Estructura del suelo Varios autores, en sus libros, citan trabajos en los que se ha considerado que la presencia de compuestos repelentes al agua contribuye, de alguna manera, al desarrollo de la estructura del suelo. Baver et al (1973) y Porta et al (1994) plantean, como consecuencia de la revisión que hacen, la posibilidad de que la presencia de ceras, grasas y resinas impidan la disgregación de los agregados y aumenten así su estabilidad, al hacerlos impermeables al agua. 28

36 Hillel (1998) destaca que uno de los mecanismos que puede ayudar en la formación y estabilización de la estructura del suelo consiste en que la cementación se produzca con materiales orgánicos que reduzcan la humectación de los agregados, actividad que llevan a cabo los compuestos hidrofóbicos. DeBano (1981) cita varias investigaciones hechas en los años 60 s y 70 s, de las que se concluyó que, efectivamente, la presencia de compuestos orgánicos repelentes al agua en el suelo aumentó su grado de agregación y su estabilidad estructural. Cita, además, el trabajo de Coughlan et al (1973) en el que los autores observaron que la estabilización de los agregados de un suelo de reacción básica (Krasnozem) obedecía a mecanismos diferentes, dependiendo del tamaño de los agregados formados: Las propiedades relacionadas con la reacción del suelo fueron importantes en la estabilización de agregados de diámetro < 0.5 mm. Las propiedades hidrofóbicas de la materia orgánica determinaron la estabilización de los agregados con diámetros entre 0.5 y 5 mm. Los agregados con diámetro > 5 mm fueron estabilizados mejor por las raíces de las plantas. Giovannini et al (1983) sometieron algunas muestras de suelo repelente al agua (Luvisol gleic vertic, franco arcilloso) de Italia, bajo cobertura de pastos, a extracción selectiva con benceno y con una mezcla de acetilacetona en benceno. El benceno extrajo sustancias orgánicas hidrofóbicas y la mezcla extrajo, además de las anteriores, cementantes órgano-metálicos de Fe y Al. Cuando los extractos fueron aplicados a partículas de arena silicatada completamente humectables, se transformaron en repelentes al agua, mostrándose el carácter hidrofóbico de ellos. Las muestras de suelo repelente al agua, después de haber sido sometidas a las extracciones, redujeron el valor del índice de estabilidad estructural utilizado hasta en 20% con benceno y hasta 40% con la mezcla, en comparación con los índices obtenidos en muestras que no fueron sometidas a extracción, demostrándose el efecto estabilizador de la estructura en estos suelos por los cementantes extraídos. A pesar de las evidencias presentadas anteriormente, Jaramillo (1992) observó que una buena cantidad de los parches de los Andisoles repelentes al agua que trabajó en la cuenca de la quebrada Piedras Blancas se presentaban muy polvorientos en seco y con estructura poco desarrollada y de tamaño fino, en húmedo, situación que lo llevó a pensar en que se estaba presentando un deterioro de la estructura de estos suelos cuando aparecía la repelencia al agua en ellos. Bisdom et al (1993) encontraron relaciones interesantes entre la estructura del suelo, a niveles de macro y micro estructura, y el grado de repelencia del suelo al agua, siendo la materia orgánica uno de los componentes fundamentales en ellas. Encontraron, además, que la repelencia al agua se manifestaba de manera diferente en las distintas fracciones de tamaño de agregados que separaron, siendo más intensa en los agregados más finos (menores de 53 m de diámetro), comportamiento observado también por Mataix-Solera y Doerr (2004) en suelos calcáreos, afectados por incendios forestales, del suroeste de España. 29

37 Los comportamientos descritos en los párrafos anteriores llevaron a hacer un estudio más detallado acerca de la relación de la repelencia al agua en los Andisoles con su estructura (Jaramillo, 1996a). En el trabajo citado se tomaron 21 muestras de Andisoles de la cuenca hidrográfica alta de la quebrada Piedras Blancas: 16 muestras fueron extremadamente repelentes al agua (WDPT > 3600 s), 4 muestras fueron severamente repelentes al agua (WDPT entre 600 y 3600 s) y 1 no fue repelente al agua (WDPT < 5 s), según evaluaciones de Jaramillo (1992, 1996a). Dieciocho (18) de las muestras fueron tomadas en suelos bajo cobertura de Pinus patula y 3 bajo cobertura de Cupressus lusitanica, codificadas estas últimas como PBC. Todas las muestras se dejaron secar al aire, sin disturbarlas y a todas se les determinó el grado de hidrofobicidad por el método WDPT en esa condición de humedad. Las muestras secas al aire (más de 150 g) se sometieron a un cernido suave, en seco, durante 1 minuto, a través de un tándem de tamices con aberturas de y 0.1 mm de diámetro, para recolectar las fracciones de tamaño de agregados comprendidas entre los rangos: >5, 5 a 2, 2 a 1, 1 a 0.5, 0.5 a 0.25, 0.25 a 0.1 y < 0.1 mm; en cada fracción separada, se pesó el material retenido en el tamiz respectivo y se calculó el porcentaje representado por él, dentro de toda la muestra, con base en peso seco al horno. Con los resultados de distribución de agregados en seco se hicieron algunas agrupaciones y cálculos que permitieran visualizar mejor lo que estaba pasando con la estructura de los suelos trabajados. Se definieron los siguientes índices y grupos de agregados: 30 Adición porcentual de las fracciones separadas. Diámetro medio estimado (DME), es decir, el diámetro correspondiente al 50% de agregados acumulados determinado en una gráfica de distribución acumulada de agregados vs tamaño de agregados (ver Figura 1.16). Porcentaje de agregados de tamaño menor a 0.5 mm de diámetro (PCC). Porcentaje de micro agregados de tamaño menor a 0.25 mm de diámetro (PMA). Porcentaje de agregados mayores de 2 mm (PAMD). Los resultados obtenidos en el trabajo mencionado anteriormente se resumen en la Tabla 1.8 y en la Figura En los índices de la Tabla 1.8 se aprecia que, en efecto, parece presentarse degradación estructural en los suelos repelentes al agua estudiados. El DME es, en general, bajo y sólo en 5 muestras tuvo valores mayores a 2 mm; este parámetro tuvo los valores más altos en aquellas muestras que presentaron el menor grado de repelencia al agua. Se observa que el DME en seco, determinado en el trabajo citado concuerda con las estimaciones de tamaño de la estructura realizadas en campo para la mayoría de las muestras trabajadas por Jaramillo (1992): estructura migajosa fina a muy fina (tamaños entre 1 y 2 y menores de 1 mm), hecho que coincide con el concepto de Chepil (1962) de que este índice es un buen estimador de la estructura de campo del suelo. El porcentaje de agregados menores de 0.5 mm y de 0.25 mm de diámetro (PCC y PMA, respectivamente) puede considerarse relativamente alto, en vista de que los resultados presentados se obtuvieron mediante tamizado en seco, que no es tan destructivo como el tamizado en húmedo. Teniendo en cuenta las consideraciones anotadas, puede decirse que los

38 Andisoles repelentes al agua analizados presentan una degradación de su estructura, que puede estar entre media y muy alta, en la mayoría de los casos. TABLA 1.8. Grado de repelencia al agua y algunos índices de estructuración de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas. (Tomados de Jaramillo, 1996a, 2001a). MUESTRA WDPT (s)* MED (M)** DME (mm) PCC (%) PMA (%) PAMD (%) M1-1 > L4 > B2-1 > P1-1 > L5 > G2-3 > R7-2 > R1-3 > R3-4 > R4-1 > M2-2 > R3-2 > R6-1 > S1-3b > PBC1-1 > PBC1-2 > R PBT S M PBC * Valores que no están marcados, tomados de Jaramillo (1992) y los marcados de Jaramillo (1996a, 2001a). ** Valores tomados de Jaramillo (1996a, 2001a). El deterioro planteado puede sustentarse al observar los índices de agregación (porcentaje de agregados de tamaño mayor a 0.5 mm, en húmedo) reportados para horizontes A de Andisoles de varias regiones de Colombia, los cuales varían entre 60 y 97 %, con predominio de valores superiores a 88 % (Fajardo y Gutiérrez, 1984; Suárez et al, 1984; Montenegro y Malagón, 1990); además, Rivera y Gómez (1991) encontraron valores de PCC entre 1.8 y 7.8 % para éste mismo tipo de suelos; como se observa, a pesar de la subestimación del PCC que implica el tamizado en seco, los valores obtenidos para este índice con Andisoles repelentes al agua, están bastante lejos de los valores que se obtienen con Andisoles normales, hecho que confirma que hay una degradación estructural en los materiales mencionados, en lo referente al tamaño de los agregados. Las gráficas expuestas en la Figura 1.16 también confirman lo que se ha dicho con base en los índices calculados. Obsérvese que en la mayor parte de las muestras se tiene más de 40% de los agregados con tamaños menores a 1.5 mm de diámetro. 31

39 32 M1-1 L4 B2-1 P1-1 L5 G2-3 R7-2 R1-3 R3-4 R4-1 R3-2 R6-1 S1-3b PBC1-1 PBC1-2 R6-2 PBT1 S1-9 M1-3 PBC > 5 Diámetro promedio del agregado (mm) Porcentaje FIGURA Curvas de adición porcentual de la distribución de los agregados secos al aire de Andisoles repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, elaboradas con base en datos de Jaramillo (1996a, 2001a).

40 Con base en las evidencias presentadas en los apartes anteriores, puede decirse que la repelencia al agua está induciendo procesos de degradación de la estructura en estos suelos, en el sentido de que va reduciendo el tamaño dominante de sus agregados. Esta hipótesis la sustentan varias observaciones: En condiciones de campo predominan ampliamente los tamaños finos y muy finos de agregados en los suelos repelentes al agua (Jaramillo, 1992). Los Andisoles, por efecto del secado, sufren alteraciones irreversibles en su estructura (Warkentin et al, 1988; Warkentin, 1992; Maeda y Soma, 1992). El principal papel de los recubrimientos hidrofóbicos en el suelo es impedir la entrada de agua a los peds (Baver et al, 1973; Giovannini et al, 1983). Con las consideraciones anteriores Jaramillo (1996a) propuso el siguiente modelo de evolución de la estructura en los horizontes superficiales de Andisoles, cuando son colocados en contacto con una fuente de compuestos hidrofóbicos: Se tiene inicialmente un material con agregados relativamente grandes en el suelo; estos agregados están unidos con materia orgánica y cationes polivalentes, ayudados por microorganismos, principalmente hongos. Al adicionar la materia orgánica productora de compuestos hidrofóbicos, estos compuestos se empiezan a depositar sobre las superficies de los agregados, en forma de películas discontinuas, como fue observado en dicho trabajo. Los procesos de humedecimiento y secamiento naturales del suelo van fijando en los agregados, cada vez con más fuerza, estos compuestos hidrofóbicos. Al pasar el tiempo, los recubrimientos se van haciendo más gruesos y, por tanto, más eficientes en impedir la entrada de agua a los peds. Debido a lo anterior, los microagregados que están en contacto con los recubrimientos empiezan a sufrir una mayor deshidratación y unos períodos de secamiento más prolongados que el resto de microagregados del ped. El espaciamiento entre los períodos de humedecimiento y secamiento, amplía las diferencias de humedad en el suelo, con lo cual se reduce la estabilidad de los agregados (Utomo y Dexter, 1982). El comportamiento diferencial de la humedad en el interior del ped, genera superficies de debilidad en él, produciéndose su ruptura, sobre todo si se presentan períodos prolongados de humedecimiento, como lo notaron Crockford et al (1991), en suelos hidrofóbicos. La ruptura anterior libera microagregados al medio que, por actividad biológica (abundante en estos materiales, como lo describe Jaramillo, 1992) o por acumulación de nuevos compuestos hidrofóbicos, llegan a ser también severamente repelentes al agua, secándose completamente y adquiriendo el carácter polvoriento que se observa en campo. Para soportar aún más el modelo propuesto, Hillel (1998) sostiene que cuando el humedecimiento del suelo no es uniforme, una parte del agregado puede hincharse más que otra, generando tensiones internas que durante el encogimiento subsiguiente pueden fracturarlo. En los Andisoles repelentes al agua que se han estudiado en Piedras Blancas, Castillo y Gómez (1995) detectaron un alto grado de contracción volumétrica de los suelos al secarse: entre 22 y 64%. 33

41 Roy et al (2000) también encontraron una pulverización completa de los primeros centímetros superficiales (hasta 15 cm) del suelo, en 15 de los 27 sitios con suelos repelentes al agua estudiados por ellos en Canadá Otros efectos Aparte de los efectos que se han anotado en los numerales anteriores, la repelencia al agua también produce algunos efectos benéficos en el suelo. DeBano (1981) apunta que la hidrofobicidad puede ayudar en la conservación del agua en el suelo mediante la disminución de la evaporación a partir de él. Según el mismo autor, con ella también pueden disminuirse las pérdidas de nutrientes provenientes de fertilizantes solubles, debido a la dificultad que se presenta para el flujo de agua. Con respecto a la economía del agua, Fink (1974) destaca la posibilidad de que los suelos hidrofóbicos se puedan utilizar como reservorios de agua y Hillel (1998) plantea incluso la posibilidad de generar hidrofobicidad artificialmente en suelos de regiones áridas y semiáridas para llevar a cabo el proceso que llama cosechando agua. El autor citado comenta que utilizando materiales hidrofóbicos se pueden sellar superficies en vertientes áridas, de modo que se genere escorrentía; si la superficie del suelo en las partes bajas de estas zonas es roturada y luego los terrones son hidrofobizados, se puede generar una condición superficial de rugosidad e hidrofobicidad que puede facilitar la entrada del agua que escurre al suelo y su almacenamiento en capas internas donde se dificulte su evaporación. La presencia de terrones hidrofóbicos en la superficie del suelo inhibe la conducción de agua por lo que las pocas pérdidas que pueden darse se deberán a flujo de vapor de agua. Hillel (1998) también apunta que otro efecto benéfico en la economía del agua en el suelo puede deberse a la dificultad que tienen las malezas para germinar, lo que reduce la competencia con los cultivos. Doerr et al (2000) citan algunos trabajos en los que se propone que la producción de sustancias hidrofóbicas, por parte de las plantas, puede ser un mecanismo asimilable a la alelopatía que le ayuda a la planta que las produce a suprimir otras plantas que le van a hacer competencia durante su desarrollo. El autor del presente documento piensa que la repelencia al agua en áreas húmedas como las que ha estudiado puede tener un significado ecológico, en el sentido de que puede ser un mecanismo utilizado por las plantas, y/o por los organismos asociados a ellas, para mejorar su entorno en lo relacionado con la aireación y con la condición de drenaje. En las Figuras 1.15 y 1.17 puede apreciarse el gran volumen de raíces finas que se desarrollan superficialmente en lotes sembrados con Pinus patula y es en esta parte del suelo, en muchos de los que se han registrado como repelentes al agua, donde se genera la mayor intensidad en la hidrofobicidad. La Figura 1.9c también ilustra la alta concentración de hifas de hongos que se ha acumulado cerca de la superficie de algunos Andisoles repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas. Debe, de todas maneras, investigarse si la presencia de la hidrofobicidad alrededor de los órganos y organismos mencionados es una causa o un efecto de ellos, o si, simplemente es una coincidencia natural. 34

42 FIGURA Producción intensa de raíces finas cerca de la superficie del suelo en lotes con Pinus patula de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas IMPORTANCIA Y DISTRIBUCIÓN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO La repelencia al agua en el suelo es un fenómeno que se ha documentado ampliamente en casi todos los países del mundo y es tan frecuente encontrarlo que algunos autores han llegado a decir que ese rasgo parece ser más la norma que la excepción en los suelos (Wallis et al, 1991). DeBano (1981) y Wallis y Horne (1992) informan que la primera descripción que se conoce del fenómeno de la repelencia al agua fue hecha en 1910 por Schreiner y Shorey en unos suelos de California en los cuales, compuestos orgánicos grasos fueron los responsables de tal situación. También reporta DeBano (1981) que el primer informe que sugirió que la hidrofobicidad observada en algunos suelos era causada por actividad fungal, fue originado en 1911 por Bayliss. Desde aquella época el tema permaneció sin estudiarse hasta la década de los 40 s, cuando se conocieron los trabajos de Jamison en 1942, 1946 y 1947 (DeBano, 1981). De aquí en adelante el interés por la hidrofobicidad en los suelos ha ido siempre en aumento, como lo confirman los datos de DeBano (2000) quien establece que entre los años 1940 y 2000 se han publicado un poco más de 500 artículos sobre el tema, correspondiendo algo más de 150 a la década de los 90 s. Con respecto a la distribución del fenómeno a escala mundial, DeBano (1981) cita trabajos en los que se estudió la repelencia al agua en suelos de Estados Unidos de Norteamérica, Australia, Canadá, Egipto, Holanda, India, Japón, Rusia y Nueva Zelanda. La lista anterior se complementa con la información de Doerr et al (2000), quienes reportan, adicionalmente, estudios hechos en el Reino Unido, Suiza y Portugal y con la de Ritsema (1998), en Mali y Polonia. En la Tabla 1.9 se presenta una lista adicional de estudios hechos en otros países del mundo. 35

43 TABLA 1.9. Algunos países donde han sido reportados suelos repelentes al agua. PAÍS REFERENCIA Alemania Bachmann et al (2000a, b) Brasil Pérez et al (1998) Chile Ellies et al (1995) China Peng et al (2003) Colombia Jaramillo (1992) España Moral et al (2003) Grecia Diamantis (2000) Italia Giovannini et al (1983) Sur África Scott (2000) Turquía engönül (1987) Aunque la distribución de la repelencia al agua en los suelos no ha sido incluida aún en los estudios de cartografía de suelos y, por lo tanto, es difícil establecer su cobertura, en algunas regiones del mundo se ha observado que ella afecta áreas extensas ocasionando problemas graves a la producción agropecuaria. Es así como House, citado por Doerr et al (2000) estima que en Australia se encuentran afectadas por el fenómeno de la repelencia al agua 5 millones de hectáreas, en las cuales se genera hasta un 80% de pérdidas en la producción agrícola. Dekker y Ritsema (1994b) encontraron que el 75% de los horizontes superficiales de los suelos de las tierras agrícolas y ganaderas de Holanda presentan algún grado de repelencia al agua y que más del 95% de los mismos horizontes, en suelos de reservas naturales, son fuerte a extremadamente repelentes al agua. Se ha reconocido tradicionalmente que la repelencia al agua en el suelo es un fenómeno de superficie específica y, sin duda lo es en ciertos ambientes en los cuales la acumulación de materia orgánica en el suelo es baja, debido a la alta rata de mineralización que se produce en ellas. Posiblemente ésto explique satisfactoriamente la presencia de hidrofobicidad extrema que ha sido reconocida en amplias zonas secas y con suelos arenosos de Australia. Sin embargo, hay muchos estudios en los que se ha comprobado que la textura arenosa no es la única susceptible de asimilar la hidrofobicidad. Otra situación que puede restarle importancia al fenómeno de superficie es que en varios trabajos se ha demostrado que las partículas o los agregados del suelo no tienen que estar recubiertos completamente con sustancias hidrofóbicas para que el suelo, en su conjunto, se manifieste como tal (Bisdom et al, 1993; Dekker, 1998; Doerr et al, 2000). Scott (2000) no encontró efecto significativo de la textura del suelo sobre su grado de repelencia al agua, en un muestreo que hizo en 10 localidades de Sur África bajo plantaciones forestales de eucaliptos y pinos, principalmente; las clases texturales variaron de arenoso franco a arcillo limoso. 36

44 Roy et al (2000) concluyeron que el desarrollo de repelencia al agua en los suelos que trabajaron no estuvo restringido a ninguna clase textural en particular, puesto que encontraron muestras hidrofóbicas en las 10 clases texturales de los 27 sitios analizados por ellos: No tuvieron muestras arcillosas ni limosas. A pesar de lo anterior, Harper y Gilkes (1994), McKissock et al (1998) y McKissock et al (2000) han logrado establecer relaciones, significativas estadísticamente, entre el grado de repelencia al agua de algunos suelos de Australia y algunas propiedades del suelo, entre las que se encuentran los contenidos de los separados finos del mismo, limo y arcilla, bien sea solos o combinados. Vale la pena aclarar que, a pesar de que han obtenido modelos de regresión múltiples significativos, los coeficientes de determinación que ellos han aportado han sido, en general, bajos, cosa que llama la atención acerca de la relevancia que tienen dichos separados sobre la intensidad de la hidrofobicidad en los suelos estudiados. En esta temática es interesante anotar que, aunque la repelencia al agua ha sido ampliamente observada en condiciones de climas secos y suelos arenosos, éstas no son las únicas condiciones en las que se produce. Se ha reportado también en climas húmedos tropicales (Jaramillo, 1992; Pérez et al, 1998), en húmedos mediterráneos (Doerr y Thomas, 2000) y en otros climas húmedos del norte de Europa, citados por Doerr et al (2000). En la literatura se encuentran reportes de repelencia al agua en una gran variedad de suelos, minerales y orgánicos, incipientes a muy evolucionados, fuertemente ácidos a alcalinos, fértiles a poco fértiles, lo que da pie a pensar que la hidrofobicidad puede presentarse en cualesquiera de los órdenes de suelos definidos en la Taxonomía de Suelos del USDA (Soil Survey Staff, 1999). El efecto de los organismos será tema de un próximo capítulo, por lo cual no se hace alusión a ellos aquí. A otra escala de trabajo, la hidrofobicidad en los suelos se ubica, en el caso más común, en la superficie del suelo. Cuando el suelo posee una capa de litter, ella se ubica, frecuentemente, en el contacto entre los dos materiales, afectando la parte mineral del mismo, aunque el litter también puede presentarse hidrofóbico. En el caso de que el suelo haya sido sometido a quemas o a incendios fuertes, se puede generar una capa hidrofóbica subsuperficial. Una forma de presentación frecuente de la repelencia al agua en el suelo es en forma de parches, normalmente centimétricos, que alternan con cuerpos de suelo humectable, como puede verse en las fotos de las Figuras 1.9a y 1.10a. Los parches que se detectan en la superficie del terreno se proyectan hacia el interior del suelo, creando el patrón de distribución que muestran las Figuras 1.10b, 1.10c y 1.10d. Un aspecto fundamental que debe tenerse en cuenta cuando se quiere estudiar la repelencia del suelo al agua es el hecho de que la manifestación del fenómeno no es permanente: Se presenta con su máxima intensidad en las épocas más secas y disminuye, llegando inclusive a desaparecer, en las épocas húmedas. Períodos prolongados de sequía generan alta intensidad en la hidrofobicidad y una alta dificultad para humedecer nuevamente el suelo, pudiéndose necesitar también períodos largos de humedecimiento para restablecer su humectabilidad. Este comportamiento puede haber sido un factor de retraso en el diagnóstico de la repelencia al agua en muchos suelos, simplemente porque con mayor frecuencia se observaron cuando estaban húmedos y pocas veces después de una época seca prolongada. 37

45 EVALUACIÓN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN LOS SUELOS Para evaluar el fenómeno de la hidrofobicidad en el suelo, Jaramillo (1996a) cita varios métodos que se han propuesto: medir el ángulo de contacto de la fase sólido líquido del suelo; medir la rata de entrada de agua en columnas de suelo; medir la tensión superficial y el ángulo de contacto de soluciones acuosas colocadas sobre el suelo; medir la adsorción de vapor de agua por el suelo; medir la adsorción de alcoholes alifáticos por el suelo; determinar las isotermas de adsorción de varios ácidos carboxílicos por el suelo; realizar pruebas de infiltración en el campo o en laboratorio. Los métodos mencionados presentan limitaciones prácticas para su implementación en análisis de rutina o cuando se requiere evaluar gran número de muestras, razones que los han relegado a un segundo plano como métodos para cuantificar la hidrofobicidad del suelo. Para hacer evaluaciones de rutina se han desarrollado algunos métodos prácticos y de fácil aplicación como el llamado WDPT (Water Drop Penetration Time) o el método conocido como MED (Molarity Ethanol Drop). Estos métodos se han convertido en los más ampliamente utilizados en los trabajos de hidrofobicidad de suelos, sobre todo después de que fueron evaluados por King (1981), quien demostró su efectividad y serán tema del Capítulo 3 de este documento, por lo que no se discutirán en este aparte. Si se acepta que un material se considera repelente al agua cuando el ángulo que se forma entre las interfases líquido-aire y líquido-sólido es mayor a 90º (Nakaya, citado por Wallis y Horne, 1992, afirma que un suelo que tenga > 0º tiene algún grado de repelencia al agua), la medición de este ángulo fue uno de los primeros retos que tuvo la evaluación de la hidrofobicidad. Para poder medir dicho ángulo, cuando la superficie del sólido es plana no se presentan mayores problemas pero, al observar la superficie de un trozo de suelo se aprecia que está lejos de ser plana: ésto prácticamente imposibilita la determinación geométrica del ángulo que se pretende medir, como lo establecieron Letey et al (1962a). Esta limitación ha llevado a autores como Philip, citado por Wallis y Horne (1992), a proponer que dicho ángulo sea llamado aparente, para diferenciarlo del ángulo real que no puede definirse en ese medio rugoso. Para establecer el valor del ángulo de contacto aparente se han propuesto varias metodologías que Wallis y Horne (1992) han resumido y de las cuales se pueden resaltar: Mediante el uso de columnas de suelo en tubos de vidrio, medir el ascenso capilar del agua que se obtenga y resolver la Ecuación 1.4. Mediante el uso de columnas de suelo en tubos de vidrio, medir la infiltración de agua y resolver las Ecuaciones 1.5 y 1.6. En cualesquiera de los dos casos citados anteriormente, los valores de r y de son incógnitas de la misma ecuación y por tanto éstas no se pueden resolver. Para obviar esta situación, se han ingeniado varias formas de medir r: 38

46 Utilizando etanol como solución ascendente o infiltrante, según el caso, ya que el etanol moja el suelo siempre con un ángulo de contacto igual a cero (Letey et al, 1962), con lo que el cos = 1 y se resuelven las ecuaciones para despejar r; este valor de r se toma para resolver las mismas ecuaciones cuando se utilice agua y, en este caso, se despeja. Emerson y Bond, citados por Wallis y Horne (1992) asumieron que al incinerar muestras de suelo desaparecía la repelencia al agua y que, por lo tanto, el ángulo de contacto en ellas era igual a cero; utilizaron este valor para conocer a r y luego despejaron a de las ecuaciones correspondientes, cuando utilizaron el suelo sin incinerar. 2 cos H [ 1.4 ] g r Pt r r g h 2 cos Q [ 1.5 ] 8 L D a P t 1 [ 1.6 ] DR Donde: H: Altura del ascenso capilar. : Tensión superficial del líquido. : Ángulo de contacto. : Densidad del líquido. g: Constante de la gravedad. r: Radio del capilar. Q: Rata de entrada del líquido, en términos de profundidad del frente de humedecimiento por unidad de tiempo. P t : Porosidad total del suelo. h: Longitud del capilar más el espesor del líquido por encima del capilar. L: Longitud del capilar. : Viscosidad del líquido. D a = Densidad aparente del suelo. D R = Densidad real del suelo. Puede asumirse igual a 2.65 Mg m -3. Otro método aproximado que se ha utilizado para estimar el ángulo de contacto ha sido el de medir directamente sobre una fotografía del sistema el ángulo que se forma entre una gota de agua puesta sobre la superficie suavizada del suelo y dicha superficie (ver Figura 1.7). Este método fue propuesto por Bond (1968), citado por McGhie y Posner (1980) y fue ampliamente utilizado por Jaramillo (1992); obviamente, sólo es aplicable a suelos con un alto grado de repelencia al agua, en los que la gota que se aplique permanezca estable sobre la superficie del suelo el tiempo necesario para hacer la toma fotográfica. 39

47 Como puede observarse, para los métodos anteriores hay que hacer bastantes suposiciones y aproximaciones y, si a ello se adiciona que se requiere mucho tiempo para hacer las medidas necesarias, ellos se vuelven dispendiosos y de poca precisión. Ésto llevó a desarrollar otros métodos para hacer las evaluaciones de la repelencia al agua en el suelo. Entre los más aceptados se encuentra el método del Índice de Repelencia (IR) desarrollado por Tillman et al (1989), basado en la sortividad del agua y del etanol y con ayuda de un permeámetro de disco. El índice se obtiene con las siguientes relaciones: IR S E [ 1.7 ] SW Cuando el suelo no es repelente al agua, IR = 1 y, obviamente, se cumple que: S [ 1.8 ] W S E Donde: IR: Índice de repelencia (sin unidades). S E : Sortividad del etanol. S W : Sortividad del agua. El suelo se considera repelente al agua cuando el IR > Este método fue ampliamente probado por Wallis et al (1991) en una gran variedad de suelos de Nueva Zelanda; observaron que fue un método más sensible que el WDPT y que el MED, capaz de detectar pequeños grados de hidrofobicidad en los suelos. Encontraron valores de RI que variaron entre 3 y 93, en suelos que tuvieron valores de MED entre 0 y 2.7 molar y de WDPT entre 0 y > 3600 segundos. Hallett y Young (1999) desarrollaron un equipo (micro infiltrómetro) que permite medir la infiltración en agregados individuales del suelo y poder calcular, así, la sortividad y el Índice de Repelencia (IR) en ellos. Con este instrumento, Peng et al (2003) evaluaron el IR en agregados de diversos tamaños provenientes de Ultisoles con diferentes coberturas de China y encontraron que el grado de repelencia al agua fue mayor en los agregados de mayor tamaño (con diámetro entre 2 y 5 mm). Además, encontraron que el tipo de cobertura y el manejo del suelo tuvieron una alta incidencia sobre el grado de la hidrofobicidad: Cuando un suelo altamente degradado por la erosión fue revegetalizado, su IR pasó de menos de 1.5 a 4.4. Hallett et al (2001) evaluaron el efecto de algunas prácticas de manejo de suelos sobre la repelencia al agua en sus agregados, con el índice de repelencia (IR) y encontraron que, efectivamente, este índice depende del manejo del suelo: El aumento en la disturbación del suelo por los cultivos reduce el IR: los suelos no laborados tuvieron mayor IR que los sometidos a laboreo y no hubo un efecto, por lo menos detectable, de la adición de nitrógeno al suelo (hasta 120 kg N ha -1 ) sobre su IR. 40

48 Con base en el micro infiltrómetro, luego de algunas modificaciones, Hallett et al (2003) evaluaron la sortividad y el grado de repelencia al agua directamente en la rizosfera de cebada, papa, colza y un pasto, en campo. Encontraron fuertes diferencias en la sortividad del agua y del etanol, así como en el IR entre las especies, probablemente originadas en las diferencias en las prácticas de manejo de cada una y/o en diferencias en cantidad y composición de los exudados radiculares producidos por cada una de ellas. El IR fue mayor en la rizosfera que en el suelo no rizosférico en todas las coberturas, aunque las diferencias no fueron significativas estadísticamente; el mayor valor de IR se obtuvo en la rizosfera del cultivo de papa. Estos autores creen que la mayor repelencia al agua en la rizosfera puede ser un mecanismo amortiguador contra la desecación, cuando el suelo está con bajos contenidos de humedad. Hillel (1998) define la sortividad del agua en términos de la infiltración acumulada (I) en un determinado tiempo (t), en una columna horizontal de suelo, con la siguiente relación: I S W 1 [ 1.9 ] 2 t Si se hace una gráfica de I vs t 1/2 se obtiene una línea recta cuya pendiente corresponde al valor de S W (Hillel, 1998). Siguiendo este mismo procedimiento se puede obtener la sortividad del etanol (S E ). Wallis et al (1991) y Moral et al (2003) observaron que después de cierto tiempo de infiltración, en algunos suelos la gráfica de I vs t 1/2 iba cambiando su pendiente, por lo que para hacer la estimación de la sortividad se debe tomar la primera porción de la gráfica que corresponda a una línea recta, es decir, en los primeros tiempos del ensayo. Recientemente Bachmann et al (2000a, b), tratando de eliminar el efecto geométrico que tiene la rugosidad de la superficie de una muestra de suelo sobre el ángulo de contacto que se pretenda estimar sobre ella, han propuesto un nuevo método para hacer esta determinación: ángulo de contacto con la gota sésil (traducción literal). Para ello tamizaron un suelo repelente al agua en varias fracciones de tamaño y esparcieron, sobre una cinta doble adhesiva, una monocapa de partículas de cada fracción que luego adhirieron a un portaobjetos; seguidamente midieron el ángulo de contacto que se presentaba en cada placa en un microscopio, con ayuda de un goniómetro adosado a él. Con este método midieron ángulos entre 25 y 110º, con una alta reproducibilidad de los resultados. Aparte de las anteriores, otras propuestas para evaluar la repelencia al agua en los suelos están siendo estudiadas actualmente y, en su momento se darán a conocer (Carrillo et al, 1999; Letey et al, 2000; Wang et al, 2000) MANEJO DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO La manera más adecuada de enfrentar el problema de la repelencia al agua en el suelo es, obviamente, evitar que se presente. Sabiendo que los compuestos hidrofóbicos que se acumulan en el suelo provienen, principalmente, de la descomposición inicial de la materia orgánica que se le aporta en forma de litter, si se evita la acumulación excesiva de este material en el suelo, se minimiza el riesgo de que se desarrolle la repelencia al agua en él. 41

49 Evitar la acumulación excesiva de litter La acumulación excesiva (según condiciones ambientales) de litter también puede contribuir indirectamente a la generación de repelencia al agua en el suelo. Chan (1992) encontró un alto grado de repelencia al agua en un Alfisol que se había explotado bajo siembra directa (labranza cero) durante un largo tiempo, con lo que acumuló una importante capa de litter que creó las condiciones óptimas para que se desarrollara en él una alta población fungal con una densa masa de hifas hidrofóbicas, situación que no se dio en el mismo suelo, bajo un sistema de laboreo convencional. Con respecto al efecto del laboreo, Hallett et al (2001) también observaron que aquellos suelos que no eran sometidos a mecanización presentaban mayores valores de índice de repelencia (IR) que los que sí se sometían a esta práctica. La acumulación de litter sobre el suelo se puede evitar de varias formas: 42 Favoreciendo su descomposición rápida, al facilitar su oxidación manteniendo una buena aireación en la capa de litter: laboreo; este mecanismo está controlado, aparte de las condiciones del suelo para la mecanización, por el tipo de material que se esté aportando: materiales con altos contenidos de resinas, ceras y grasas son menos susceptibles a la oxidación y tienden a acumularse en grandes cantidades. La descomposición de la materia orgánica también puede acelerarse si se promueve una buena actividad microbiológica, por ejemplo, aportando nutrientes por medio de fertilizantes. Franco et al (2000a) observaron descensos en la intensidad de la repelencia al agua en suelos arenosos que habían recibido fertilización con N, P, K y S, en algunas estaciones, aunque sin una tendencia clara en los tratamientos que utilizaron. Atribuyeron ese comportamiento al estímulo que se le había dado a los microorganismos descomponedores de grasas con la aplicación de los fertilizantes. Hallett et al (2001), a pesar de que reconocen que la adición de N al suelo puede aumentar la mineralización de la materia orgánica en él al estrechar su relación C/N, no encontraron un efecto significativo de la aplicación de N sobre el índice de repelencia (IR) de los suelos que trabajaron. Ma shum, citado por Hodge y Michelsen (1991) también reportó la presencia de bacterias capaces de utilizar compuestos hidrofóbicos como sustrato creciendo de forma natural en el suelo, con lo cual se redujo la repelencia al agua en ellos. Sin embargo, apunta el autor citado que la actividad de dichos organismos pudo verse limitada por deficiencias nutricionales ya que la aplicación de fertilizantes conteniendo N y P incrementó el consumo de n-alcanos de cadena larga debido, probablemente, a que se estimuló la población bacterial correspondiente. Hallett y Young (1999), por el contrario, observaron que la adición de fertilizantes al suelo, en campo y en laboratorio, redujo la sortividad del agua en él y aumentó su grado de repelencia al agua. Este comportamiento estuvo acompañado por un incremento en la

50 respiración microbial del suelo, lo que indica que hubo un incremento en su actividad microbiológica que pudo aumentar la producción de compuestos hidrofóbicos en él. Otra forma de eliminar el litter del suelo es, simplemente, extraerlo del lote o someter el suelo a quemas. La alternativa de las quemas debe utilizarse con sumo cuidado, teniendo en cuenta las observaciones que hace DeBano (1981): Hay menos peligro de generar hidrofobicidad en el suelo, por quemas, cuando éstas son controladas, es decir, cuando la intensidad del fuego es baja, se hacen cuando el suelo está húmedo y la cantidad de materia orgánica en la superficie del suelo es baja; además, si la textura del suelo es fina, es menor el riesgo y cuando las quemas se hacen en bosques, si producen hidrofobicidad, ésta es menos intensa que cuando la quema se hace en restrojos. Cuando ya se ha detectado la presencia del problema en el suelo, se han estudiado diferentes estrategias para manejarlo Mecanización del suelo En laboratorio se ha observado que la abrasión en los granos de arena reduce el grado de hidrofobicidad de los mismos (King, 1981; Ma shum y Farmer, 1985; Wallis et al, 1990a; Crockford et al, 1991). Al nivel de campo, el laboreo del suelo puede cumplir esta función de abrasión sobre los agregados, removiendo algo de los recubrimientos orgánicos y/o de las hifas de los hongos que ellos tengan adheridos, reduciendo su grado de repelencia. King (1981) notó que los agricultores en Australia reducían el grado de repelencia de sus suelos sometiéndolos a laboreo durante la lluvia o inmediatamente después de ella, lo que puede estar relacionado con el efecto de abrasión mencionado y/o con un efecto de dilución de los agregados repelentes al agua en el resto del suelo, como lo sugieren varios trabajos citados por Wallis y Horne (1992). Cabe aclarar, en este punto, que Wallis et al (1990a), a pesar de que obtuvieron reducción significativa en el MED de suelos arenosos sometidos a diferentes tiempos de agitación, en laboratorio, también observaron que al evaluar nuevamente el grado de repelencia al agua después de 72 horas de haber hecho el tratamiento de abrasión, la severidad de la repelencia se había incrementado en varias muestras (ver Tabla 1.10), lo que atribuyeron a cambios estructurales en los compuestos orgánicos hidrofóbicos, originados por la abrasión, por lo cual concluyeron que el laboreo, como práctica de abrasión en campo, puede tener un efecto mejorador de la humectabilidad del suelo repelente al agua de corto tiempo de duración Adicionar arcilla o materiales terrosos arcillosos Otra práctica que ayuda a diluir el componente hidrofóbico que tenga el suelo es la adición de arcilla al mismo, cuando éste es de textura gruesa. Se acepta desde hace tiempo que el problema de la repelencia del suelo al agua es, fundamentalmente, un problema de superficie específica y, por lo tanto, en los suelos de textura gruesa es donde dicho fenómeno puede presentarse con mayor frecuencia, al requerirse en ellos menor cantidad de compuestos hidrofóbicos para recubrir sus partículas y/o los agregados, de modo que aquel se exprese. Lo anterior no quiere decir que la 43

51 repelencia al agua sea exclusiva de los suelos de textura gruesa, como lo demostraron McGhie y Posner (1980) que encontraron un grado de hidrofobicidad severa (WDPT > 3600 s) en los primeros 15 cm de suelos con más de 20% de arcilla, en Australia. De todas formas, no es casualidad que las regiones más extensas del mundo con este problema, estudiadas hasta hoy, se presentan en suelos arenosos de Australia y en dunas de arena costeras en Holanda y Alemania. TABLA Efecto del tiempo de agitación de suelos arenosos repelentes al agua sobre su grado de hidrofobicidad, en dos tiempos de evaluación. Datos tomados de Wallis et al (1990a). MED (M) Tiempo de agitación (h) Inmediatamente después del tratamiento Después de 72 h del tratamiento El Departamento de Agricultura del Oeste de Australia (DAWA, 2000) destaca que la adición de arcilla a suelos de textura gruesa repelentes al agua, produce efectos como: Incrementar la producción en cultivos y pastos: La producción de cebada en un suelo tratado con arcilla se incrementó en 1.2 t ha -1 y este incremento se mantuvo durante los 8 años siguientes a la aplicación del correctivo. Incrementar la infiltración de agua: En un suelo tratado con arcilla se incrementó 3 veces la rata de infiltración. El suelo se humedece uniformemente. La germinación de semillas de malezas es uniforme, lo que permite hacer un mejor control de ellas. Se controla la erosión eólica. Se aumenta la retención de nutrientes en el suelo. Se incrementa la actividad biológica en el suelo. El mismo Departamento de Agricultura australiano ha establecido que la adición de arcilla al suelo superficial repelente al agua puede hacerse mezclando con él parte del subsuelo. La mezcla de 100 t ha -1 de dicho material que contenga 30% de arcilla, con los primeros 10 cm del suelo, incrementa el contenido de arcilla entre 3 y 4% en ellos, cantidad que ha sido suficiente para tener resultados positivos y estables durante los siguientes 8 años después de la aplicación. Wallis y Horne (1992) citan los resultados obtenidos por Ma shum y colaboradores quienes encontraron que con la adición de caolinita saturada con sodio y de ilita, en dosis equivalentes de 2.5 a 5 t ha -1 en los primeros 10 cm de suelos arenosos de Australia, éstos se transformaron de severamente repelentes al agua a humectables. 44

52 Ward y Oades (1993) agregaron caolinitas y montmorillonitas saturadas con Na + y con Ca 2+ a suelos arenosos de Australia, en ensayos de laboratorio, y encontraron que: La caolinita fue la arcilla más eficiente en el proceso de reducción de la repelencia al agua en los suelos estudiados, a pesar de que tiene menor superficie específica que la montmorillonita. Las arcillas saturadas con Na + fueron más eficientes que las saturadas con Ca 2+ en la reducción de la repelencia al agua, posiblemente porque mantienen un mayor grado de dispersión. Cuando observaron las arenas mezcladas con arcilla al microscopio electrónico encontraron que la caolinita recubría las partículas de arena mientras que las de montmorillonita se unían entre sí formando micro agregados, sin interactuar con las arenas. La reducción de la repelencia al agua observada no se debe a la adsorción de compuestos hidrofóbicos por parte de las arcillas, sino al recubrimiento que hace la arcilla sobre los materiales hidrofóbicos que se encontraban recubriendo las partículas de arena. Para que se produzca alguna interacción entre el suelo repelente al agua y la arcilla, se requiere, al menos, un ciclo de humedecimiento y secamiento. En estos estudios de laboratorio, la aplicación del equivalente a 5 t ha -1 de arcilla redujo la repelencia al agua a niveles tolerantes agronómicamente (MED < 1.2 M). McKissock et al (2000) mezclaron suelos arenosos repelentes al agua con arcillas caoliníticas y esmectíticas relativamente puras y, además, con material de suelo obtenido de horizontes subsuperficiales que tenía contenidos de arcilla y limo mayores que los suelos hidrofóbicos. Con las mezclas que hicieron encontraron que la adición de cualesquiera de estos materiales redujo el grado de repelencia al agua en el suelo, siendo más notorio el efecto en la medida en que se incrementaba el contenido de arcilla en la mezcla. También en estos trabajos, la caolinita fue más eficiente en la reducción de la hidrofobicidad que la montmorillonita, sobre todo cuando se hizo la evaluación del WDPT después de someter la mezcla a un ciclo de humedecimiento y secamiento, pero no obtuvieron relación entre la dispersibilidad de la arcilla, el catión intercambiable que las saturaba o la cantidad de sodio intercambiable con el WDPT del suelo Aumentar el ph del suelo También se ha ensayado el encalamiento como una alternativa de manejo para reducir el grado de repelencia al agua en el suelo. En estudios de laboratorio se ha observado que solventes con cierto grado de alcalinidad son capaces de remover compuestos hidrofóbicos de la superficie de las partículas de suelos repelentes al agua. Roberts y Carbon (1972) sometieron suelos arenosos de Australia a extracciones con soluciones inorgánicas y con solventes orgánicos y encontraron que las soluciones alcalinas removían fácilmente los recubrimientos hidrofóbicos presentes en los granos de arena, en menos de 1 hora de remojo. McGhie y Posner (1980) sometieron litter de eucalipto finamente molido (< 1 mm) a extracciones en soxhlet con diversos solventes, acuosos y orgánicos y a diferentes valores de ph; luego de la 45

53 extracción evaluaron el grado de repelencia al agua en el material lavado y encontraron que se requerían condiciones fuertemente alcalinas para que se redujera el grado de hidrofobicidad en ellos y, además, que acidificándolos nuevamente, se restablecía la severidad de la repelencia al agua, como puede apreciarse en la Tabla TABLA Efecto del ph sobre el grado de hidrofobicidad de litter de eucalipto finamente molido. Datos tomados de McGhie y Posner (1980). ph original WDPT (s) Al ph original Después de acidificar hasta ph = 3 7 > 1800 > > 1800 > > 1800 > > > > > 1800 Las diferencias en solubilidad que se presentan entre los ácidos húmicos y fúlvicos pueden sustentar el hecho de que aumentando el ph se pueda reducir el grado de repelencia al agua en el suelo, debido a que a phs altos ambos grupos de compuestos son solubles y pueden ser removidos del suelo evitando, así, que generen hidrofobicidad y favoreciendo su humectabilidad. En efecto, Chen y Schnitzer (1978) concluyeron que cuando en la fracción orgánica del suelo predominan los ácidos húmicos y los phs ácidos a neutros, se puede generar repelencia al agua y que, si predominan los ácidos fúlvicos, bajo las mismas condiciones de ph, éstos se disuelven en la solución del suelo y éste es humectable. Los estudios llevados a cabo por Karnok et al (1993) en parches hidrofóbicos de un campo de golf muestran que la aplicación de soluciones de NaOH 0.1 M al suelo eleva su ph y reduce su grado de repelencia al agua, al tiempo que promueven una pérdida importante de materiales orgánicos en los que pueden ser eliminados parte de los compuestos hidrofóbicos responsables del fenómeno (ver Tablas 1.12, 1.13 y 1.14). De estos trabajos concluyen los investigadores que la aplicación de una cantidad suficiente de solución 0.1 M de NaOH como para saturar los primeros 5 cm del suelo, seguida por un lavado con agua equivalente a un volumen de poros, repetida por lo menos tres veces, reduce significativamente el grado de repelencia al agua en los suelos arenosos que trabajaron. Además, cuando este tratamiento se repitió por 9 días consecutivos, la hidrofobicidad desapareció completamente del suelo. A pesar de los resultados de Karnok y colaboradores, Blackwell (1996) reporta que la adición de cal a suelos repelentes al agua se ha ensayado como una alternativa de manejo pero que han habido muchos ensayos en el oeste de Australia que han arrojado resultados muy desalentadores acerca de ella. 46

54 TABLA Efecto de la aplicación de NaOH y agua sobre el ph, el grado de hidrofobicidad y el contenido de materiales húmicos en suelos repelentes al agua de un campo de golf de Georgia, USA. Tomados de Karnok et al (1993). Material húmico ph MED (M)** Tratamiento* (mg/100 g de suelo) Antes Después Antes Después Antes Después Testigo Agua NaOH 1 día NaOH 2 días NaOH 3 días * Las cantidades de agua o de NaOH aplicadas fueron: 2.25 L de agua y 2.25 L de una solución 0.1 M de NaOH; la aplicación se hizo consecutivamente durante los días establecidos. El testigo sin ninguna aplicación. Todas las parcelas que tuvieron tratamiento recibieron 83.2 L de agua después de éste para lavarlo a través del perfil del suelo. Durante el ensayo cayeron 16 mm de lluvia y se aplicaron 8 mm de agua adicionales con riego. ** MED en muestras secadas al aire durante 14 días. TABLA Efecto de diferentes aplicaciones de NaOH y agua sobre el grado de hidrofobicidad y el contenido de materiales húmicos en suelos repelentes al agua de Georgia, USA. Tomados de Karnok et al (1993). A los 10 días A los 160 días Tratamiento* Contenido de Contenido de MED (M) materiales húmicos MED (M) materiales húmicos (mg/100 g de suelo) (mg/100 g de suelo) Testigo Agua NaOH corto plazo NaOH largo plazo * NaOH corto plazo recibió 3.05 L de solución 0.1 M de NaOH por 9 días consecutivos y 24 horas después de terminadas las aplicaciones recibió un riego de 12.2 L de agua. En NaOH largo plazo, la solución de NaOH se aplicó en los días 1, 27, 67 y 134 y no se le hizo riego adicional después de la aplicación. El agua se aplicó en la misma dosis que el NaOH durante 2 días consecutivos y también tuvo los 12.2 L adicionales a las 24 horas de la última aplicación. Durante el experimento cayeron 622 mm de lluvia y se aplicaron 271 mm de agua con riego. ** MED en muestras secadas al aire durante 14 días Agregar agentes humectantes Los agentes humectantes, conocidos como surfactantes o agentes de superficie activa, son sustancias anfifílicas, es decir, son compuestos que tienen una dualidad físico-química polar no polar. En estos compuestos el grupo polar es hidrofílico y contiene una variedad de átomos como O, S, N o P, que se encuentran en grupos funcionales alcohol, ácido o sulfato, entre otros. La parte no polar es hidrofóbica o lipofílica y, en general, es un grupo hidrocarbonado de tipo alquil o alquil benceno (Salager, 2002). 47

55 TABLA Efecto de la aplicación de NaOH y agua sobre el grado de hidrofobicidad y el contenido de materiales húmicos en suelos repelentes al agua de un campo de golf de Georgia, USA. Tomados de Karnok et al (1993). Material húmico MED (M)** Tratamiento* (mg 100 g de suelo) Antes Después del día 9 Antes Después del día 9 Testigo tapado Testigo sin tapar Agua 3 días Agua 6 días Agua 9 días NaOH 3 días NaOH 6 días NaOH 9 días * Para detectar el efecto de la lluvia, todas las parcelas, excepto las del testigo sin tapar, se tapaban cuando llovía. Las aplicaciones de agua o NaOH como en la Tabla Todas las parcelas recibieron 0.8 L de agua después de cada aplicación del respectivo tratamiento y 24 horas después de terminar las aplicaciones, recibieron 1.2 L de agua, excepto los testigos. Se aplicaron 57 mm de agua en riego. ** MED en muestras secadas al horno entre 30 y 35ºC durante 14 días. Los surfactantes se clasifican con mayor frecuencia por la forma en que se disocian en el agua y pueden reconocerse los siguientes, según Salager (2002): Surfactantes aniónicos: Se disocian en un anión anfifílico y en un catión que generalmente es un metal alcalino o un amonio cuaternario. Son los que se producen en mayor cantidad en el mundo. Surfactantes no iónicos: No ionizan en solución y son el segundo grupo en cuanto a cantidad de producción mundial. Surfactantes catiónicos: En solución acuosa se disocian en un catión orgánico anfifílico y en un anión que generalmente es un halogenuro. Su fabricación es muy costosa por lo que son muy poco utilizados a nivel mundial. Surfactantes anfotéricos o anfóteros: Poseen dos grupos funcionales, uno aniónico y otro catiónico, siendo el ph quien determina cual de las posibles disociaciones se dan: aniónica a ph alcalino y catiónica a ph ácido. En general son tan costosos como los catiónicos, por lo cual su uso también es muy restringido. Según Salager (2002), la dualidad polar no polar que presentan los surfactantes hace que ellos tengan una fuerte tendencia a migrar hacia las interfases, de tal manera que los grupos polares se disponen hacia el interior de la fase acuosa y los no polares se orientan hacia la otra fase del sistema. Con este comportamiento se forma, según Unda (s.f.), una capa monomolecular adsorbida en la interfase del sistema que es la que suministra la actividad superficial que caracteriza a los surfactantes. Para manejar los suelos repelentes al agua también se ha recurrido al uso de surfactantes que al formar soluciones con el agua reducen su tensión superficial de manera que, al colocar dicha 48

56 solución en contacto con una superficie sólida e hidrofóbica, el ángulo de contacto se reduce considerablemente (Pelishek et al, 1962) y el agua puede penetrar más fácilmente en el sólido que, para nuestro caso, es el suelo. En estos casos, cuando los surfactantes tienen efectos directos sobre la tensión, Salager (2002) recomienda llamarlos Tensoactivos. Con la adición de surfactantes al agua que se va a aplicar a un suelo repelente a ella, se incrementa notablemente la rata de infiltración en él y su eficiencia depende, como lo anotan Letey et al (1961) y Wallis y Horne (1992), de la naturaleza del sólido que va a ser humedecido y de la naturaleza química de los agentes humectantes. Para manejar la repelencia al agua en el suelo, los surfactantes que se han utilizado con mayor intensidad son lo no iónicos. Son materiales que deben ser aplicados en dosis relativamente bajas pero con aplicaciones frecuentes como puede verse en la Tabla También se están investigando, con el mismo objetivo, hidrogeles que, según resultados preliminares de Karnok y Beall (1995), muestran un alto potencial para tratar suelos difíciles de humedecer. TABLA Recomendaciones de uso para diferentes surfactantes y un hidrogel, dadas por los fabricantes. Producto Tratamiento Dosis Disolución Frecuencia de cm 3 / 100 m 2 (L de agua) aplicación Fuente PRIMER 604 Preventivo * 7 Mensual Sobitec (2003) PRIMER 604 Curativo Semanal** Sobitec (2003) AQUEDUCT Curativo * 4 Semanal** Sobitec (2003) INFILTRIX Con el riego 2.5 L ha -1 - Mensual Sobitec (2003) Psi MATRIC Curativo 10 ppm - Diario** Sobitec (2003) Psi MATRIC Curativo 100 ppm - Semanal** Sobitec (2003) TerraCottem & - - Ferahian (2000) * La primera dosis se usa en la primera aplicación, la segunda en las demás. ** Hasta resolver el problema. & Según textura del suelo: menor dosis a mayor contenido de arcilla. En la Figura 1.18 se puede apreciar el efecto que tuvo la aplicación de agentes humectantes sobre la rata de infiltración en un suelo franco arenoso, severamente repelente al agua, de California, elaborada con datos de Letey et al (1962b). En la gráfica de la Figura 1.18 son notables tres aspectos: Primero, que con cualquier agente y dosis se reduce el tiempo necesario para que el suelo admita una determinada cantidad de agua. Segundo, que el comportamiento de los agentes humectantes no es el mismo en todos ellos, es decir, que cada producto tiene especificidades propias de él y, Tercero, que la rata de infiltración aumenta cuando el suelo está húmedo al momento de hacer la prueba. 49

57 Tiempo (min) en en en en en en en en 4000 A A A A T P P P P Agente humectante y grado de dilución Suelo Seco Suelo Húmedo FIGURA Efecto de la aplicación de diferentes dosis de dos agente humectantes no identificados (A y P) sobre el tiempo gastado por 4 pulgadas de solución en penetrar en un suelo repelente al agua, bajo dos condiciones de humedad. En la condición de suelo húmedo la infiltración fue de agua sola pues para humedecerlo se aplicó la solución correspondiente al tratamiento del caso. La letra T identifica el testigo (sólo recibió agua). El grado de dilución corresponde a 1 parte del producto disuelto en tantas partes de agua. Ensayos hechos en basines, en campo. (Gráfica elaborada con base en datos de Letey et al, 1962b). Wallis et al (1990b) aplicaron diferentes dosis y tipos de agentes humectantes a un suelo arenoso extremadamente repelente al agua de Australia, en ensayos de invernadero y de campo, y encontraron que en invernadero se presentan fuertes diferencias en el comportamiento de los distintos productos en lo relacionado con la rata de aplicación requerida y el grado de dilución necesario. Cuando el trabajo se lleva a cabo en el campo, aparte de los factores mencionados, hay otros que intervienen en la eficiencia de los productos como el método de aplicación, el tipo de cultivo y el manejo del riego. También observaron que la radiación ultravioleta y el movimiento de partículas de suelo por el viento pueden alterar la vida útil de los agentes humectantes en el suelo. Cisar et al (2000) estudiaron el comportamiento de 3 surfactantes en 1996 y de 4 en 1997, aplicándolos a suelos repelentes al agua de La Florida, con las dosis recomendadas por los fabricantes de los productos. En 1996 aplicaron mensualmente Aqueduct (AQ), AquaGro (AG) y Primer (PR), solos y en mezclas, en dosis de 250, 250 y 190 ml por 100 m 2 disueltos en 8 L de agua por 100 m 2, respectivamente; empezaron las aplicaciones el 14 de mayo y el WDPT lo midieron el 24 de julio de En 1997 aplicaron semanalmente 250 ml por 100 m 2 de los productos ACA 1257, ACA 1313, ACA 1455 y ACA 1457, también disueltos en 8 L de agua por 100 m 2 ; las aplicaciones las iniciaron el 8 de abril y el WDPT lo midieron el 23 de abril y el 14 de mayo de Los resultados obtenidos en este trabajo se presentan en la Tabla

58 TABLA Efecto de la aplicación de algunos surfactantes sobre el grado de repelencia al agua (WDPT en segundos) de suelos hidrofóbicos de La Florida. Tomados de Cisar et al (2000). Producto Profundidad (cm) de julio de 1996 AQ 13b* 7b 2b 4b 4ab AG 550a 300a 188a 50b 32ab PR 24b 7b 7b 6b 2ab PR + AQ 17b 2b 2b 1b 0.2b PR + AG 17b 11b 7b 4b 1ab Testigo 460a 293a 156a 120a 37a 23 de abril de 1997 ACA b 6b ACA b 6b ACA b 7b ACA b 12b Testigo 103a 40a de mayo de 1997 ACA b 9b 9ab 3 2 ACA b 2b 2b 1 1 ACA b 11b 10ab 5 1 ACA b 11b 7ab 3 1 Testigo 68a 23a 16a 4 3 * Valores seguidos por la misma letra en las columnas, por fecha, indican que no hubo diferencia significativa al 95% entre los promedios de los tratamientos con la prueba de Duncan. Si no hay letras, no hubo diferencias significativas entre ningún tratamiento con P > 90%. Se puede apreciar en la Tabla 1.16 lo que ya se ha mencionado en el sentido de que no todos los productos tienen el mismo comportamiento frente a la repelencia del suelo al agua. También se observa que algunas mezclas funcionan mejor que los componentes independientes mientras que en otros casos el uso de ellas no parece recomendable. En la Tabla 1.17 se exponen los resultados de un trabajo similar al anterior, realizado por Kostka (2000) en suelos repelentes al agua de un campo de golf de Massachussets. Él aplicó el surfactante Primer 604 en dosis de 125 y 185 ml por 100 m 2, disueltas en 8 L de agua por m 2 ; hizo aplicaciones mensuales durante tres meses y determinó el WDPT en muestras tomadas un mes después de cada aplicación. Puede apreciarse que el efecto de las diferentes dosis sobre el grado de repelencia al agua es bastante inconsistente en su comportamiento. Además, parece que el efecto del surfactante aplicado no es muy duradero en lo que respecta a los valores de WDPT que se obtienen al final del ensayo pues en muchas determinaciones se obtiene un mayor valor de WDPT en este muestreo que en el segundo. 51

59 TABLA Efecto de la aplicación de Primer 604 sobre el grado de repelencia al agua (WDPT en segundos) de suelos hidrofóbicos de un campo de golf de Massachusetts. Tomados de Kostka (2000). Dosis Profundidad (cm) (ml/100m 2 ) Julio 0 88a* 105a 84a 60a 47a ab 127a 45a 76a 49a b 93a 96a 30a 9a Agosto 0 442a 371a 261a 235a 170a b 118b 72b 22b 17a b 67b 63b 56b 52a Octubre 0 417a 331a 148a 48a 44a b 122b 62b 54a 38a b 129b 80b 60a 48a * Valores seguidos por la misma letra en las columnas, por fecha, indican que no hubo diferencia significativa al 95% entre los promedios de los tratamientos con la prueba de Duncan. Kostka et al (2002) aplicaron dos surfactantes comerciales (Primer 604 y Aqueduct) en las dosis recomendadas por los fabricantes, a suelos repelentes al agua de diferentes localidades de Estados Unidos de Norteamérica, Holanda, Australia y Alemania. En todos los casos encontraron que: Se redujo el grado de repelencia al agua en los suelos con la aplicación de los surfactantes, durante el tiempo que duró el ensayo: 3 meses con Primer 604, aplicándolo mensualmente y 3 semanas con Aqueduct, aplicándolo semanalmente. Se disminuyó el nivel crítico de humedad en los suelos para que se manifestara la repelencia al agua: En el ensayo de Holanda, en los primeros 2.5 cm de la zona de raíces, el suelo no tratado fue humectable hasta que su contenido de humedad volumétrica fue de 18% pero, al que se le aplicó Primer 604 permaneció humectable hasta que esa humedad bajó al 11%. Se incrementó la rata de infiltración de agua en los suelos tratados con surfactantes, reduciéndose las pérdidas por evaporación y por escorrentía: En el suelo de Arkansas, la aplicación de Aqueduct incrementó la rata de infiltración desde 40 ml min -1, en el suelo no tratado, a 150 ml min -1 en el tratado. Se incrementó la capacidad de almacenamiento de agua de los suelos tratados con surfactantes. A pesar de sus efectos benéficos, debe tenerse en cuenta que los agentes humectantes pueden tener efectos fitotóxicos. Estos efectos pueden generarse por contacto prolongado del producto con las hojas o por absorción del producto por las raíces. Wallis y Horne (1992) reportan varios trabajos en los cuales se ha presentado fitotoxicidad de varias maneras: Reducción de la cantidad de estomas. Reducción en la formación de semillas. 52

60 Decoloración y quemazón en las puntas de las hojas por la aplicación de altas dosis y falta de riego subsiguiente. Inhibición de la elongación de las raíces. Reducción en la germinación de semillas. Endo et al, citados por Wallis y Horne (1992) concluyeron que la magnitud de la adsorción de surfactante que pueda presentarse en el suelo es el factor crítico que determina el grado de fitotoxicidad que él pueda generar. En otros trabajos citados por los mismos autores, se encontró que la caolinita adsorbe surfactantes no iónicos en mayor cantidad que los aniónicos, pero en menor que los catiónicos Otras posibilidades Wallis y Horne (1992) plantean que en algunos sistemas de explotación, la aplicación de agua por medio del riego puede ser una alternativa viable para mantener el suelo en un estado de humedad que impida la manifestación de la repelencia al agua en él. Ellos informan que dicha práctica es frecuentemente usada en campos deportivos durante las épocas cálidas secas, con lo que se reduce la severidad de los parches secos en ellos. Wallis et al (1990b) observaron que el uso de riegos livianos, con periodos de retorno cortos, es una práctica más eficiente para reducir los efectos de la repelencia al agua sobre el suelo, para favorecer el crecimiento de la vegetación y para mejorar la rata de infiltración en suelos repelentes al agua, que los sistemas con altas tasas de aplicación y periodos de retorno largos. Los periodos de retorno cortos facilitan la infiltración ya que mantienen unos mayores contenidos de humedad en la superficie del suelo. Las recomendaciones dadas también son válidas cuando se aplican surfactantes con el riego. Franco et al (2000a) sostienen que la repelencia al agua en el suelo puede ser reducida agregando nutrientes al mismo que estimulen el crecimiento de las poblaciones nativas de microorganismos capaces de degradar grasas. En experimentos de invernadero, donde pudieron controlar la presencia de plantas en el sustrato, para anular su efecto sobre la generación de repelencia al agua en él, comprobaron que la aplicación de dos fertilizantes de baja solubilidad, con la composición porcentual N:P:S de 22:5.7:0.6 y N:P:K:Mg de 7:20:5:9, en dosis de 1 y 2 g de fertilizante por kg de arena repelente al agua, redujo significativamente los valores originales del MED de los suelos; este efecto fue mayor cuando al suelo se le adicionó, además del fertilizante, arcilla caolinítica. Los efectos más notables se dieron con la mezcla de las dosis más altas de fertilizante y de arcilla y las diferencias entre tratamientos se mantuvieron a lo largo de las 25 semanas que duró el experimento. Franco et al (2000a) reprodujeron los ensayos de invernadero en el campo y observaron decrecimiento en el MED de los suelos sólo al primer mes de establecido el ensayo y sin diferencias significativas entre tratamientos. A partir de este tiempo, el MED volvió a subir hasta los valores que presentaba originalmente el suelo y siguió presentando variaciones estacionales a lo largo de todo el tiempo de experimentación (28 meses), sin presentar diferencias significativas entre tratamientos y sin un comportamiento consistente en ellos, en las profundidades de 0 a 5 y de 5 a 10 cm. Estos resultados implican que, bajo condiciones naturales y sin poder controlar los 53

61 efectos de la vegetación, se pueden presentar interrelaciones en el suelo que hacen inútil la fertilización como práctica para controlar la repelencia al agua en él, tratando de manipular ciertas relaciones poblacionales que se presenten entre sus microorganismos. Franco et al (2000a) también estudiaron el efecto que tenía la adición de carbono orgánico soluble (COS) sobre la repelencia al agua de arenas severamente hidrofóbicas. Para esto, sometieron arena extremadamente repelente al agua a un calentamiento de 70ºC en agua, durante 2 horas; microfiltraron el sobrenadante de la extracción cuando se enfrió y lo agregaron a 3 sustratos: Arena repelente al agua, arena lavada con agua hasta remover toda la materia orgánica particulada que tenía y arena incinerada a 600ºC hasta que se convirtió en arena completamente humectable. Se estableció un tratamiento testigo en el cual sólo se adicionó agua a cada tipo de arena y un control absoluto en el que no se aplicó nada a los 3 tipos de arena. Los resultados de este experimento pueden verse en la Tabla TABLA Efecto de la aplicación de carbono orgánico soluble (COS) sobre el MED de dos tipos de arena. Adaptado de Franco et al (2000a). Tratamiento Valor del MED* (M) en Arena repelente al agua Arena lavada con agua Control absoluto Testigo con sólo agua Con COS * En la arena incinerada no hubo cambios en el MED: En todos los tratamientos fue igual a cero. En el experimento de los resultados de la Tabla 1.18, la adición de COS a las arenas redujo de manera altamente significativa (P < 0.01) el valor del MED, con respecto al control absoluto. Este comportamiento sugiere la posibilidad de que cambiando el tipo de materia orgánica que se adiciona al suelo, se pueda tener una reducción importante en el grado de repelencia al agua que él presente. Este cambio puede generarse cambiando el tipo de cobertura vegetal en él, como lo han sugerido Jaramillo (1992) y Harper et al (2000), o adicionando abonos orgánicos al suelo aunque, obviamente, esto debe ser estudiado cuidadosamente antes de recomendarlo como práctica de manejo de la repelencia al agua del suelo en condiciones de campo. McGhie y Posner (1981) analizaron el efecto de diferentes coberturas vegetales y rotaciones de ellas sobre el grado de repelencia al agua en suelos arenosos de Australia y observaron grandes diferencias en los valores de WDPT y de ángulo de contacto que obtenían. Los mayores valores de repelencia los encontraron en parcelas de pasturas permanentes y en parcelas que tenían rotaciones que incluían 4 ciclos continuos de pasturas. La severidad de la repelencia iba disminuyendo al reducir el número de ciclos con pastos en la rotación, siendo la mejor alternativa la que incluyó 1 ciclo de cultivo alternando con un ciclo de pasto. Con estas observaciones ellos concluyeron que la repelencia al agua en los suelos puede ser reducida cambiando las especies que crecen en ellos. Finalmente, otra actividad que puede resolver el problema de la repelencia al agua en los suelos consiste en retirar de él la parte hidrofóbica. La aplicabilidad de esta alternativa está condicionada por el tipo de explotación que se tenga en el suelo y, sobre todo, por el espesor y ubicación de la 54

62 capa repelente en el suelo y por el espesor del horizonte superficial del mismo. Jaramillo (1992) observó la realización de esta práctica en los Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas que se encuentran con plantaciones forestales de pinos y cipreses, la cual se conoce localmente como Extracción de tierra de capote (ver Figura 1.19) y comprobó que, efectivamente, después de que el material superficial del suelo era retirado, el suelo nuevo que quedaba expuesto era completamente humectable. Debe tenerse en cuenta que con la extracción de tierra de capote se está trasladando el problema de la repelencia al agua a otros lugares y que, dependiendo del destino que tenga el material removido, se puede estar afectando alguna actividad productiva; por ejemplo, el material retirado puede ser utilizado en viveros, tanto para plantas ornamentales como para plantaciones forestales o para cultivos que requieran trasplante, lo que puede generar unas pérdidas altas de material vegetal por un suministro insuficiente de agua a las plántulas. a b c FIGURA Extracción de tierra de capote. a. Proceso de recolección del material. b y c. Aspecto de la superficie del suelo después de extraído el material, tanto en plantaciones de pino (b) como de ciprés (c). 55

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64 CAPÍTULO 2 ORIGEN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO 2.1. ORIGEN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO FUENTES DE LOS COMPUESTOS HIDROFÓBICOS PARA EL SUELO LA VEGETACIÓN LOS MICROORGANISMOS LOS INCENDIOS, QUEMAS Y CALENTAMIENTO CONTAMINACIÓN CON HIDROCARBUROS NATURALEZA DE LOS COMPUESTOS HIDROFÓBICOS EN EL SUELO RELACIÓN REPELENCIA AL AGUA MATERIA ORGÁNICA...89

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66 2.1. ORIGEN DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO Es aceptado universalmente que la repelencia al agua en los suelos se debe, en la gran mayoría de los casos, a la presencia en éste de ciertos compuestos orgánicos que desarrollan propiedades hidrofóbicas. Aparte de lo anterior, también se presenta repelencia al agua en suelos que tienen una alta cantidad de materia orgánica finamente particulada, que es hidrofóbica en sí misma y que, al mezclarse con la fracción mineral, le trasmite ese carácter al suelo. Bisdom et al (1993) documentaron ampliamente este mecanismo de inducción de repelencia al agua en agregados de diferentes tamaños de suelos arenosos de Holanda. La Figura 2.1 muestra fragmentos orgánicos finos en Andisoles severamente repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, tamizados a 2 mm. En dicha figura se aprecia cómo varios agregados se encuentran húmedos (tienen color más oscuro) y cómo la mayoría de los fragmentos orgánicos que están en contacto con ellos, permanecen secos. FIGURA 2.1. Materia orgánica particulada repelente al agua, mezclada con agregados finos minerales repelentes y no repelentes al agua. La imagen al lado derecho es un detalle de la imagen de la izquierda. (Fotos en estéreomicroscopio; la izquierda con aumento de 2.5x) FUENTES DE LOS COMPUESTOS HIDROFÓBICOS PARA EL SUELO Los compuestos orgánicos hidrofóbicos que se acumulan en el suelo y que le imprimen el carácter de repelencia al agua provienen de la materia orgánica que se incorpora al mismo. Dichos compuestos son aportados por organismos vivos o en descomposición, principalmente vegetales, aunque también hay algunos microorganismos que los contienen. Aparte de los mencionados, también se pueden considerar los incendios y las quemas como fuentes de compuestos hidrofóbicos para el suelo ya que, como se discutió en el capítulo anterior, cuando ellos se producen, pueden transformar compuestos orgánicos humectables en hidrofóbicos y/o secar irreversiblemente la materia orgánica que no se volatiliza. Roy et al (2000)

67 también establecieron, como fuente de hidrofobicidad para el suelo, la contaminación de éste con hidrocarburos provenientes del petróleo LA VEGETACIÓN Las plantas son los organismos que hacen un mayor aporte de sustancias que pueden generar repelencia al agua en el suelo. Prácticamente todos sus órganos contienen compuestos hidrofóbicos en su estructura que pasan al suelo, ya sea cuando la planta o alguno de sus órganos mueren y el proceso de descomposición los libera o cuando son aportados desde la planta viva mediante el lavado de las superficies vegetales por las aguas que escurren de ellas o, en forma de exudados producidos por aquella. En las amplias revisiones de literatura que hicieron DeBano (1981), Wallis y Horne (1992) y Doerr et al (2000) se encuentra una gran cantidad de especies vegetales relacionadas con la producción de repelencia al agua en los suelos. Se pueden destacar especies de los siguientes géneros como las que se mencionan con mayor frecuencia en la literatura (el orden en que se presentan es sólo alfabético y no implica mayor o menor efecto sobre la repelencia al agua en el suelo): Árboles: Acacia, Acer, Banksia, Carya, Citrus, Eucalyptus, Juniperus, Larix, Picea, Pinus, Populus, Pseudotsuga, Quercus, Tsuga. Rastrojos: Adenostoma, Arctostaphylus, Calluna, Cercidium, Chamaespartium, Chrysotamnus, Cistus, Erica, Larrea, Prosopis, Vaccinum, Ulex. Cereales cultivados: Hordeum vulgare, Triticum aestivum. Leguminosas: Lupinus cosentinii, Medicago sativa, Trifolium subterraneum. Pastos: Agrostis, Erharta, Phalaris, Phragmites, Spinifex. El autor de este documento también ha observado repelencia al agua en suelos bajo plantaciones de Cupressus lusitanica (Jaramillo, 1996), en helechales de Pteridium equilinum y bajo plantas de chusque: Chusquea scadens (resultados sin publicar). De los mecanismos mediante los cuales la vegetación influye sobre la repelencia al agua en el suelo, mencionados en el primer párrafo de este numeral, el de la descomposición del litter es el que más se ha estudiado, ya que este material parece ser la fuente más importante de compuestos hidrofóbicos. McGhie y Posner (1980) para confirmar si el litter producía repelencia al agua, recolectaron dicho material de la superficie de suelos que se encontraban bajo plantaciones de eucalipto, lo molieron a diferentes tamaños y lo agregaron, en diferentes proporciones, a dos arenas, una gruesa y otra fina, previamente incineradas a 500 ºC. Cuando evaluaron la repelencia al agua en las arenas mezcladas con litter, encontraron que en ambas se incrementaba el ángulo de contacto al incrementar la cantidad de litter adicionado. Además, el mayor grado de repelencia al agua se generó en la arena gruesa, mezclada con el litter de tamaño más fino. Adiciones de litter equivalentes a sólo 2% (con base en peso) de cualquier tamaño, incrementaron el ángulo de contacto en todas las muestras analizadas. 60

68 McGhie y Posner (1981) ampliaron el alcance del estudio citado en el párrafo anterior, involucrando litter de otras especies de plantas para hacer las mezclas con la arena incinerada y encontraron los resultados que se exponen en la Tabla 2.1. TABLA 2.1. Efecto de la adición de diferentes cantidades de la parte aérea molida (< 1 mm) de diversas plantas, sobre el grado de repelencia al agua de arena incinerada. Adaptada de McGhie y Posner (1981). Planta Rango* de valores del ángulo de contacto (º) Rango* de valores del WDPT (s) 2% de litter 5% de litter 2% de litter 5% de litter Trifolium subterraneum > > 1800 Medicago spp > > 1800 Triticum aestivum Hordeum vulgare Ornithopus sativus Lupinus cosentinii Ehrhata calycina Stenotaphrum secundatum Eucalyptus spp > 1800 > 1800 Casuarina heugeliana > 1800 * Rango cuando hay datos de varias especies, variedades o partes de la planta. En la Tabla 2.1 se aprecia cómo el grado de repelencia al agua en el suelo aumenta al incrementarse la cantidad de litter que se ha mezclado con él. También puede verse que hay un efecto diferencial en la repelencia debido a la especie de planta que se utilice e, incluso, debido a la diferencia de variedad dentro de la misma especie, como en el caso de T. subterraneum. Con respecto a la adición de sustancias hidrofóbicas mediante el lavado de superficies de la planta en pie, Crockford et al (1991) estudiaron este mecanismo en plantaciones de eucaliptos de Australia. Recogieron agua de la que escurría por el tronco (flujo de tallo: FT) de árboles de Eucalyptus macrorhyncha y de E. mannifera y de la que quedaba atrapada en huecos de la corteza del mismo tronco (no especifican de cuál especie) (agua represada en el tronco: AT), después de un aguacero de 15 mm y midieron el WDPT en los suelos utilizando esa agua recogida y agua destilada. Los resultados de este experimento se presentan en la Tabla 2.2. De los valores expuestos en la Tabla 2.2 se puede resaltar: Que las soluciones que se generan con el agua que escurre por las superficies de las plantas, así como con la que se acumula en las irregularidades de la corteza de ellas, contienen sustancias que retardan su entrada en el suelo debido, probablemente, a la interacción que se presenta entre ellas y los componentes orgánicos y/o minerales que tiene el suelo. Que las soluciones del flujo de tallo del E. macrorhyncha generan mayores valores de WDPT que las que se obtienen con el agua que queda retenida en la corteza. Que el comportamiento de dichas soluciones es diferencial, con una tendencia a incrementar más el grado de repelencia al agua en aquellos suelos que tuvieron mayor contenido de materia orgánica. 61

69 62 Que hay un efecto directo de la especie vegetal sobre el valor del WDPT que producen las soluciones del flujo de tallo, lo que indica que hay diferencias importantes en su composición. Esto lo observaron los investigadores al obtener soluciones de diferentes colores en cada especie y puede ser originado por las diferencias en conformación y de tiempo de permanencia de la corteza en los árboles de cada una de ellas. TABLA 2.2. Valores de WDPT obtenidos en suelos de textura gruesa de Australia, midiendo con agua destilada y con agua recogida de tallos de eucalipto. (Datos tomados de Crockford et al, 1991). Muestra* Profundidad (cm) Contenido de C orgánico (%) Destilada WDPT (s) con agua De FT de E. macrorhyncha De FT de E. mannifera De AT Euc. 1/1 0 a Euc. 1/3 10 a Euc. 2/1 0 a Euc. 2/2 10 a Euc. 3/1 0 a Euc. 3/2 10 a Euc. 4/1 0 a * Códigos de identificación originales. Los resultados anteriores llevaron a los investigadores a concluir que, en efecto, las soluciones que se forman por escurrimiento de agua sobre los órganos vegetales son fuente de compuestos hidrofóbicos que, al pasar al suelo, incrementan su grado de repelencia al agua en la superficie de ellos. Con respecto a los exudados y otras sustancias hidrofóbicas que pueden aportar directamente las plantas al suelo, Jaramillo (1992) observó, en árboles de Pinus patula, que por el tallo se presentaban frecuentemente chorreaduras de resina que llegaban hasta la superficie del suelo y que penetraban en él, impermeabilizándolo completamente alrededor del árbol. En este mismo trabajo el autor también observó que al causar alguna herida en la raíz de los árboles, ellos excretaban inmediatamente la misma resina, la cual se depositaba alrededor de la raíz impregnando, a la vez, el suelo que estaba en contacto con ella volviéndolo repelente al agua. Las observaciones anteriores hicieron que se tuviera a la raíz como una fuente potencial importante en la generación de repelencia al agua y que explicaran, por lo menos en buena parte, la presencia de una repelencia al agua extremadamente fuerte en la zona del suelo ocupada por las raíces. Téngase en cuenta que durante el proceso de extracción de tierra de capote se pueden causar, fácilmente, heridas a las raíces superficiales con las herramientas, con lo que se puede aportar material hidrofóbico al suelo. Czarnes et al (2000) estudiando el efecto que tenían los mucílagos radiculares y microbiales sobre la estructura del suelo y sobre el transporte de agua en él, encontraron que el ácido poligalacturónico (equivalente al exudado radicular), estabilizaba la estructura del suelo, en la rizosfera, incrementando la fuerza de los enlaces entre partículas y reduciendo la rata de humedecimiento en ellos

70 Hallett et al (2003) observaron diferencias importantes en el transporte de agua en la rizosfera de varias plantas, lo que atribuyeron a diferencias en la cantidad y tipo de exudados radiculares que se presentan naturalmente entre genotipos. Plantean la hipótesis de que algunos de esos exudados pueden influenciar la actividad de los microorganismos del suelo, tanto estimulando el desarrollo de algunos, como suprimiendo otros y esto incluye aquellos microorganismos productores de repelencia al agua. Observaron, además, que el mucigel en estado hidratado puede obstruir poros y reducir el transporte de agua LOS MICROORGANISMOS La influencia de los hongos en el desarrollo de la repelencia al agua en los suelos se ha reconocido desde hace bastante tiempo. Ball (s.f.) menciona que uno de los primeros trabajos conocidos en el que se investigó esta relación lo hizo Wollaston en 1807 y que en 1917 se conoció el trabajo clásico de Shantz y Piemeisel sobre el tema. Savage et al (1969a) indujeron repelencia al agua en arena cuarcítica, lavada con ácido, al agregarle una suspensión acuosa con un ácido húmico extraído de un cultivo de Stachybotrys atra, con una concentración de materia orgánica tan baja como 0.05%, aunque advierten que hubo una estrecha relación entre el ph y el grado de repelencia al agua y que, las condiciones bajo las cuales se obtuvo el mayor efecto del extracto, ésto es a ph = 10, no son frecuentes en el suelo, en condiciones naturales de campo. Savage et al (1969b) inocularon arena cuarcítica lavada con ácido, con suspensiones acuosas que contenían esporas de diferentes especies de hongos y luego incubaron las muestras a 23 C durante varios períodos de tiempo; al evaluar el grado de repelencia al agua que se había generado después de cada tiempo de incubación encontraron que sólo en los tratamientos con Penicillium nigricans y con Aspergillus sydowi se presentó algún grado de repelencia al agua, como se puede apreciar en la Tabla 2.3; nótese que el grado de repelencia al agua en los casos en que se presentó fue leve, por lo que los investigadores concluyeron que la contribución de estos microorganismos solos a la repelencia al agua en el suelo es poca. McGhie y Posner (1980) también observaron que los hongos trabajados por ellos (Penicillium y Aspergillus) no produjeron una repelencia al agua importante sobre arena lavada, cuando crecían solos en ella; esta situación cambió dramáticamente cuando a la arena se le adicionó litter de eucalipto antes de incubar los hongos en ella, lo que también los llevó a concluir que el efecto de dichos hongos sobre la repelencia al agua no es importante. Mediante observaciones en microscopio, estos investigadores vieron: Primero, que los granos de arena presentaban áreas asociadas con litter solo, otras con hifas fungales solas y otras con una combinación de hifas y litter. Segundo, que cuando evaluaron el grado de repelencia al agua en las diferentes condiciones de recubrimientos mencionadas, únicamente se generó repelencia al agua severa en los granos recubiertos con litter solo o asociado con hifas pero, en los granos recubiertos sólo con hifas, el agua penetró inmediatamente y fueron completamente humectables. 63

71 TABLA 2.3. Grado de repelencia al agua (WDPT en segundos) desarrollado en arenas cuarcíticas después de ser incubadas durante varios períodos de tiempo con suspensiones de diferentes especies de hongos (Tomada de Savage et al, 1969b). Especie del hongo Tiempo de incubación (días) Alternaria sp. 0 0 < 1 0 Aspergillus fumigatus < 1 Aspergillus niger - < 1 < 1 < 1 Aspergillus sydowi Chaetomium sp Masoniella sp Penicillium nigricans Torula sp Jaramillo (1992) también comprobó, en los Andisoles de la cuenca hidrográfica de Piedras Blancas, bajo plantaciones de Pinus patula, que la masa de micelio que se desarrollaba en el interior de la capa de acículas era severamente repelente al agua pero, a diferencia de los resultados expuestos en los párrafos anteriores, observó que tanto en el horizonte superficial mineral del suelo como en las superficies de los agregados y de los poros (ver Figura 1.9), el micelio presente también era severamente repelente al agua. Un hongo que se observó ampliamente distribuido en las plantaciones de la cuenca mencionada fue el Amanita sp. (ver Figura 2.2), hongo micorrizógeno que ha demostrado una alta afinidad con el Pinus patula en dicha cuenca (Alvarado 1984, 1988). Chan (1992) hizo un muestreo en suelos que habían estado sometidos a cero labranza y que presentaron algún grado de repelencia al agua. Al estudiar las muestras al microscopio observó que había una cobertura hifal en ellos y formó grupos de acuerdo con la densidad de dicha cobertura, estimando el área que representaba en toda la superficie de la muestra. Encontró que el WDPT aumentaba al aumentar la densidad de la masa hifal: Cuando se tuvo una cobertura del 100%, el WDPT fue de 2380 s, es decir, en este caso, el micelio del hongo fue severamente repelente al agua. En este trabajo se identificaron especies de los hongos Trichoderma y Fusarium y se observaron varios basidiomicetos que no se identificaron, causando la repelencia al agua. Costantini et al (1995), en tres suelos de textura gruesa superficial de Australia, obtuvieron una alta repelencia al agua, tanto en la interfase formada entre la capa de litter y el horizonte A del suelo, como en los primeros centímetros del mismo horizonte superficial mineral. Ellos confirmaron que la alta repelencia al agua observada se debía a la acumulación de una densa masa de micelio de basidiomicetos severamente repelente en la interfase, así como al micelio, con iguales características de hidrofobicidad, que se extendía hacia el interior del horizonte A. 64

72 FIGURA 2.2. Carpóforo de Amanita sp. en plantaciones de Pinus patula de la cuenca hidrográfica de la quebrada Piedras Blancas. Unestam (1991) estudió el comportamiento de diferentes tipos y partes de varios hongos ectomicorrícicos en bosques de coníferas de Norteamérica y encontró los resultados que se presentan en la Tabla 2.4. TABLA 2.4. Características de repelencia al agua (Clase de WDPT*) en algunos hongos ectomicorrizógenos asociados con coníferas en Norteamérica (Tomada de Unestam, 1991). Parte del hongo evaluada Hongo / planta Micelio Micelio Rizomorfo Manto Estipe in Vitro Amanita muscaria / Pinus contorta A. vaginata / Abies procera Cenococcum geophilum / A. procora Cortinarius sp. / A. procera Gautieria monticola / Pseudotsuga menziesii Gomphus floccosus / A. procera Hebeloma sp. / P. contorta Hysterangium setchellii / P. menziessii Lactarius deliciosus / Tsuga heterophylla Piloderma bicolor / A. procera Rhizopogon vinicolor / P. menziessii Russula sp / A. procora Suillus bovinus / P. contorta S. flavidus / P. contorta Thelephora terrestris / P. contorta Xerocomus sp. / A. procera * Clases de WDPT: 0 : < 15 s; 1 : 15 a 120 s; 2 : > 1 hora. 65

73 En la tabla anterior se puede apreciar que la mayor parte de los hongos estudiados presentaron una repelencia al agua severa, tanto en campo como cuando fueron producidos en laboratorio en cultivos puros. Una de las manifestaciones más estudiadas de la relación de los microorganismos con la repelencia al agua se presenta en los llamados Fairy Rings por Shantz y Piemeisel en 1917 y que se han traducido como Anillos de Hadas o Anillos de Bruja o Corros de Bruja. En la Figura 2.3 se presenta la ilustración que hicieron estos investigadores para esquematizar el efecto que tenía el crecimiento de ciertos hongos en un pastizal. En dicho esquema se destaca que justo encima de la zona en la que crece con mayor intensidad el micelio de los hongos en el interior del suelo, se presenta un área en la que la vegetación se ha secado. FIGURA 2.3. Representación esquemática de los componentes de un Anillo de Hadas propuesta por Shantz y Piemeisel en (Tomada de Shantz, 1922). Los anillos de hadas, en su expresión más sencilla, se observan como unos anillos o arcos de carpóforos expuestos en la superficie del terreno, como en las Figuras 2.4.c, 2.4.d, y 2.5; también se presentan como anillos concéntricos de pasto con un crecimiento exuberante que rodea una zona central de pasto con crecimiento normal, como en la Figura 2.4.e. En la zona de crecimiento estimulado del pasto puede presentarse fructificación de los hongos, apareciendo en la superficie del terreno las setas o sombrillas de los carpóforos, formando otro círculo al interior de dicha zona (ver Figuras 2.4.a y 2.4.b). Otra forma de expresión de los anillos es la que se muestra en las Figuras 2.4.f, 2.6.a y 2.6 b, en las que se aprecia un crecimiento estimulado del pasto en la parte interna del anillo, con o sin presencia de carpóforos. Finalmente, los anillos pueden estar definidos por áreas de pasto seco, como los de las Figuras 2.6.b y 2.6.c. Téngase en cuenta que estas formaciones han sido estudiadas en zonas templadas, donde han tenido una marcada influencia de las estaciones en su desarrollo. 66

74 a b c d f e FIGURA 2.4. Algunos ejemplos de Anillos de Hadas. a. De Agaricus campestris (tomado de Kuo, 2003). b. Tomado de University of Florida (s.f.). c. Tomado de University of Illinois (1998). d. Tomado de Iowa State University (1997). e. Tomado de Watkins (s.f.). f. De Marasmius oreades (tomado de Lepp, 2003). 67

75 Teniendo en cuenta la forma como se expresan los anillos, Dernoeden (2001) y Carlos et al (s.f.), definen tres tipos de anillos de hadas: Tipo I: Aquellos definidos por anillos de pasto seco o severamente dañado por sequía, sin presencia de carpóforos en la superficie del terreno (ver Figura 2.6). Tipo II: Aquellos en los cuales hay anillos de pasto con crecimiento estimulado, de color verde más intenso y de mayor altitud que el resto del pasto; tampoco hay presencia de carpóforos en la superficie del terreno. Tipo III: Aquellos en los que sólo se presentan carpóforos sin efecto aparente sobre la vegetación. a b c FIGURA 2.5. Ejemplos de Anillos de Hadas en coberturas vegetales diferentes a pastos. a. De Aleuria aurantia (tomada de Mukina, 2003) b. De Cortinarius sp. en plantación de eucalipto (tomada de Lepp, 2003). c. De Clitocybe sp. en plantaciones de pino (tomada de Cereijo et al, 2001). 68

76 De la clasificación anterior, se observa que el tipo de anillo más destructivo es el I y éste es el que se relaciona directamente con la repelencia al agua, ya que el deterioro y muerte del pasto se debe a la acumulación de micelio muerto del hongo que es hidrofóbico y, por lo tanto, el pasto muere por falta de agua (Ash, 2000; Dernoeden, 2001; Swift, 2003; Carlos et al, s.f.; Ball, s.f.; Watkins, s.f.). Swift (2003) afirma que el suelo que está por debajo del manto de micelio también se torna fuertemente repelente al agua. a b c FIGURA 2.6. Diversas manifestaciones del Anillo de Hadas tipo I. a. Tomado de Ball (s.f.). b. Tomado de Watkins (s.f.). c. Tomado de Swift (2003). Dernoeden (2004) sostiene que los anillos de tipo I son muy frecuentes, sobre todo en tierras cubiertas con césped como campos deportivos o parques, que previamente habían estado bajo cobertura de pastizales o de bosque, condición que garantiza la fuente de materia orgánica necesaria para la nutrición y el desarrollo del hongo. Según Pottorff (2003), en estos lugares se encuentra abundante material orgánico en forma de raíces muertas, madera, litter o capas de paja que fue enterrado a poca profundidad cuando se hizo la transformación del uso del sitio y que estimulan el desarrollo del hongo. Los anillos son más frecuentes en suelos de textura liviana (arenosos), con baja fertilidad y con baja capacidad de almacenamiento de agua (Ash, 2000; Pottorff, 2003; Watkins, s.f.) y Dernoeden (2001) reporta que se han encontrado en suelos con valores de ph entre 5.1 y

77 Según Dernoeden (2001), la formación de los anillos se inicia como un cluster de hongos que empiezan a crecer radialmente hacia afuera, a partir de un punto central, a la misma velocidad en todas las direcciones. El tamaño de los anillos puede variar entre un pie (30 cm) y 10 pies (3 m) de diámetro, aunque se han reportado anillos hasta de 200 pies (60 m) de diámetro. El crecimiento radial anual varía entre 3 pulgadas (7.6 cm) y 19 pulgadas (48 cm). Pueden penetrar en el suelo, según Carlos et al (s.f.), entre 10 y 20 pulgadas, aunque Swift (2003) reporta datos hasta de 1m. Shantz (1922) estimó, para los anillos que estudió en Colorado, edades entre 250 y 450 años, cuando los anillos se encontraban completos y, 600 años para aquellos que se encontraban fragmentados, en áreas planas. Ball (s.f.) también ha estimado edades entre 600 y 700 años para aquellos anillos más grandes. Según Lepp (2003) los hongos que forman anillos pueden ser saprofitos o micorrizógenos, por lo que define dos tipos de anillos, según el agente causal: 70 Anillos atados o amarrados: Aquellos producidos por hongos micorrizógenos, llamados así porque su micelio se encuentra unido a la raíz de una o más plantas. Ejemplo Cortinarius sp, que se muestra en la foto de la Figura 2.5.b, asociado a eucaliptos en Australia. Según Ball (2004), éstos son más frecuentes en bosques. Anillos libres: Los que son formados por hongos no micorrizógenos. Ejemplo Marasmius oreades como el que se presenta en la foto de la Figura 2.4.f. Según Ball (s.f.), éstos son más frecuentes en zonas sembradas con pastos. Los hongos que producen los anillos de hadas pertenecen a la clase Basidiomicetes. Todos los autores que los han investigado coinciden en afirmar que pueden ser más de 60 las especies de hongos productores de dichas estructuras y destacan la especie Marasmius oreades como la que más frecuentemente se encuentra haciéndolas. Dekker y Ritsema (1996) estudiaron el comportamiento de la humedad en un anillo de hadas de 12 m de diámetro, formado en un suelo arenoso de Holanda que estaba con cobertura de pasto; el anillo presentaba una zona externa de pasto con crecimiento estimulado, seguida, hacia fuera, de otra zona donde se podían apreciar carpóforos del hongo. Después de que en el sitio cayeron 66 mm de lluvia en 2 semanas, observaron que el suelo, por fuera del anillo, se había humedecido hasta una profundidad mayor de 20 cm, mientras que el suelo en la banda de 30 cm de ancho en que se encontraban los carpóforos del hongo, sólo se humedeció hasta una profundidad de 3 cm; así mismo, en la franja donde había pasto con crecimiento estimulado, el agua sólo penetró hasta los 10 cm de profundidad. York y Canaway (2000) estudiaron varios anillos de hadas tipo I, formados por Marasmius oreades, en campos de golf de Inglaterra y encontraron que los suelos en la zona donde había micelio activo fueron extremadamente repelentes al agua, prácticamente en todo el espesor de suelo analizado. Observaron, además, una severa repelencia al agua en la parte interna del anillo, donde ya no se encontró micelio activo pero donde se sabía que el hongo había estado en tiempos anteriores, por lo que concluyeron que los efectos de la colonización del suelo por los hongos sobre la repelencia al agua pueden perdurar por tiempos largos después de que el hongo

78 desaparece del medio. Algunos de los resultados más sobresalientes de este trabajo se presentan en la Figura 2.7. MED Profundidad (cm) Distancia desde el centro del anillo (cm) FIGURA 2.7. Comportamiento de la repelencia al agua en un anillo de hadas tipo I formado por Marasmius oreades, evaluada en una línea radial desde el centro hacia afuera. Entre 30 y 75 cm se presentó micelio activo del hongo. Adaptada de York y Canaway (2000) LOS INCENDIOS, QUEMAS Y CALENTAMIENTO DeBano (1969) describe cómo en los chaparrales de California, los incendios forestales son un mecanismo de primer orden en la formación de suelos repelentes al agua. Resalta el autor que son de particular importancia los altos gradientes de temperatura que se alcanzan en los primeros centímetros del suelo durante el incendio, que vaporizan y hacen mover hacia el interior del suelo los gases producidos, cargados de sustancias hidrofóbicas que se condensan sobre las superficies de los sólidos del suelo que están más abajo, produciendo una capa repelente al agua en su interior. La profundidad y espesor de dicha capa depende de la intensidad del fuego y del tipo y cantidad de materia orgánica que se quemó, así como del contenido de humedad y de las propiedades físicas del suelo. DeBano et al (1970) confirmaron la traslocación de sustancias hidrofóbicas en dos experimentos de laboratorio en los cuales, sobre arena cuarcítica media ( mm) y sobre 4 suelos de textura gruesa, tamizados a 1 mm quemaron, en un ensayo, litter de chaparral molido y tamizado a 2 mm y, en el otro, quemaron un suelo hidrofóbico natural. Con respecto a la temperatura alcanzada en los materiales probados, las máximas se obtuvieron a los 2.5 cm de profundidad cuando se quemó litter y variaron entre 332 C en la arena y 504 C en el suelo menos arenoso (50% de arena, 42% de limo y 8% de arcilla). Los gradientes de temperatura máximos alcanzados en los primeros 2.5 cm estuvieron alrededor de 270 C cm -1, después de 5 minutos de la quema completa del litter; en la capa de 2.5 a 5 cm, el gradiente máximo obtenido fue de 145 C cm

79 En los experimentos del párrafo anterior, la quema incrementó el ángulo de contacto en la capa superficial de los suelos estudiados y el espesor de la capa repelente desarrollada dependió del tipo de material incinerado en la superficie del suelo y de la superficie específica del mismo. En todos los casos la quema de litter produjo una capa repelente al agua de mayor espesor que la quema de suelo repelente al agua. El máximo espesor en la capa de incremento en el ángulo de contacto producida se obtuvo en la arena y fue de 8 cm (área superficial = m 2 g -1 ) (DeBano et al, 1970). DeBano et al (1976) confirmaron que la traslocación de sustancias hidrofóbicas por efecto de las quemas también depende del estado de humedad en que se encuentre el suelo. Ellos quemaron litter de Pinus coulteri sobre arena húmeda y seca durante dos periodos de tiempo diferentes y encontraron los resultados que se presentan en la Tabla 2.5. TABLA 2.5. Cambios en el grado de repelencia al agua (WDPT en segundos) en una arena media ( mm) húmeda (6.3 % de humedad gravimétrica) y seca, por efecto de quemar sobre ellas litter de pino molido a 2 mm, durante 5 y 25 minutos. (Datos de DeBano et al, 1976) Condición de la quema 5 minutos sobre arena seca 25 minutos sobre arena seca 5 minutos sobre arena húmeda 25 minutos sobre arena húmeda Profundidad (cm) Rango de temperatura máxima ( C) WDPT (s) > > > > > < > > En la tabla anterior se pueden apreciar varios hechos importantes: Primero, que cuando la arena está seca, se alcanzan temperaturas máximas más altas en todos los tiempos de quema y en todas las profundidades estudiadas. 72

80 Segundo, que en la misma condición de humedad, un mayor tiempo de quema induce temperaturas más altas en todas las profundidades. Tercero, cuando la arena está seca, un mayor tiempo de quema puede reducir el grado de repelencia al agua en algunos puntos del suelo pero también puede generar mayor hidrofobicidad a mayor profundidad dentro del suelo. Cuarto, que cuando la arena está húmeda, un mayor tiempo de quema induce mayor grado de repelencia al agua, a mayor profundidad en el suelo. Almendros et al (1989) estudiaron los cambios que sufría la fracción húmica de suelos con bosques mediterráneos sometidos a incendios forestales y observaron que después de producido un incendio de alta intensidad y, dependiendo del tipo de vegetación, se producía la aparición de la repelencia al agua debido a que: La relación C/N se reducía fuertemente, debido al incremento en las formas estables del nitrógeno. Había una destrucción selectiva de compuestos polimetilénicos, demetoxilación de estructuras aromáticas, destrucción selectiva de estructuras alicíclicas e incremento en la aromaticidad total de los polímeros. Hay una transformación de fracciones fúlvicas y húmicas en otros tipos de sustancias de tipo húmico de baja solubilidad. Recuérdese que ya se mencionó en el capítulo anterior que, aparte de los incendios y de las altas temperaturas que se generan en ellos, temperaturas mucho más bajas también pueden incrementar el grado de repelencia al agua en el suelo (Jaramillo, 2003; Vanegas, 2003). Estas temperaturas son las que tienen que ver con la estacionalidad con que se manifiesta la repelencia al agua en los suelos: Se sabe que el grado de repelencia al agua en el suelo es más severo en las épocas secas que en las húmedas y, como lo comprobó Vanegas (2003) en los Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, las temperaturas ambientales que se generan en las épocas secas son suficientes para producir un secado en el suelo que haga manifestar su carácter repelente al agua. Los cambios que se pueden generar sobre la repelencia al agua, por el efecto de la temperatura sobre la humedad del suelo, han llevado a tratar de estandarizar la temperatura a la cual se debe hacer la evaluación de esta propiedad. King (1981) analizó detalladamente dicho efecto y recomienda que las pruebas de repelencia al agua se hagan con los suelos secos al aire o al horno. Roy y McGill (2002) proponen un protocolo para estandarizar la determinación del MED y advierten que la muestra de suelo debe estar seca al aire (para detalles ver Numeral del Capítulo 3). Ritsema et al (2000) recomiendan que para evaluar la persistencia de la repelencia al agua, el WDPT debe determinarse en las muestras con la humedad de campo y secas al aire y que cuando se pueda trabajar en atmósfera controlada, el WDPT debe determinarse a 20 C y 50% de humedad relativa. La recomendación de que la evaluación de la repelencia al agua se haga con las muestras secas al aire parece acertada debido a que cuando ellas se someten a secado completo en el horno (105 C en suelo o, aproximadamente, 65 C en arena), se establecen condiciones de trabajo que no se 73

81 van a tener nunca en el campo de manera que los valores de repelencia obtenidos, fuera de mostrar una condición de máximo potencial, no van a tener significado práctico. Se sabe, además, que la deshidratación extrema de las moléculas anfifílicas que se puede generar por efecto del secado al horno puede producir una reorientación de ellas que las lleva a unirse a los sólidos del suelo por su lado polar (hidrofílico) y a dejar su terminal no polar (hidrofóbica) expuesto hacia el espacio vacío del suelo, por el cual debería moverse el agua, volviendo el suelo severamente repelente al agua (Ma shum y Farmer, 1985; Doerr et al, 2000) CONTAMINACIÓN CON HIDROCARBUROS Una fuente importante de materiales hidrofóbicos para el suelo se presenta cuando en éste se producen derrames de petróleo y/o de sus derivados. Roy y McGill (1998) llamaron la atención acerca de la aparición de un número importante de parches repelentes al agua, generalmente menores de 2 ha, en los que se presentaba el suelo completamente desagregado, en la provincia de Alberta, Canadá. Estos parches se expresaban en sitios que habían tenido derrames de petróleo crudo desde hacía 20 a 50 años, presentaban el suelo polvoso y seco y tenían un espesor de entre 10 y 15 cm. Roy y McGill (2000) investigaron los mecanismos mediante los cuales se generaba la repelencia al agua en los suelos contaminados con petróleo. Colocaron suelo humectable sobre suelo contaminado con petróleo y encontraron que, después de 60 días de estar en contacto los dos suelos, aquel que inicialmente era humectable, se había tornado repelente al agua. Concluyeron de esta observación que los vapores emanados del petróleo almacenado en el suelo contaminado habían sido asimilados por el suelo normal que, después de ello, había cambiado su humectabilidad. En otro ensayo, mezclaron una unidad de masa de suelo repelente al agua hasta con 4 unidades de masa de suelo normal y comprobaron que las mezclas se tornaban severamente repelentes al agua. Roy et al (2000) estudiaron 27 sitios con antecedentes de haber tenido derrames de petróleo, en Alberta, Canadá y encontraron que en cada uno de los sitios investigados se presentaron entre 1 y 8 parches hidrofóbicos que variaron de tamaño entre 0.03 y 6.4 ha, con un tamaño promedio de 0.38 ha. El grado de repelencia al agua lo evaluaron mediante el MED en muestras superficiales tamizadas a 1 mm, encontrando 20 sitios severamente repelentes al agua (MED > 2.2. M) y 7 con MED 2.2 M. En 2 sitios se presentó un MED > 5 M. Aunque la tendencia general del MED fue a reducir su valor con la profundidad en el perfil del suelo, se presentaron algunas variaciones importantes en ella, como puede apreciarse en la Figura 2.8, en la cual se observa la distribución de los valores del MED en profundidad, obtenidos en tres sitios contrastados. 74

82 Molaridad del etanol (MED) Profundidad en el perfil (cm) FIGURA 2.8. Variación del MED con la profundidad del perfil del suelo en tres sitios contrastados, contaminados con derrames de petróleo en Canadá. Tomada de Roy et al (2000) NATURALEZA DE LOS COMPUESTOS HIDROFÓBICOS EN EL SUELO A pesar de que se sabe que los compuestos que inducen repelencia al agua en el suelo son orgánicos, la composición exacta de todos ellos está lejos de ser establecida completamente. Los trabajos de caracterización de los compuestos hidrofóbicos que se almacenan en el suelo se han desarrollado haciendo extracciones en una muestra de suelo con varios extractantes, principalmente orgánicos, bajo diferentes condiciones de temperatura; a continuación se concentra el extracto, generalmente con un rotoevaporador, y el residuo que queda es sometido a algunos análisis de caracterización de sus componentes como cromatografía, espectroscopía ultravioleta-visible, espectroscopía infrarroja o resonancia magnética nuclear. Una manera muy frecuente de hacer las extracciones en las muestras consiste en utilizar aparatos soxhlet, como el que se puede ver en la Figura 2.9. En la Figura 2.10 se presenta el extracto obtenido al someter un Andisol repelente al agua a extracción con una mezcla de etanol-benceno en un aparato soxhlet. Obsérvese en esta figura que en el recipiente se aprecian dos líquidos diferentes e inmiscibles que se separaron cuando se enfrió la mezcla, después de dejarla reposar al retirarla del soxhlet: el líquido que está en el fondo del recipiente constituye la fracción lipídica que se extrajo del suelo. Como se mencionó en el capítulo anterior, Doerr et al (2000) concluyen en su revisión que los compuestos que causan repelencia al agua en el suelo pueden reunirse en dos grupos: Uno de hidrocarburos alifáticos de cadenas largas de hidrógenos y carbonos que son no-polares y, por tanto insolubles en agua y, otro, representado por sustancias anfifílicas polares con un grupo terminal con cargas positivas o negativas (hidrofílico) y otro terminal sin cargas e hidrofóbico. Los compuestos de este último grupo, que comprende principalmente ácidos grasos, ésteres y 75

83 sales de ácidos grasos, parecen ser los principales componentes de los recubrimientos orgánicos observados en los suelos arenosos repelentes al agua. FIGURA 2.9. Equipo soxhlet utilizado para hacer extracciones en suelos con solventes orgánicos. LÍPIDOS FIGURA Separación de los lípidos extraídos con una mezcla de etanol benceno de un Andisol repelente al agua, bajo cobertura de Pinus patula. Miller y Wilkinson (1977) sometieron suelos arenosos de un campo de golf a extracción con NaOH y, por el comportamiento que presentó el extracto: espectro infrarrojo casi idéntico al de un ácido fúlvico publicado por Stevenson y Goh, el color pardo rojizo oscuro, la falta de precipitado al acidificar, su naturaleza no cristalina y su alto coeficiente de extinción, concluyeron que la composición de los recubrimientos orgánicos que estaban causando la repelencia al agua en los suelos estudiados correspondía a la de los ácidos fúlvicos. En un espectro UV que hicieron para el extracto obtuvieron una banda amplia de absorción en 208 nm, característica de los grupos COOH. Roberts y Carbon (1972) hicieron extracciones en suelos arenosos de Australia para retirar de ellos sustancias potencialmente hidrofóbicas. Utilizaron dietil-eter para extraer aceite, grasa y cera y etanol para extraer resinas; también utilizaron una mezcla de etanol-benceno para remover 76

84 lípidos y resinas. Algunas muestras fueron sometidas a tamizado antes de hacerles la extracción en el soxhlet. Sólo algunas de las muestras que fueron agitadas por el tamizado redujeron sensiblemente su grado de repelencia al agua, en las demás, las cantidades de materiales orgánicos extraídos no fueron suficientes para erradicar la repelencia al agua de los suelos. La mayor eficiencia en la extracción se obtuvo sometiendo las muestras a la acción de una mezcla de etanol-benceno durante 24 horas, después de haber sido agitadas, con lo que se extrajo alrededor de 18 % de materia orgánica de la muestra. Ma shum et al (1988) utilizaron varios solventes orgánicos para extraer los compuestos hidrofóbicos de suelos australianos. Luego de someter las muestras a extracción en aparatos soxhlet hasta que el solvente pasaba limpio a través de ellas, los suelos fueron secados a 105 C y su grado de repelencia al agua evaluado mediante el MED. Además, los materiales extraídos fueron adicionados a arenas cuarcíticas lavadas a las que se les determinó luego el MED. La única extracción que eliminó completamente la repelencia al agua en el suelo fue la que se hizo con una mezcla de isopropanol-amoniaco (7 : 3, v : v). Además, los solventes menos eficientes en la remoción de la repelencia al agua fueron los no polares utilizados: cloroformo, éter y tetracloroetileno. Algunos de los principales resultados de este trabajo se presentan en la Tabla 2.6. TABLA 2.6. Grado de repelencia al agua (MED) de un suelo de Australia sometido a extracción con varios solventes orgánicos y de una arena lavada a la que se le adicionaron los extractos obtenidos del suelo en una dosis 400 mg de material extraído kg -1 de arena. Datos tomados de Ma shum et al (1988). Solvente Suelo después del lavado (MED original = 3.5 M) MED (M) en Arena lavada con ácido después de agregarle extracto del suelo Cloroformo Tetracloroetileno Éter n-propanol Benceno : Etanol (2 : 1, v : v) Metanol Isopropanol : agua (7 : 3, v : v) Isopropanol : amoniaco (7 : 3, v : v) En la tabla anterior se aprecia que algunos de los solventes no redujeron el grado de repelencia al agua en el suelo, después de haber sido lavado con ellos. Sin embargo, al observar el efecto que tuvieron sobre el grado de repelencia que se generó en la arena, después de haberla impregnado con el extracto, se concluye que todos los solventes extrajeron algunos compuestos de carácter hidrofóbico del suelo. Hay una especificidad de los solventes por ciertos tipos de compuestos hidrofóbicos aunque, obviamente, no todos ellos tienen la misma importancia en la expresión del fenómeno en el suelo. Podría pensarse, además, que en el suelo se presentan algunas interacciones entre los compuestos hidrofóbicos, o entre ellos y otros componentes del suelo, que hacen que la repelencia al agua se manifieste o no bajo determinadas circunstancias. 77

85 Jaramillo (1996b) estudió 15 muestras de Andisoles con diferentes coberturas vegetales: Pinus patula, 12 muestras; Cupressus lusitanica, la muestra codificada como PBC1-1 y pasto kikuyo (Penisetum clandestinum), con antecedentes de plantación de ciprés, las muestras PS1 y PS2. Algunas de las muestras se tomaron relacionadas verticalmente: NV1 y NV2; PBT1 y PBT2 y PS1 y PS2; las del numero 2 se tomaron debajo de las del numero 1, teniendo en cuenta para separarlas, diferencias en el grado de repelencia al agua que presentaban en campo; la muestra PBT2 corresponde a un horizonte B, debido a que el horizonte A de este sitio es muy delgado; todas las otras muestras se ubicaron dentro del horizonte A del suelo. Los resultados obtenidos en el grado de repelencia al agua, después de someter las muestras a extracción sucesiva, primero con una mezcla de etanol-benceno y luego con una mezcla de isopropanol-amoniaco, en un aparato soxhlet, se presentan en la Tabla 2.7. TABLA 2.7. Grado de repelencia al agua en Andisoles antes y después de ser sometidos a extracción con una mezcla de etanol-benceno y luego con una mezcla de isopropanol-amoniaco. Datos tomados de Jaramillo (1996b). Código de la muestra WDPT (s) WDPT (s) después de la extracción con Original Etanol : Benceno Isopropanol : Amoniaco R1-2 > 3600 > NV1 > 3600 > L9 > 3600 > L8 > 3600 > S1-10 > 3600 > PBC1-1 > 3600 > Z3 > PBT L Z NV Z PBT PS PS En la tabla anterior se observa que el valor del WDPT en varias muestras permanece sin variar después de la extracción con etanol-benceno y que, en todos los casos, la extracción con isopropanol-amoniaco redujo considerablemente el grado de repelencia al agua en las muestras, aunque en varias de ellas permaneció algún remanente de repelencia que, como en el caso de la muestra codificada como R1-2, tuvo un valor muy alto. De todas formas, en estos resultados también se observan la selectividad de los extractantes y/o las posibles interacciones que se mencionaron anteriormente para los resultados de Ma shum et al (1988). Las diferencias en el comportamiento de las muestras trabajadas por Jaramillo (1996b) se materializan en las diferencias en color que presentan los extractos obtenidos, tanto entre los mismos solventes con muestras de diferente procedencia, como entre solventes distintos con muestras del mismo origen, como puede verse en la Figura

86 FIGURA Diferentes colores de los extractos obtenidos con mezclas de etanol-benceno (E/B) y de isopropanol amoniaco (I/A) en Andisoles repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, bajo cobertura de Pinus patula. Jaramillo (2000) hizo una caracterización preliminar de los extractos obtenidos con las muestras de Jaramillo (1996b), obteniendo resultados como los que se exponen en la Tabla 2.8. TABLA 2.8. Relación E 4 /E 6 de los espectros UV-VIS de los extractos de Andisoles repelentes al agua del oriente antioqueño, obtenidos con una mezcla de etanol-benceno y de isopropanol-amoniaco. Datos de Jaramillo (2000). Código de la muestra Relación E 4 /E 6 en el extracto con etanol-benceno isopropanol-amoniaco L L L NV NV PBC PBT PBT PS PS R S Z Z Z

87 Si se tiene en cuenta que la relación E 4 /E 6 es independiente de la concentración de los extractos (Baes y Bloom, 1990) y que Kononova (1982) establece que el valor de la relación E 4 /E 6 para los ácidos fúlvicos varía entre 6 y 8.5 y que los ácidos húmicos presentan relaciones menores a este rango, los altos valores de esta relación obtenidos con la mezcla de etanol-benceno sugieren que su composición corresponde a una fracción orgánica más afín con el tipo de los ácidos fúlvicos. La única muestra cuyo valor de E 4 /E 6 está en el rango de los ácidos húmicos, es la codificada como R1-2. En general, la relación E 4 /E 6 en los extractos de isopropanol-amoniaco fue mucho menor que la obtenida con los extractos de etanol-benceno, exceptuando las muestras R1-2 y S1-10, en las cuales los resultados fueron contrarios a los expuestos; con los resultados obtenidos se comprueba un cambio drástico en la composición de los materiales orgánicos extraídos con el segundo lavado de estos suelos, siendo éstos más afines al tipo de los ácidos húmicos. Jaramillo (2000) obtuvo espectros UV-VIS de todos los extractos y observó que: En la mayoría de las muestras los espectros de los extractos con isopropanol-amoniaco se ubicaron hacia la parte visible de los mismos, mientras que los extractos con etanolbenceno su ubicaron preferencialmente hacia la región ultravioleta, indicando que la mezcla de isopropanol-amoniaco extrae unos compuestos orgánicos un poco más humificados y/o más polares; solamente las muestras R1-2 y PBT2 desplazaron los espectros hacia la región visible, en los extractos con etanol-benceno. En términos generales, los espectros obtenidos con la mezcla de isopropanol-amoniaco son más sencillos que los obtenidos con etanol-benceno: sólo presentaron un pico. Prácticamente todas las muestras, en ambos extractos, presentan picos de absorción en la región comprendida entre 280 y 400 nm, así como hombros alrededor de 265 nm en el extracto de etanol-benceno, lo que es característico de la presencia de lignina en las sustancias orgánicas extraídas. Kumada (1987), aprovechando la información que suministran los espectros UV-VIS, propuso un sistema de clasificación de los ácidos húmicos, teniendo como uno de los parámetros de clasificación el log k = log E 4 log E 6, donde E 4 y E 6 representan la absorbancia a 400 y 600 nm, respectivamente. Un menor valor de log k implica que la sustancia evaluada tiene un mayor grado de humificación, mayor número de grupos funcionales ácidos y mayor hidrofobicidad. Según la primera aproximación de Kumada, los ácidos húmicos se pueden clasificar en 4 categorías, de acuerdo con sus propiedades espectroscópicas UV-VIS, así: Tipo A: Presenta log k < 0.6 Tipo B: Presenta log k entre 0.6 y 0.8 Tipo Rp: Presenta log k entre 0.8 y 1.1 Tipo P: Presenta picos de absorción en el espectro cerca a 615, 570 y 450 nm. Rivero y Paolini (1994) han resumido algunas relaciones básicas entre los diferentes tipos de ácidos húmicos de Kumada, estableciendo que la acidez total, el contenido de grupos carboxilo y 80

88 carbonilo y el contenido de nitrógeno total decrecen en el sentido: Rp > Po > B > A, en tanto que el contenido de grupos hidroxilo y metoxilo decrece en el sentido: A > B > Po > Rp. En la Tabla 2.9 se presentan los valores obtenidos para el log k en los extractos con cada una de las mezclas utilizadas para lavar las muestras de los suelos analizados, así como el tipo de sustancia orgánica que predomina en cada muestra y en cada extracto, utilizando la terminología propuesta por Kumada (1987) para identificarla. TABLA 2.9. Tipo general de sustancias orgánicas extraídas de Andisoles repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, oriente antioqueño, con mezclas de etanol-benceno y de isopropanolamoniaco. Datos de Jaramillo (2000). Código de la Extracto con etanol-benceno Extracto con isopropanol-amoniaco muestra log k TIPO log k TIPO L Rp 0.89 Rp L Rp 0.88 Rp L Rp 0.93 Rp NV Rp 0.98 Rp NV Rp 0.80 Rp/B PBC Rp 0.91 Rp PBT Rp 0.84 Rp PBT Rp 0.93 Rp PS Rp 0.99 Rp PS Rp 0.91 Rp R B 0.80 Rp/B S Rp 0.95 Rp Z Rp 0.96 Rp Z Rp 1.02 Rp Z Rp 0.91 Rp En la Tabla 2.9 se ve que las sustancias orgánicas extraídas por ambas mezclas de solventes corresponden, en su gran mayoría, al tipo Rp; así mismo, los valores de log k tienden a ser menores en los extractos obtenidos con la mezcla de isopropanol-amoniaco, lo que indica que esta mezcla es capaz de extraer compuestos con mayor grado de humificación que los removidos por la mezcla de etanol-benceno, aunque en ambos casos los materiales extraídos son poco evolucionados, desde el punto de vista de la humificación. El extracto de la muestra R1-2, con etanol-benceno, contiene sustancias orgánicas tipo B y el de esta muestra y el de la muestra NV2, obtenidos con isopropanol-amoniaco, presentan compuestos que están en el límite entre los tipos Rp y B; en estas muestras, los compuestos extraídos presentan un mayor grado de humificación que en las demás. Al comparar los resultados de muestras provenientes de las mismas plantaciones, como son las muestras Z2, Z3 y Z4, así como las muestras L1-2, L8 y L9, se observa también que entre ellas hay diferencias en los valores de log k que presentan; todas las diferencias analizadas pueden estar relacionadas con diferencias en el tipo e/o intensidad de uso que presentaban los suelos antes de la explotación actual, lo cual pudo inducir diferencias importantes en el tipo y/o cantidad 81

89 de material orgánico aportado al suelo, con la consecuente diferencia en los productos que en él se acumularon, por efecto de los procesos de humificación a que estuvieron sometidos. Las sustancias orgánicas de tipo Rp encontradas, corresponden en su gran mayoría al subtipo Rp(2), pues provienen de horizontes con alto contenido de material orgánico fresco; sólo los materiales de las muestras PS2, NV2 y PBT2, corresponden al subtipo Rp(1), ya que provienen de horizontes A ó B del suelo (Jaramillo, 2000). Los resultados encontrados por Jaramillo (2000) concuerdan con lo que han encontrado otros investigadores, en el sentido de que los compuestos que inducen hidrofobicidad en el suelo, corresponden a una fracción de la materia orgánica que tiene un bajo grado de humificación (Giovannini y Lucchesi, 1984; Ma shum et al, 1988; Jaramillo, 1992, 1996b; Jaramillo et al, 1997; entre otros). Téngase en cuenta que investigadores como Robert y Carbon (1972) afirman que depósitos de materiales orgánicos frescos pueden producir repelencia al agua en el suelo y Crockford et al (1991), Bisdom et al (1993) y Franco et al (1995) han comprobado que hay una estrecha relación entre la repelencia al agua que exhiben los suelos y la cantidad de materia orgánica relativamente fresca y finamente dividida que tenga ese suelo. Como en los lavados hechos con solventes orgánicos se ha visto que la polaridad de los solventes es un factor determinante en la extracción de los compuestos hidrofóbicos almacenados en el suelo, Jaramillo et al (1997) diseñaron un experimento para someter un suelo fuertemente repelente al agua a extracciones con mezclas de solventes de diferente grado de polaridad y observar el comportamiento del grado de repelencia al agua después de cada lavado. Al someter el suelo a extracciones exhaustivas con mezclas de polaridad entre 0 y 6, en orden creciente y decreciente de polaridad y, después de cada extracción, determinarles el WDPT, Jaramillo et al (1997) obtuvieron los resultados que se exponen en la Tabla TABLA Grado de repelencia al agua (WDPT en segundos) adquirido por un Andisol después de ser sometido a lavados sucesivos y exhaustivos con mezclas de solventes orgánicos de diferente polaridad, en dos sentidos de extracción: Aumentando y disminuyendo el nivel de polaridad de las mezclas. Datos de Jaramillo et al (1997). Orden de la WDPT (s) después de lavar con mezcla de polaridad extracción* Ascendente > 1800 > 1800 > 1800 > 1800 > Decreciente > 1800 > 1800 > 1800 > 1800 > > 1800 * Ascendente empieza el lavado con polaridad 0 y termina con polaridad 6. Descendente empieza con polaridad 6 y termina con polaridad 0. De la tabla anterior vale la pena resaltar: Al hacer los lavados con las mezclas de polaridad en sentido creciente, las polaridades más altas son las únicas capaces de eliminar totalmente la repelencia al agua en el suelo, convirtiéndolo en completamente humectable al final de la extracción. Cuando se hacen los lavados en sentido decreciente de polaridad, sólo la polaridad 5 es capaz de eliminar completamente la repelencia al agua en el suelo pero, si se continúa el 82

90 lavado con mezclas de polaridades menores, el suelo vuelve a adquirir la repelencia al agua y, al terminar la extracción, vuelve a quedar severamente repelente al agua. El comportamiento descrito anteriormente hace pensar en que la materia orgánica se distribuye en el suelo en forma de capas de composición y grado de humificación diferentes, que puede incluir alternancia de materiales repelentes al agua con materiales humectables. Puede decirse que las últimas capas de materia orgánica acumuladas, menos evolucionadas, son poco o nada polares y por ello son removidas fácilmente por solventes suaves. A medida que se van desprendiendo capas de material orgánico van apareciendo otras nuevas, más antiguas y más evolucionadas, que requieren de solventes más fuertes para ser removidas. Cuando el lavado se hace en forma decreciente de polaridad, las altas polaridades con que se inicia el lavado son capaces de remover mucho del material orgánico hidrofóbico acumulado en las capas más externas pero, al reducir la polaridad de los solventes a un determinado nivel, ya esta polaridad no es capaz de remover los nuevos materiales expuestos debido a que se presenta una alta diferencia de polaridad entre ellos. El comportamiento descrito en los párrafos anteriores se ajusta exactamente a las observaciones hechas por De Kimpe y Schnitzer (1990) que sostienen que los cambios que se observan en la composición de los ácidos húmicos y fúlvicos, cuando son sometidos a calentamiento a bajas temperaturas, se deben a que la oxidación de dichos compuestos es una reacción homogénea de superficie en la que moléculas orgánicas son separadas capa por capa, sin alterar o dañar las capas residuales que quedan, como cuando se desbarata una cebolla de huevo. Para estudiar la variabilidad en la composición de los materiales orgánicos extraídos con las diferentes polaridades, Jaramillo et al (1997) recolectaron los extractos obtenidos con las mezclas de polaridad 5 y 6 en el Andisol que trabajaron, partiendo de diferentes condiciones iniciales, así: Extracto 1 (E1): Obtenido con polaridad 5, después de lavar con polaridades entre 0 y 4. Extracto 2 (E2): Obtenido con polaridad 6, después de lavar con polaridades entre 0 y 5. Extracto 3 (E3): Obtenido con polaridad 5, sin haberle hecho ningún lavado previo. Extracto 4 (E4): Obtenido con polaridad 6, sin haberle hecho ningún lavado previo. Extracto 5 (E5): Obtenido con polaridad 5, después de lavar con polaridad 6 únicamente. Extracto 6 (E6): Obtenido con polaridad 6, después de lavar con polaridad 5 únicamente. Extracto 7 (E7): Obtenido con la mezcla de E1 y E2. Extracto 8 (E8): Obtenido con la mezcla de E3 y E4. Extracto 9 (E9): Obtenido con la mezcla de E5 y E6. Extracto 10 (E10): Obtenido con la mezcla de E3 y E6. Extracto 11 (E11): Obtenido con la mezcla de E4 y E5. Los extractos anteriores fueron adicionados a un Andisol humectable y a una arena cuarcítica lavada y fraccionada entre 0.5 y 1 mm, en dosis de 0.1 % de extracto seco con respecto al peso de la muestra seca al aire; los materiales de prueba se secaron a 45 C durante 24 horas y luego se les determinó el WDPT. Los resultados de este ensayo se encuentran en la Tabla

91 TABLA WDPT (s) inducido en un Andisol humectable y en arena cuarcítica lavada por la adición de extractos provenientes de un Andisol repelente al agua obtenidos con mezclas de polaridad 5 y 6 bajo diferentes condiciones iniciales de lavado (promedio de 5 determinaciones). Datos de Jaramillo et al (1997). Tratamiento* WDPT (s) después del tratamiento, en Andisol humectable Arena lavada T0 0 0 T ± 0.36** 0 E1 1.2 ± ± 0.23 E ± ± 0.05 E ± ± 2.14 E4 4.7 ± ± 1.89 E ± ± 0.44 E ± ± 0.17 E ± ± 0.11 E ± ± 11.8 E ± ± 0.22 E ± ± 1.89 E ± ± 1.92 * T0: Testigo absoluto sin extracto y sin solventes. T1: Testigo al que se le aplicó mezcla con polaridad 5 pero ningún extracto. ** Promedio ± desviación estándar. Los resultados de la tabla anterior ponen de manifiesto: Primero: Grandes diferencias en el grado de repelencia al agua que se desarrolla en las muestras, relacionado con el origen de los extractos añadidos a ellas. Segundo: Grandes diferencias en el grado de repelencia al agua que se desarrolla en las muestras de suelo y de arena, cuando se les adiciona el mismo extracto. Tercero: Una tendencia a producir un mayor grado de repelencia al agua en la arena con la mayoría de los extractos utilizados. Cuarto: En el suelo, que posee algo de materia orgánica, la aplicación de los solventes solos es capaz de generar algo de repelencia al agua, lo que implica que hubo alguna interacción entre ellos y la fracción orgánica nativa del suelo. Quinto: La interacción entre los componentes del suelo y los solventes tiende a reducir el grado de repelencia al agua que se puede generar en el suelo por la adición de nuevos componentes hidrofóbicos al mismo. Aparentemente hay una especie de capacidad amortiguadora de la repelencia al agua por parte del suelo que no tiene la arena, debido a su carácter físico-químico inerte. Sexto: Se observa que la concentración de los materiales orgánicos no es el único factor que controla el grado de repelencia al agua que puede desarrollar un suelo; también hay un componente de composición de esos materiales que juega un papel fundamental en la manifestación del fenómeno. Para detallar aún más la complejidad de la repelencia al agua en el suelo y la variedad de componentes que se encuentran comprometidos en ella, Jaramillo et al (1997) mezclaron los 84

92 extractos obtenidos del lavado del Andisol repelente al agua con las mezclas de polaridad 5 y 6 y los sometieron a una separación por cromatografía de capa fina; con este procedimiento obtuvieron 11 fracciones de compuestos; adicionaron cada una de las fracciones a un Andisol humectable y a una arena cuarcítica lavada con ácido y evaluaron el grado de repelencia al agua que generaban; los resultados de este ensayo se presentan en la Tabla TABLA Grado de repelencia al agua (WDPT en segundos) inducido en un Andisol humectable y en arena cuarcítica lavada por la adición de las diferentes fracciones componentes de un extracto obtenido del lavado de un Andisol severamente repelente al agua con una mezcla de solventes con polaridades 5 y 6. Datos de Jaramillo et al (1997). Fracción* WDPT (s) en Andisol humectable Arena cuarcítica lavada 1 > 1800 > ± 3.42** 0.70 ± ± ± ± ± ± 0.58 > ± ± ± ± ± ± ± ± * El número indica el orden en que se fueron recuperando las fracciones. Las fracciones 5 y 6 fueron muy similares y se mezclaron en la 5. ** Promedio de 5 replicaciones ± desviación estándar. También en los resultados de la Tabla 2.12 se presentan diferencias notables entre el grado de repelencia al agua que induce una determinada fracción en los dos materiales utilizados para probarla. Además, con la mayoría de las fracciones, en la arena se genera mayor grado de repelencia al agua que en el suelo, confirmándose el posible efecto amortiguador que tiene el suelo frente a la hidrofobicidad. Los resultados de las Tablas 2.11 y 2.12 muestran que hay unos compuestos hidrofóbicos que son capaces de manifestarse por sí mismos, es decir, inducen repelencia al agua en materiales inertes como la arena, mientras que hay otros que se manifiestan sólo cuando pueden interactuar con otros componentes, como en el caso del suelo. Esto llevó a Jaramillo et al (1997) a definir dos tipos de repelencia al agua: Hidrofobicidad activa: Aquella que se manifiesta cuando hay otros compuestos que interactúan con los hidrofóbicos, es decir, la que se manifiesta en el suelo. Hidrofobicidad posible: La que se expresa por sí misma cuando los compuestos orgánicos son adicionados a materiales inertes como la arena cuarcítica lavada con ácido. Obviamente puede pasar a ser activa cuando encuentre las condiciones adecuadas para interactuar con los otros compuestos que requiere. 85

93 La diferenciación hecha en el párrafo anterior implica que el uso de la arena cuarcítica lavada con ácido como sustrato para probar la repelencia al agua de extractos obtenidos de materiales potencialmente hidrofóbicos, no siempre es adecuado para predecir el comportamiento de ellos en un suelo específico. Las interacciones requeridas que se mencionaron anteriormente también fueron confirmadas por Jaramillo et al (1997). Sometieron un Andisol humectable a lavado con los solventes de polaridades entre 0 y 6, recolectaron los extractos y los adicionaron a otro Andisol humectable, a la fracción entre 0.5 y 1 mm de arena cuarcítica lavada con ácido y a un Vertisol completamente humectable, en dosis de 0.1 % de extracto seco con respecto al peso de la muestra de prueba utilizada. Se determinó el WDPT en las muestras secadas a 45 C, 24 horas y dejadas a temperatura ambiente por 3 días. En la Tabla 2.13 se presentan los resultados obtenidos. TABLA 2.13 WDPT (s) inducido en un Andisol humectable, en arena cuarcítica lavada y en un Vertisol humectable por la adición de extractos provenientes de un Andisol humectable, obtenidos con mezclas de polaridad entre 3 y 6 (promedio de 5 determinaciones). Datos de Jaramillo et al (1997). Polaridad del extracto* WDPT (s) inducido en Andisol humectable Arena lavada Vertisol humectable T ± 0.56** 0.94 ± ± ± ± ± ± ± * T0: Testigo absoluto: No se le aplicaron ni extracto ni solventes. Con las mezclas de polaridades 0, 1 y 2 no se obtuvo material orgánico en la extracción. ** Promedio ± desviación estándar. Obsérvese de la tabla anterior que: El desarrollo de la repelencia activa al agua requiere interacciones específicas con algunos de los componentes del suelo: Nótese que los extractos que producen repelencia en el Andisol, no la ocasionan en el Vertisol. Los compuestos hidrofóbicos no están exclusivamente en suelos que manifiesten algún grado de repelencia al agua. Los suelos humectables también los tienen, como lo han observado otros investigadores: Horne y McIntosh (2000) y Doerr et al (2002a). Se sigue presentando la alta variabilidad diferencial en la expresión de la repelencia al agua en los diferentes materiales utilizados para probarla. El Vertisol tiene una alta capacidad amortiguadora de la hidrofobicidad, posiblemente debida a su alto contenido de arcilla y/o al tipo de la misma. Con los resultados expuestos en la Tabla 2.13 para el comportamiento de la arena, se hizo una regresión entre el grado de repelencia al agua generado en ella y la polaridad del extracto que se le adicionó, obteniéndose el modelo que se presenta en la gráfica de la Figura En la gráfica mencionada se puede apreciar el gran efecto que tiene la composición específica de los compuestos orgánicos sobre la repelencia al agua que se puede llegar a generar en los suelos. 86

94 De la información que se ha presentado hasta aquí, acerca de la naturaleza de los compuestos hidrofóbicos que se acumulan en los suelos, es claro que se trata de compuestos que han tenido un grado de humificación muy bajo y que, estrictamente hablando, no corresponden al humus del suelo sino al componente orgánicos del mismo conocido como materia orgánica no húmica o, también, como precursores húmicos. FIGURA Relación entre la polaridad y el grado de repelencia al agua generado en arenas lavadas a las que se les agregaron diferentes extractos obtenidos de un Andisol humectable bajo cobertura de Pinus patula. Tomada de Jaramillo et al (1997). Senesi et al (1983) concluyeron en sus estudios que los compuestos removidos del suelo por solventes orgánicos no polares (benceno entre ellos), eran complejos alifáticos heterogéneos compuestos de diversos lípidos como grasas, ceras, terpenos, esteroles, etc., los cuales son sustancias consideradas no húmicas; al aumentar la polaridad de los solventes, encontraron que iba decreciendo el carácter alifático de los extractos, aumentaba su aromaticidad y se oscurecía su color. Entre los grupos de compuestos orgánicos que más frecuentemente se han encontrado asociados con la hidrofobicidad de los suelos, han sido identificados ácidos grasos de cadenas largas, (Ma shum et al, 1988) y ácidos fenólicos (Giovannini y Lucchesi, 1984), con carácter alifático predominante. Ma shum et al (1988) encontraron que los materiales repelentes al agua extraídos de suelos australianos con una mezcla de isopropanol-amoniaco correspondían a ácidos grasos de cadenas largas de entre 16 y 32 átomos de carbono, siendo los más abundantes los de 16 y 22 carbonos. 87

95 Pérez et al (1998) analizaron 7 muestras de suelos brasileros, con diferente grado de repelencia al agua, mediante extracción con varios solventes orgánicos. Los extractos fueron fraccionados con un análisis de cromatografía de capa fina y las fracciones analizadas en un cromatógrafo de gases. Encontraron que los compuestos responsables de la hidrofobicidad fueron n-alcanos alifáticos, ramificados o no, de 16 a 35 átomos de carbono y ácidos grasos libres de 14 a 34 átomos de carbono, también ramificados o no. Concluyeron que las sustancias aisladas provenían de plantas superiores de la cobertura vegetal nativa de la zona, debido a que los alcanos más abundantes fueron los de 25, 27, 29, 31 y 33 carbonos que, a su vez, son predominantes en las ceras de los grupos de palmeras del sitio de trabajo. Jaramillo (2000), con base en espectros infrarrojos y ultravioleta visibles de extractos obtenidos de Andisoles con diferentes grados de repelencia al agua, concluyó que los compuestos responsables de la hidrofobicidad en dichos suelos correspondían a ácidos carboxílicos alifáticos de cadenas largas y que era poco probable la presencia de compuestos aromáticos en ellos. Roy et al (1999) lavaron suelos repelentes al agua provenientes de derrames de petróleo con varios solventes orgánicos y sometieron los extractos a cromatografía de gases y espectroscopía de masas y encontraron que los compuestos repelentes al agua correspondían a series homólogas de compuestos orgánicos alifáticos policíclicos de cadena larga, principalmente n-ácidos grasos, n-alcanos y cicloalcanos, todos originados en el petróleo, más que en la vegetación o en los microorganismos. Horne y McIntosh (2000) observaron que para remover efectivamente los compuestos hidrofóbicos de un suelo arenoso de Nueva Zelanda fue necesaria una mezcla de una base y un alcohol y, utilizando una mezcla de isopropanol-amoniaco, con ayuda de un aparato soxhlet, después de 4 horas de reflujo removieron toda la hidrofobicidad del suelo, la cual estuvo controlada por dos grupos de compuestos: Lípidos y sustancias solubles en agua. Los lípidos incluían tres fracciones: Neutros, ácidos y polares. Las principales características de estos grupos de compuestos son: 88 Lípidos neutros: Son predominantemente alcanos de cadenas largas: entre 23 y 33 átomos de carbono, con mayor abundancia de los de 29 carbonos y triglicéridos. Lípidos ácidos: Son ácidos grasos de cadenas largas. Los que se presentaron en mayor cantidad fueron los ácidos palmítico, palmitoleico, oleico y linoleico. Lípidos polares: Son principalmente ácidos húmicos de alto peso molecular, no dializables y cuya solubilidad depende del ph. Son solubles en cloroformo en medio ácido y en agua en condiciones alcalinas. Compuestos solubles en agua: Son similares a los ácidos himatomelánicos de los ácidos húmicos. Los compuestos de este grupo son solubles en acetato de etilo. Horne y McIntosh (2000) adicionaron toda la fracción de lípidos que extrajeron de un suelo repelente al agua y de otro humectable a un grupo de suelos para estudiar el efecto de estos materiales sobre el comportamiento de la repelencia al agua en ellos. Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla En esta tabla se aprecia cómo todos los lípidos, sin importar su origen, incrementaron fuertemente el grado de repelencia al agua de todos los suelos donde se aplicaron. Además, hubo la tendencia a que el incremento en el MED fuera mayor cuando se

96 aplicaban los lípidos extraídos del suelo humectable. Los resultados expuestos ponen de manifiesto la importancia del papel que juegan los lípidos en la repelencia al agua de los suelos. TABLA Efecto de la aplicación de lípidos extraídos de un suelo repelente al agua y de otro humectable, sobre el comportamiento de la repelencia al agua de varios suelos de Nueva Zelanda. Datos de Horne y McIntosh (2000). MED (M) Suelo Después de aplicarle Después de aplicarle Original lípidos de suelo lípidos de suelo repelente al agua* humectable** Waitarere arenoso Himatangi arenoso Foxton negro arenoso Castlecliff arenoso Manawatu franco arenoso fino * Extraídos del suelo Himatangi arenoso. ** Extraídos del suelo Manawatu franco arenoso fino. Franco et al (1995) concluyeron que la repelencia al agua que observaron en suelos arenosos de Australia, era producida por un grupo de ceras hidrofóbicas que componían los recubrimientos orgánicos de los granos de arena y que también se encontraban en la materia orgánica particulada presente en dichas arenas. Franco et al (2000b) obtuvieron extractos hidrofóbicos de ceras polares y no polares de las arenas y de varios componentes orgánicos y microbiológicos asociados con ellas como litter de árboles, hojas y corteza de eucalipto, plantas de Lupinus sp. y de Medicago sp., así como de hongos y ascomicetos aislados del suelo. Todos los compuestos derivados del material vegetal y de la arena fueron muy similares químicamente, predominando los ácidos grasos de cadenas simples y ramificadas, ésteres de ácidos grasos, alcanos, fitoles, fitanoles y esteroles. Los ácidos grasos y los ésteres probablemente fueron los que dieron las características hidrofóbicas a los componentes no polares, en tanto que los otros compuestos le imprimieron ese carácter a las ceras polares. Los extractos de los microorganismos fueron muy diferentes a los demás, estando libres de fitoles todos y, además de esteroles, los actinomicetos RELACIÓN REPELENCIA AL AGUA MATERIA ORGÁNICA En muchos trabajos se ha intentado relacionar el grado de repelencia al agua del suelo con su contenido de materia orgánica. En algunos de ellos se han logrado establecer relaciones significativas estadísticamente, aunque con coeficientes de determinación relativamente bajos y poco satisfactorios desde el punto de vista de las posibilidades de hacer predicciones acerca de la eventual manifestación del fenómeno en un suelo dado, con un determinado contenido de materia orgánica, como puede verse en la Tabla Se observa en la Tabla 2.15 que cuando el modelo de regresión sólo incluye el contenido orgánico del suelo, los coeficientes de determinación son muy bajos; cuando se recurre a un modelo de regresión más complejo, el R 2 aumenta, lo que implica que hay ciertas interrelaciones entre componentes del suelo que ejercen algún control sobre la manifestación de la repelencia al agua en él, lo que confirma lo expuesto en párrafos anteriores acerca de la hidrofobicidad activa. 89

97 Las interrelaciones mencionadas también se evidencian en la amplia variación que hay en los valores de R 2, cuando se utilizan las mismas variables en el modelo pero en suelos diferentes. TABLA Algunas regresiones lineales estadísticamente significativas obtenidas entre el grado de repelencia al agua y el contenido de materia orgánica por algunos autores. Expresión de la repelencia al agua 90 Expresión del contenido de materia orgánica* Otras variables relacionadas R 2 del modelo (%) Fuente Ángulo de contacto CO - 24 Scott (2000) Tensión superficial Área superficial del CO crítica suelo 46 Scott (2000) Log WDPT Log CO - 36 McKissock et al (2003) Log WDPT Log CO Log Arcilla 37 McKissock et al (2003) Log WDPT Log CO Log Arcilla + Limo 54 McKissock et al (2003) WDPT MO - 51 Mataix-Solera y Doerr (2004) Ángulo de contacto MO - 38 engönül (1987) Log WDPT Log CO Harper y Hilkes (1994) Log WDPT Log CO Log Arcilla, Log Fe 63 Harper y Hilkes (1994) Log WDPT Log CO McKissock et al (1998) Log WDPT Log CO Log Arcilla McKissock et al (1998) Log WDPT Log CO Log (Arcilla + Limo) 48 McKissock et al (1998) Log WDPT Log CO Log (Arcilla + Limo), Log Arena fina 54 McKissock et al (1998) Log WDPT Log CO Log Limo 37 McKissock et al (1998) MED** COT - 79 Wallis et al (1990a) WDPT** COT - 60 Singer y Ugolini (1976) * CO: Carbono orgánico determinado por combustión húmeda. MO: CO expresado como contenido de materia orgánica. MOT: Contenido de materia orgánica por calcinación de la muestra. COT: MOT expresada en términos de carbono orgánico. ** En estos casos la relación se hizo con muestras tomadas en el sentido vertical, es decir, en el mismo perfil del suelo; en los demás casos, las muestras corresponden a los horizontes superficiales de los suelos analizados Nótese en la tabla anterior que los mayores valores de R 2 en la regresión simple de grado de repelencia al agua vs contenido orgánico, se presentan cuando ella se hace con muestras del mismo suelo tomadas con una distribución vertical en su perfil, lo cual puede deberse, precisamente, a que así se están eliminando factores de distorsión originados por cambios en los componentes inorgánicos del suelo, en el tipo de material orgánico que se le ha aportado a través del tiempo, en su población microbial, en su pedogénesis, etc. En la Figura 2.13 se presenta la relación obtenida entre el grado de repelencia al agua de Andisoles secados al aire de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, bajo cobertura de Pinus patula, y el contenido de materia orgánica que ellos poseían. En la primera gráfica se muestra la relación estrecha que se presentó entre el contenido de materia orgánica determinado por calcinación (materia orgánica total) y el determinado por combustión húmeda; sin embargo, al discriminar los valores de materia orgánica según las clases de WDPT propuestas por Dekker y Jungerius (1990), es evidente, por lo menos en la clase 4 que tiene suficiente cantidad de muestras, que no hay ninguna relación entre el contenido de materia orgánica y el WDPT del suelo.

98 Cuando en la Figura 2.13 se graficaron los valores del contenido de materia orgánica contra el MED o contra el ángulo de contacto es obvio que no hay una buena relación entre las variables y, cuando se utilizó la materia orgánica total, la relación con la repelencia al agua fue más caótica que con la materia orgánica determinada por combustión húmeda, por lo que esta última es la que se muestra en la Figura Mediante un análisis de regresión se obtuvo un modelo lineal estadísticamente significativo (P < 0.01) entre el contenido de materia orgánica y el MED, aunque con un coeficiente de determinación supremamente bajo (R 2 = 10%). Ninguno de los métodos utilizados para evaluar el grado de repelencia al agua en estos suelos severamente repelentes al agua es capaz de diferenciar pequeñas variaciones en la hidrofobicidad y relacionarlas con variaciones en la cantidad de materia orgánica almacenada en el suelo. FIGURA Relación entre el grado de repelencia al agua, medida por varios métodos y en muestras secas al aire, y el contenido de materia orgánica en Andisoles bajo cobertura de Pinus patula (n = 76). En las dos gráficas inferiores, el contenido de materia orgánica se determinó por combustión húmeda. 91

99 En otro experimento se tomaron muestras del horizonte A de Andisoles bajo diferentes coberturas vegetales, también en la cuenca de la quebrada Piedras Blancas; se secaron en estufa a 35 y a 105 C para evaluarles la repelencia al agua; al relacionar la repelencia con el contenido de materia orgánica (por combustión húmeda) se presentaron los resultados que se aprecian en la Figura 2.14 con los que se obtuvieron regresiones significativas estadísticamente entre el Log del contenido de materia orgánica y la repelencia a 35 y a 105 C, aunque con coeficientes R 2 de 30% y 21%, respectivamente. FIGURA Relación entre el contenido de materia orgánica (por combustión húmeda) y el WDPT de muestras de Andisoles repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, bajo diferentes coberturas vegetales, después de ser secados a 35 y a 105 C. (n = 85). Algunas de las muestras recolectadas para el experimento anterior fueron fraccionadas en dos tamaños: Entre 1 y 2 mm y < 1 mm; se les determinó el contenido de materia orgánica por combustión húmeda en cada una de las fracciones y el WDPT después de secarlas a 35 C. Se hicieron análisis de regresión lineal simple y se obtuvieron los resultados de la Tabla En este ensayo se siguen obteniendo coeficientes de determinación relativamente bajos y se aprecia que cuando las determinaciones se llevan a cabo en muestras tamizadas a 1 mm, dichos coeficientes mejoran un poco. Al hacer un análisis de comparación de muestras para las variables relacionadas, mediante la prueba de Kruskal-Wallis, no se encontró diferencia significativa entre ellas. TABLA Relación entre el contenido de materia orgánica por combustión húmeda (MO) y el WDPT en muestras de Andisoles bajo diversas coberturas vegetales, secadas a 35 C y fraccionadas en dos tamaños: entre 1 y 2 mm y < 1 mm (n = 28). Variables relacionadas Dependiente Independiente R 2 Valor de P WDPT sin fraccionar* MO sin fraccionar* WDPT < 1 mm MO < 1 mm WDPT 1 a 2 mm MO 1 a 2 mm * Muestras tamizadas a 2 mm. Harper y Gilkes (1994) agruparon los suelos que trabajaron en 5 Clases de Campo, con base en la textura y la consistencia en seco del horizonte Ap e hicieron regresiones lineales entre el grado de 92

100 repelencia al agua {log (WDPT)} y el contenido de carbono orgánico {log (C.O.)} dentro de cada clase; encontraron que en algunas clases se presentaba una relación significativa entre dichas variables, pero con coeficientes de determinación (R 2 ) menores de 0.5; concluyeron de sus análisis que el papel de la materia orgánica en la generación de repelencia al agua en el suelo decrece en la medida en que se incrementa el contenido de arcilla en él. Con respecto a la manifestación de la repelencia al agua hay una buena cantidad de investigadores que han concluido de sus trabajos que no es la cantidad sino el tipo de materia orgánica que tenga el suelo, lo que hace que se manifieste la repelencia al agua en él : DeBano et al (1970), Singer y Ugolini (1976), Jaramillo (1992), Wallis et al (1993), Pérez et al (1998), Hallett et al (2001), Peng et al (2003), entre muchos otros. La afirmación anterior se puede ilustrar con los resultados que presentan algunos investigadores donde resaltan las pequeñas cantidades de material que se requieren para generar repelencia al agua. Por ejemplo, Savage et al (1969a) establecieron que la concentración mínima de ácidos húmicos requerida para generar repelencia al agua detectable en arenas lavadas es de 0.05% y en suelo franco arenoso tamizado a 1 mm, es de 0.5%. DeBano et al (1970) encontraron que extractos con concentración de 0.02% de material orgánico produjeron repelencia al agua en arenas y DeBano, citado por Wallis et al (1993), al observar las inconsistencias entre el contenido de materia orgánica y el grado de repelencia al agua, concluyó que sólo una fracción de la materia orgánica total era responsable por la repelencia. McGhie y Posner (1980) obtuvieron ángulos de contacto mayores a 90 en arena calcinada, al agregarle apenas 4% de litter molido a menos de 100 m y McGhie y Posner (1981), con adiciones de 2% de materia orgánica ( 0.9% de carbono orgánico), como litter molido a menos de 1 mm, causaron repelencia severa al agua en arenas calcinadas. Giovannini et al (1983) aplicaron un extracto obtenido con una mezcla de etanol-benceno de un suelo repelente al agua de Italia, a una arena y, con dosis de 0.1%, generaron un WDPT de 240 segundos, mientras que con una dosis de 0.25%, la arena se tornó completamente repelente al agua. Jaramillo et al (1997) lavaron raíces molidas de Pinus patula con una mezcla de solventes orgánicos de polaridades 5 y 6 y el extracto obtenido lo aplicaron a una arena lavada, en concentración de 0.4%, generando un WDPT de 3.74 segundos. Además, extractos obtenidos de Andisoles repelentes al agua con solventes de diferentes polaridades, aplicados a Andisoles humectables y a arenas lavadas en dosis de 0.1%, produjeron repelencia al agua detectable y de diversos grados, dependiendo de la polaridad del extracto. La afirmación de que no es la cantidad sino la calidad de la materia orgánica la que controla la repelencia al agua también se soporta en otros trabajos que, sin ofrecer datos concretos de contenidos orgánicos, llegan a esa misma conclusión. Fink (1970) mostró que el grado de repelencia al agua, en arenas humectables, se iba incrementando rápidamente al adicionarle 93

101 cantidades crecientes de materiales hidrofóbicos pero que llegaba un momento en el cual, nuevas adiciones de compuestos hidrofóbicos no incrementaban la repelencia al agua en la arena. McKissock et al (1998) observaron que el grado de repelencia al agua es diferente con iguales contenidos de materia orgánica pero bajo diferentes coberturas vegetales y, además, que a bajos contenidos de materia orgánica, los valores de WDPT en suelos bajo cobertura de rastrojos fueron mucho menores que en los mismos suelos con praderas o con cultivos, lo que demuestra la especificidad que debe haber en el tipo de materia orgánica del suelo para que se manifieste en él la repelencia al agua. Horne y McIntosh (2000) concluyen en su trabajo que la repelencia al agua en el suelo está controlada por la composición o naturaleza del material que se encuentra en la superficie más externa de los recubrimientos orgánicos y no por las características globales de la materia orgánica total que tenga el suelo. Roy y McGill (1998) compararon suelos repelentes al agua formados en derrames de petróleo con suelos humectables adyacentes y no encontraron diferencias importantes entre las propiedades químicas de ellos. Atribuyen algunas diferencias en propiedades físicas y biológicas a diferencias en la calidad de la materia orgánica que ambos grupos de suelos poseen. Para esclarecer un poco el efecto de la calidad de la materia orgánica sobre la repelencia al agua, McKissock et al (2003) determinaron el contenido de carbono alifático del suelo mediante la obtención de un espectro infrarrojo de reflectancia difusa con transformada de Fourier y obtuvieron una mejor predicción de la repelencia al agua con este parámetro que con el contenido de materia orgánica determinada por combustión húmeda. Los coeficientes de determinación de la regresión se incrementaron cuando se incluyeron otras variables en ella, como puede verse en la Tabla Roy et al (2000) también mejoraron la relación contenido de material orgánico vs repelencia al agua en suelos contaminados por derrames de petróleo determinando, en lugar del contenido de materia orgánica estándar, el contenido de carbono orgánico extractable por diclorometano (Tabla 2.17). TABLA Algunas regresiones lineales estadísticamente significativas obtenidas entre el grado de repelencia al agua y el contenido de algunos compuestos orgánicos específicos. Expresión de la repelencia al agua Expresión del contenido de materia orgánica* Otras variables relacionadas R 2 del modelo (%) Fuente Log WDPT Log C alifático - 45 McKissock et al (2003) Log WDPT Log C alifático Log Arcilla 49 McKissock et al (2003) Log WDPT Log C alifático Log Caolinita 48 McKissock et al (2003) Log WDPT Log C alifático Log Arcilla + Limo 58 McKissock et al (2003) MED Ln DEO (n=46) - 47 Roy et al (2000) MED Ln DEO (n=113) - 73 Roy et al (2000) *: DEO: Carbono orgánico extractable con diclorometano. 94

102 CAPÍTULO 3 SEVERIDAD, PERSISTENCIA Y VARIABILIDAD DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO 3.1. SEVERIDAD DE LA REPELENCIA AL AGUA MARCO CONCEPTUAL EVALUACIÓN DE LA SEVERIDAD DE LA REPELENCIA AL AGUA: MÉTODO MED PERSISTENCIA DE LA REPELENCIA AL AGUA MARCO CONCEPTUAL EVALUACIÓN DE LA PERSISTENCIA DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO: MÉTODO WDPT VARIABILIDAD DE LAS MEDIDAS DE LA REPELENCIA AL AGUA EN LOS SUELOS VARIABILIDAD ALEATORIA VARIABILIDAD ESPACIAL VARIABILIDAD TEMPORAL...138

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104 Casi nunca se hace diferencia entre los términos severidad y persistencia de la repelencia al agua en el suelo; generalmente se toman como sinónimos cuando se hace referencia al grado o a la intensidad con que se presenta este fenómeno. En la práctica esta laxitud en el uso de los términos no induce mayores complicaciones en la caracterización y manejo de este problema en el suelo pero, desde el punto de vista teórico, hay diferencias importantes entre los dos conceptos que es bueno conocer MARCO CONCEPTUAL 3.1. SEVERIDAD DE LA REPELENCIA AL AGUA La severidad de la repelencia al agua es el grado de resistencia que opone el suelo al humedecimiento por el agua, durante un tiempo limitado de contacto entre las fases sólida y líquida (Roy y McGill, 2002). Doerr et al (2000) la definen con la pregunta qué tan fuertemente es repelida el agua por el suelo?. Según Roy y McGill (2002), la repelencia al agua es una función de la química superficial del suelo, es decir, de la actividad química de las superficies de sus sólidos. Apuntan los autores que, más específicamente, es una función de la energía libre de la interfase sólido-gas en el suelo ( SG ): En los suelos repelentes al agua, SG es menor que en los suelos humectables. Como SG no se puede medir directamente en laboratorio y, habiendo una relación directa entre SG y el ángulo de contacto (ver Numeral 1.1.2), este ángulo se toma como un buen estimador de SG : Cuando < 90, el agua desplaza al aire y humedece espontáneamente el suelo. La relación entre el ángulo de contacto y SG que se presenta en la Fórmula 1.1 está definida para una superficie plana, cuando está en condiciones de equilibrio. Resulta que el ángulo de contacto en el suelo va cambiando a medida que trascurre el tiempo de contacto entre el agua y él (Carrillo et al, 1999; Letey et al, 2000; Roy y McGill, 2002) por lo que, si se quiere conocer la repelencia original del suelo al agua, hay que medir el ángulo de contacto inicial, es decir, el que se forma al momento de colocar el agua sobre el suelo, el cual no es realmente un ángulo de contacto en equilibrio y es difícil de medir. Este ángulo lo llaman Roy y McGill (2002) ángulo de contacto de avance inicial y Carrillo et al (1999) han propuesto un método para estimarlo, mediante la medición en laboratorio de los parámetros de la siguiente relación: Donde: 1/ 2 W cos / 1 [ 2.1 ] ND : Ángulo de contacto de avance inicial. ND : Tensión superficial de la solución de etanol que moja el suelo con = 90. W : Tensión superficial del agua.

105 Watson y Letey (1970), estudiando la relación ángulo de contacto-tensión superficial con soluciones de etanol de variada tensión, observaron que en las curvas tensión superficial vs tiempo de penetración de una gota de solución, cuando el tiempo se acercaba a cero, la curva se volvía asintótica al eje de la tensión, por lo que no se puede determinar, en la gráfica, la tensión para una gota que entra inmediatamente al suelo; ésto obligó a los autores a definir un tiempo pequeño de observación para definir ND, que originalmente se estableció en 5 segundos. La ND que se obtiene con las soluciones de etanol indica la repelencia inicial o inherente al suelo, antes de que se produzca cualquier interacción entre él y el líquido que se le aplicó y muestra la tensión superficial a la cual el líquido penetra en el suelo, por lo que es un parámetro importante en el manejo de surfactantes: El surfactante debe ser preparado con una tensión superficial menor que ND (Watson y Letey, 1970) EVALUACIÓN DE LA SEVERIDAD DE LA REPELENCIA AL AGUA: MÉTODO MED Desarrollo y factores que la afectan Watson y Letey (1970) propusieron utilizar la tensión superficial de un líquido que humedeciera el suelo con un ángulo de contacto de 90º ( ND ) como un índice de repelencia al agua. Para evaluar esta característica prepararon soluciones acuosas de etanol con diferentes tensiones superficiales y colocaron gotas de estas soluciones sobre el suelo; la tensión superficial de la solución cuya gota penetró en el suelo en 5 segundos se asumió que era la tensión superficial de la solución que humedeció el suelo con un ángulo de 90º y se tomó como el índice de repelencia al agua buscado (Letey et al, 2000), expresándolo en dinas cm -1. King (1981) propuso algo similar a lo anterior pero, en lugar de expresar el índice como tensión superficial, lo expresaba como la concentración (molaridad) de la gota de la solución de etanol que penetraba en el suelo en 10 segundos: Esta variante dio origen al método conocido como MED: Molarity of Ethanol Droplet, de amplia aceptación y uso hasta hoy. Posteriormente, Dekker y Ritsema (1994b) variaron el método de preparación de las soluciones de etanol, estableciendo su concentración en porcentaje y cuantificando el grado de repelencia al agua como el menor porcentaje de alcohol de la solución de etanol que penetra en el suelo en 5 segundos o menos. En el desarrollo del método también se han presentado variaciones en el tiempo recomendado como límite para la penetración de la gota de solución: Watson y Letey (1970) recomiendan un tiempo de 5 s; King (1981) un tiempo de 10 s y Crockford et al (1991) sostienen que es mejor un tiempo de 3 s. Jaramillo (2001b) realizó análisis de regresión para establecer modelos que predijeran el MED en muestras repelentes al agua.. Para tal efecto seleccionó, de entre muchas (ver Tabla 3.6), 5 muestras de Andisoles repelentes al agua en las cuales la determinación del MED incluyó soluciones con concentraciones de etanol que gastaron más de 10 segundos para entrar en el 98

106 suelo. En cada una de las muestras se ensayaron varios modelos de regresión simple, relacionando la molaridad de la solución de etanol con el tiempo y con el logaritmo del tiempo gastado por ella en penetrar en la muestra, teniendo en cuenta las 5 replicaciones de cada una. El modelo que mejor se ajustó a los datos fue el cuadrático con los valores de tiempo transformados a logaritmo pero el que mejor estimó el valor del MED fue el modelo multiplicativo de la forma y = a x b, con los valores de tiempo sin transformar y utilizando un tiempo límite de observación de 5 s. Jaramillo (2001b) validó el modelo obtenido estimando el MED de muestras en las que se había medido el tiempo de entrada de varias soluciones de etanol al suelo, encontrando los valores de MED que se presentan en la Tabla 3.1. TABLA 3.1. Valores MED estimados con un modelo de regresión multiplicativo y con un tiempo límite de observación de 5 s, utilizando el tiempo sin transformar, en muestras seleccionadas de Andisoles repelentes al agua del oriente antioqueño. (Datos de Jaramillo, 2001b). Muestra (código) Valor MED (M) Original medido* Estimado con el modelo S1-8 Entre 5.4 y R1-2 Entre 5.2 y L1-1 Entre 4.6 y S1-4 Entre 4.6 y R3-2 Entre 4.2 y S1-5 Entre 4.4 y Z3 Entre 4.2 y S1-3 Entre 4.0 y C3-1 Entre 4.2 y S1-10 Entre 3.2 y S1-9 Entre 3.2 y * Se presenta el rango de molaridades entre las que está el tiempo de penetración de 10 s. En los resultados de la tabla anterior se observa una buena aproximación para el MED estimado, con una aparente desviación mayor en los resultados a medida que la severidad de la repelencia disminuye. Obsérvese, además, que con las muestras analizadas se cubre buena parte del rango de valores MED que ocasionan problemas importantes de repelencia en el suelo ( > 1.6 M, según King, 1981), estableciéndose así que no hay restricción para utilizar el procedimiento descrito para estimar aquel valor, en relación con la magnitud del problema. La regresión necesaria puede establecerse utilizando 5 ó 6 soluciones de etanol, con diferentes concentraciones, tratando de abarcar el mayor rango posible de ellas y cuidando que el tiempo de 5 segundos quede incluido en el rango de tiempos obtenido, para no hacer extrapolaciones no convenientes desde el punto de vista estadístico. La determinación del MED por el método descrito anteriormente, comparada con el método propuesto por King (1981), tiene ventajas como: 99

107 Reducir fuertemente el número de soluciones de etanol a preparar y manipular. Reducir el tamaño de la muestra necesaria para hacer la determinación. Reducir el tiempo de trabajo en cada muestra, ya que en muchas de ellas establecer el tiempo exacto de 10 segundos para una determinada concentración, puede implicar una gran cantidad de ensayos. King (1981) encontró que la severidad de la repelencia al agua, evaluada por el método MED, variaba con: El tiempo de duración del tamizado: Al aumentar el tiempo de tamizado de las muestras, disminuyó la severidad de la repelencia al agua, en comparación con la severidad mostrada por las muestras que no se sometieron a este tratamiento. Esto se debió, probablemente, a la remoción de material hidrofóbico de los recubrimientos orgánicos de las arenas, por efecto de la abrasión. La temperatura a la cual se hace la determinación: Encontró una relación lineal inversa, estadísticamente significativa, entre el MED y la temperatura a la cual se hacía la determinación, en un rango de temperaturas ensayado que iba desde 0 hasta 42 C. El contenido de humedad del suelo: La repelencia al agua aumenta gradualmente cuando el suelo va pasando de seco al horno a seco al aire; entre seco al aire y el punto de marchitez permanente, el MED se incrementa rápidamente y adquiere su máximo valor cerca al punto de marchitez permanente; a partir de este punto el MED decrece rápidamente, llegando a cero cuando el suelo está cerca a un contenido de humedad de capacidad de campo. Roy y McGill (2002) anotan algunas limitaciones que tiene el método MED para evaluar la severidad de la repelencia al agua en el suelo y que han sido tenidas en cuenta para diseñar las condiciones de evaluación que ellos proponen: Se pueden presentar cambios en la composición y/u organización de los compuestos hidrofóbicos del suelo durante tiempos de contacto relativamente largos de éste con las soluciones de etanol que pueden causar disolución de compuestos en el suelo, adsorción preferencial de etanol, evaporación del etanol y sorción de vapor de agua, por ejemplo, que pueden distorsionar las medidas del MED. Lo anterior obliga a tener tiempos cortos de observación. El comportamiento teórico de la hidrofobicidad se ha estudiado en sistemas relativamente simples, con sólidos de superficies planas; el suelo es un sistema mucho más complejo que puede responder en forma diferente a la conceptualización teórica diseñada para aquellos. Si las muestras se someten a ciclos de humedecimiento y secado, antes de la determinación del MED, pueden mostrar un decrecimiento en el ángulo de contacto inicial de avance al aumentar la cantidad de ciclos debido, probablemente, a una modificación gradual de la química en la interfase sólido-gas. La rugosidad de la superficie del suelo sobre la que se hace la prueba reduce la precisión de la misma ya que ella afecta la estimación del ángulo de contacto. 100

108 McKissock et al (2003) consideran que una limitación grande del MED para medir la severidad de la repelencia al agua en granos de arena es que dicho método es muy insensible a diferencias en el grado de repelencia al agua, cuando dicho grado es alto. Wallis y Horne (1992) también consideran que la mayor desventaja del MED es que es inapropiado para suelos con un bajo grado de repelencia al agua. A pesar de lo anterior, Jaramillo (1992) encontró que en Andisoles fuertemente repelentes al agua (WDPT > s), el MED fue capaz de diferenciar distintos grados de severidad que no se pudieron apreciar con el WDPT Protocolo para el método MED El siguiente es el protocolo propuesto por Roy y McGill (2002) para estandarizar la determinación del MED, de modo que los resultados que se obtengan con diferentes muestras puedan ser comparados Condiciones para la determinación 1. El suelo debe secarse al mismo contenido de humedad, antes de hacer la prueba: Secar la muestra en horno a 105 C durante 24 horas, dejarla enfriar en desecador y luego dejarla que se equilibre con la humedad del ambiente durante unos pocos días antes de hacer la determinación. 2. Disminuir la rugosidad de la superficie del suelo lo que más se pueda: Si los suelos están mal estructurados, un tamizado suave por una malla de 1 mm es suficiente y no disturba, de manera importante, la composición química y la configuración de los recubrimientos superficiales. Si el suelo está bien estructurado, requiere un tamizado y agitación más prolongados que pueden alterar los recubrimientos; en este caso, describir las condiciones en que se hace el tratamiento. La superficie del suelo debe ser nivelada antes de la determinación. 3. El MED es sensible a la temperatura: Tanto las soluciones como las muestras deben ser equilibradas a la temperatura del aire antes de hacer la prueba y el valor de dicha temperatura debe ser registrado junto con el MED. 4. La tensión superficial de las soluciones es muy sensible a cambios en la composición de ellas: La composición debe ser bien conocida, evitar la presencia de sales inorgánicas o de detergentes residuales en las soluciones. Las soluciones que se almacenen a temperatura ambiente se deben cambiar semanalmente y las que se refrigeren, mensualmente. Usar etanol puro (100%) o sustituirlo por un alcohol desnaturalizado que contenga más de 90 % de etanol y que el resto sea metanol o isopropanol. 5. Utilizar una cantidad de muestra suficiente para que sobre su superficie se puedan colocar hasta 20 gotas de solución sin que ellas se toquen durante el tiempo que dure la prueba. Además, el espesor de la muestra debe ser tal que las gotas no lleguen hasta la superficie del plato de prueba (Plato de Petri) mientras ella se está haciendo. 6. Teóricamente la determinación es independiente del volumen de la gota que se ponga sobre la muestra. 7. Se recomienda un tiempo de contacto límite de la gota con la superficie del suelo de 10 segundos. Se pueden utilizar otros tiempos, siempre y cuando sea el mismo para 101

109 todas las muestras que se van a comparar. El tiempo utilizado se debe especificar en los resultados de la prueba. 8. El tiempo de entrada de la gota que se registra va desde el momento en que se coloca la gota sobre la superficie del suelo hasta el momento en que la gota empieza a penetrar en la muestra. 9. El tamaño de las gotas que se colocan sobre el suelo debe ser mucho mayor que el tamaño del poro más grande de la muestra de suelo. Gotas de 4 ó 5 mm de diámetro o de 250 a 500 L de volumen son adecuadas para suelos de diferentes texturas Procedimiento Teniendo en cuenta las recomendaciones anteriores, se procede de la siguiente manera para hacer la determinación: 1. Se preparan soluciones de etanol con concentraciones entre 0.2 y 6 M, con incrementos de 0.2 M. 2. Se colocan las muestras de suelo seco al aire y tamizado como ya se indicó, en recipientes apropiados: pueden ser platos de petri o cápsulas metálicas, teniendo presente que deben ser lo suficientemente grandes como para que contengan una cantidad adecuada de muestra para colocar todas las gotas necesarias sin que se presenten interferencias entre ellas. Se deben preparar al menos tres replicaciones por muestra. 3. Nivelar suavemente la superficie de la muestra. 4. Colocar rápidamente la gota de la solución de prueba, lo más cercana posible a la superficie de la muestra, sin disturbarla. 5. Iniciar el conteo del tiempo al momento en que la gota entre en contacto con la superficie del suelo y suspenderlo a los 10 segundos. Si al cabo de este tiempo la gota ya entró al suelo, se finaliza la prueba con esa muestra y se continua con otra de las replicaciones. 6. Es mejor empezar las pruebas con soluciones variando su concentración en 1 M hasta identificar el rango en el cual se va a presentar la solución adecuada; identificado este rango, se ensayan soluciones con variaciones de 0.2 M. 7. Los resultados de la prueba se reportan en términos de molaridad y, si se elaboró una tabla de equivalencias entre molaridad y tensión superficial, también se presentan en estos términos. EL valor obtenido se da como promedio de las replicaciones hechas, acompañado por la desviación estándar Clasificación de la severidad de la repelencia al agua en el suelo King (1981) propuso 12 clases para agrupar la severidad de la repelencia al agua en el suelo cuando era evaluada por diferentes métodos. En lo que se relaciona con la severidad evaluada mediante la prueba del MED, los resultados se pueden interpretar de acuerdo a la clasificación que se presenta en la Tabla

110 TABLA 3.2. Clasificación de la severidad de la repelencia al agua evaluada por el método del MED y expresada como molaridad, propuesta por King (1981). Clase de severidad Rango de valores del MED (M) No repelente 0 Repelencia baja Repelencia moderada Repelencia severa Repelencia muy severa > 3.2 Para fines de interpretación prácticos, desde el punto de vista del desarrollo y de la producción de los cultivos, Roy y McGill (2002) consideran que esos aspectos se afectan, de manera severa, cuando el suelo presenta valores de MED 5 M y muy poco cuando el MED 1 M Una variante del MED Aparte de lo que se describió en el numeral anterior, se ha utilizado una variante del método MED, relacionada con la manera de expresar los resultados de este análisis. Crockford et al (1991), evaluaron el grado de repelencia al agua en suelos de textura gruesa de Australia, utilizando la prueba del MED, con tiempo límite de observación de 3 segundos, pero prepararon las soluciones y expresaron los resultados en términos de porcentaje; encontraron que las capas superficiales de litter presentaron un grado de repelencia promedio de 20% de etanol y los horizontes A que estaban debajo de aquellas, 24%, aunque reportan que tuvieron valores de grado de repelencia tan altos como 50% de etanol. Dekker y Ritsema (1994b, 1995) y Dekker (1998), para evaluar la severidad de la repelencia al agua en suelos arenosos de dunas de Holanda, utilizaron una variante del MED que expresaba los resultados de la determinación como el porcentaje más bajo de alcohol de la solución que penetra en el suelo en 5 segundos o menos. Para llevar a cabo dicha determinación, con el fin de estudiar la variabilidad espacial de la severidad de la repelencia al agua en suelos arenosos de dunas costeras de Holanda, Dekker y Ritsema (1994b) y Dekker (1998) prepararon soluciones de etanol con concentraciones de 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12.5 y 15% y, en adelante, soluciones con incrementos de 2.5% de etanol hasta llegar a una concentración de 35%, con base en volumen. Las muestras de suelo fueron secadas en horno y, después de secadas, se dejaron 2 días al aire para que se equilibraran con la humedad ambiental. La determinación del grado de repelencia se hizo en laboratorio, a 20 C y con humedad relativa de 50%. Para visualizar la distribución espacial de la severidad de la repelencia al agua de los suelos que trabajaron, agruparon el grado de repelencia al agua en las 6 clases que se aprecian en la Tabla 3.3. Doerr et al (1998) también utilizaron esta variante para estudiar la severidad de la repelencia al agua desarrollada en suelos bajo plantaciones de pino y de eucalipto de Portugal sometidos a incendios, aunque con menor cantidad de soluciones de etanol: 3, 5, 8.5, 13, 24 y 36%. Utilizaron las concentraciones anteriores como límites para agrupar los suelos en 7 clases, según la severidad de la repelencia al agua evaluada, como se puede apreciar en la Tabla

111 TABLA 3.3. Clases de severidad de repelencia al agua, medida con el método del MED expresado en % de alcohol, utilizadas por Dekker y Ritsema (1994b) y por Dekker (1998) en suelos arenosos de dunas de Holanda. Clase de grado de repelencia al agua* Rango de valores de concentración de etanol (%) No repelente 0 Ligeramente repelente 1 3 Moderadamente repelente 4 6 Fuertemente repelente 7 14 Severamente repelente Extremadamente repelente > 20 * Los nombre que se presentan no están descritos en los documentos citados, son propuestos por el autor de este trabajo. TABLA 3.4. Clases de severidad de repelencia al agua, medida con el método del MED expresado en % de alcohol, utilizadas por Doerr et al (1998) en suelos de Portugal. Clase de grado de repelencia al agua Estado de repelencia al agua Concentración de etanol (%) 7 Muy hidrofílico 0 6 Hidrofílico 3 5 Ligeramente hidrofóbico 5 4 Moderadamente hidrofóbico Fuertemente hidrofóbico 13 2 Muy fuertemente hidrofóbico 24 1 Extremadamente hidrofóbico MARCO CONCEPTUAL 3.2. PERSISTENCIA DE LA REPELENCIA AL AGUA Watson y Letey (1970) observaron, al colocar una gota de agua sobre la superficie de un suelo repelente al agua, que ella permanecía sobre dicha superficie un tiempo, cuya extensión depende de la tensión superficial inicial del líquido y, con base en esta observación, consideraron que ese tiempo era una medida, no de la repelencia al líquido en sí, sino del tiempo que era necesario para que el ángulo de contacto inicial (> 90º) se redujera hasta un valor de 90º o menos y así el líquido pudiera ser absorbido por el sólido, es decir, que era una medida de la estabilidad de la repelencia (Letey et al, 2000). Fue así como Watson y Letey (1970) definieron entonces la persistencia de la repelencia del suelo al agua como el tiempo que toma una gota de agua para ser absorbida completamente por el suelo. 104

112 EVALUACIÓN DE LA PERSISTENCIA DE LA REPELENCIA AL AGUA EN EL SUELO: MÉTODO WDPT Desarrollo y propiedades Atendiendo al hecho de que el agua puede humedecer el suelo sólo si el ángulo de contacto que ella forma con la superficie de aquel es menor que 90 y, además, habiendo observado que cuando se coloca una gota de agua sobre la superficie del suelo ésta puede permanecer sobre el suelo sin entrar en él (ángulo de contacto > 90 ) pero que, al cabo de haber transcurrido algún tiempo esa gota penetra en el suelo (el ángulo de contacto pasó a ser menor de 90 ), Watson y Letey (1970) propusieron que se midiera el tiempo que transcurría para que se produjera dicho cambio en el ángulo de contacto y que ese tiempo se tuviera como un índice de la estabilidad de la repelencia al agua (persistencia) que tenía ese suelo aunque, aclaran Letey et al (2000), éste no es un índice del ángulo de contacto. Se generó así el método WDPT: Water Drop Penetration Time (Tiempo de Penetración de la Gota de Agua). La prueba del WDPT sólo puede separar los suelos en dos grandes grupos, desde el punto de vista de la repelencia al agua: Aquellos que tienen ángulo de contacto mayor que 90 y los que lo tienen menor a ese valor (Watson y Letey, 1970). Según Malik et al, citados por Wallis y Horne (1992), la declinación del ángulo de contacto aparente en el suelo, al aumentar el tiempo de contacto entre éste y el agua, se debe a la adsorción de moléculas de vapor de agua por parte de los sólidos. Según King (1981), el WDPT sólo es capaz de medir un estrecho rango de repelencia al agua dentro de unos pocos grados alrededor del ángulo de contacto de 90, por lo que es un método que tiene serias limitaciones para cuantificar tanto bajos como severos grados de repelencia al agua en el suelo. Wallis y Horne (1992) también advierten que este método es de aplicación limitada en suelos de textura muy gruesa: Es posible generar fácilmente en ellos vías de flujo preferencial que distorsionan la prueba ya que, como dicen Dekker y Ritsema (1995), no se requieren macroporos de tamaño muy grande para que se induzcan esas vías. De todas formas, por ser rápido y simple, se ha convertido en un método de amplio uso, utilizado en gran cantidad de estudios (Letey et al, 2000). King (1981) estima que una persona puede evaluar, en promedio, 200 muestras por día, rendimiento que se alcanzará si se utiliza su tiempo de observación de 4 minutos pero, si se tienen tiempos tan largos como 10800s (Jaramillo, 1992) o 6 horas (Dekker et al, 2001), obviamente ese rendimiento no puede alcanzarse. Watson y Letey (1970) estiman que la persistencia es un índice útil en estudios de riesgo de erosión de suelos repelentes al agua y para estudios de riego, en el mismo tipo de suelos, puesto que una mayor persistencia implica una baja rata de entrada del agua al suelo, formación de patrones de humedecimiento irregulares y alta escorrentía y erosión, cuando se dan las condiciones de pendiente adecuadas. 105

113 Procedimientos que se han utilizado frecuentemente En términos generales, la prueba del WDPT consiste en determinar el tiempo que se gasta para que una gota de agua destilada, colocada sobre la superficie de una muestra de suelo, sea absorbida completamente por éste. Originalmente King (1981) utilizó un tiempo de observación del proceso de 4 minutos y, en el suelo en que la gota no había entrado en ese tiempo, utilizaba otro método para evaluar la repelencia al agua. Hoy, hay abundante literatura en la cual se presentan ejemplos de tiempos de observación mucho más largos para hacer esta caracterización: por ejemplo, Jaramillo (1992) esperó 3 horas (10800 s) y Dekker (1998) lo hizo por 6 horas. Se han utilizado diferentes maneras de obtener el valor del WDPT. Jaramillo (1992) lo obtuvo mediante el promedio de los tiempos gastados por 5 gotas de agua para ser absorbidas por el suelo, colocadas sobre éste como se muestra en la Figura 3.1. FIGURA 3.1. Distribución de las gotas de agua para la determinación del WDPT, utilizada por Jaramillo (1992). Dekker y Ritsema (1994b) utilizaron para evaluar la persistencia de la repelencia al agua, en suelos arenosos de dunas de Holanda, tres gotas de agua y definieron el WDPT con el segundo tiempo más corto registrado, es decir, utilizaron el criterio de mediana en lugar de media. Doerr et al (2002b) y Mataix-Solera y Doerr (2004) también utilizaron el concepto de la mediana para definir la persistencia de la repelencia al agua en los suelos que trabajaron Protocolo Ritsema et al (2000) recomiendan determinar la persistencia de la repelencia al agua, tanto real (en condiciones de humedad de campo) como potencial (con muestras secadas a 65 C en horno), en cada suelo en que vaya a ser evaluada la hidrofobicidad. 106

114 Aunque no se encuentra un derrotero que se pudiera llamar propiamente protocolo para la determinación del WDPT, Ritsema et al (2000) expresan que durante un seminario internacional llevado a cabo en Australia en 1999, se discutió acerca de la necesidad de estandarizar el método para determinar el WDPT en suelos. El método que siguen utilizando hoy los promotores de esta reunión es el que fue descrito por Dekker y Ritsema (1994b), publicación de la que se ha tomado. El procedimiento para la determinación de la repelencia potencial es el siguiente: 1. Secar la muestra al horno a 65 C. 2. Una vez que la muestra se ha secado, retirarla del horno y dejarla que se estabilice, en ambiente controlado a 20 C y 50% de humedad, por lo menos durante 2 días. 3. Colocar la muestra de suelo en un recipiente adecuado y suavizar su superficie. 4. Colocar sobre la superficie de la muestra suavizada 3 gotas de agua destilada con una jeringa o con un gotero. 5. Tomar como valor del WDPT el tiempo que gasta la segunda gota de agua en penetrar en la muestra. Con respecto al procedimiento descrito anteriormente, vale la pena puntualizar que: 1. Los investigadores citados como autores del método no especifican si las muestras se deben tamizar o no. Atendiendo la sugerencia de King (1981) y, según lo observado por Jaramillo (2001c), las muestras deben ser pasadas a través de un tamiz con malla de 1 mm y la prueba debe desarrollarse con el material que pasa dicho tamiz. 2. El secado de las muestras al horno a 65 C por 24 horas puede ser suficiente para suelos de texturas gruesas pero suelos de texturas finas, suelos con alto contenido orgánico o suelos con alumino-silcatos no cristalinos requieren secado a 105 C y durante más tiempo para que adquieran la condición de humedad que implica el secado al horno (0% de humedad) Clasificación de la persistencia de la repelencia al agua en el suelo Dekker y Ritsema (1994b, 1996), para evaluar la repelencia real al agua, en campo, donde los tiempos de observación no pueden alargarse tanto como en laboratorio, han utilizado la prueba del WDPT para separar los suelos en dos grandes categorías: Repelente al agua, si WDPT > 5 s y Humectable, si WDPT< 5 s. Adams et al (1970) agruparon los suelos que trabajaron, según su persistencia, en suelos fuertemente hidrofóbicos, cuando WDPT > 60 segundos y suelos ligeramente hidrofóbicos, cuando el WDPT estaba entre 10 y 60 segundos. King (1981), como ya se mencionó, utilizó el método del WDPT con un tiempo de duración para la prueba de 4 minutos: Si la gota no había penetrado en el suelo en ese tiempo, no se tenía en cuenta esta determinación. Con ese límite, él agrupó los suelos en 4 categoría de repelencia al agua: No repelente al agua: WDPT < 1 s. Muy poco repelente al agua: WDPT entre 1 y 7 segundos. 107

115 Poco repelente al agua: WDPT entre 8 y 53 segundos. Moderadamente repelente al agua: WDPT entre 85 y 260 segundos. El sistema de clasificación de la persistencia de la repelencia al agua que más se utiliza hoy para interpretar este fenómeno es el que propusieron Dekker y Jungerius (1990), el cual se expone en la Tabla 3.5. TABLA 3.5. Clasificación del WDPT propuesta por Dekker y Jungerius (1990). Clase de persistencia Nivel de persistencia de la repelencia al agua Valores del WDPT (s) 0 No repelente al agua < 5 1 Ligeramente repelente al agua Fuertemente repelente al agua Severamente repelente al agua Extremadamente repelente al agua > 3600 Ritsema et al (2000) sugieren que la categoría extremadamente repelente al agua (clase 4) se puede dividir en subclases, teniendo en cuenta que los tiempos de observación que ellos han utilizado son bastante largos, así: Con WDPT de 1 a 3 horas; con WDPT de 3 a 6 horas y con WDPT > 6 horas Una variante del WDPT Adams et al (1970), en algunas muestras de suelos del desierto de California que presentaron un WDPT > 60 segundos, reemplazaron el agua por soluciones de etanol al 15% para hacer la evaluación de la persistencia de la repelencia al agua, sin que los tiempos de observación tuvieran que ser tan largos. Efectivamente comprobaron que los tiempos necesarios para que la prueba fuera llevada a término se redujeron considerablemente en suelos que presentaron WDPT < 30 minutos. Jaramillo (1996, 2001a) ensayó la variante anterior para evaluar la repelencia al agua de agregados de diferentes tamaños de Andisoles y encontró que, efectivamente, una solución al 15% de etanol, que corresponde aproximadamente a una solución 3.6 M, redujo apreciablemente el tiempo de penetración y permitió detectar pequeños cambios en la persistencia de la repelencia al agua, en suelos con bajo a medio grado de hidrofobicidad VARIABILIDAD DE LAS MEDIDAS DE LA REPELENCIA AL AGUA EN LOS SUELOS Son tantos y de tan variada naturaleza los factores que están relacionados con la repelencia al agua en el suelo que es lógico esperar una alta variabilidad en ella. Wallis y Horne (1992) confirman en su revisión de literatura la alta variabilidad que presentan, tanto la severidad, como la persistencia de la repelencia al agua en el suelo. 108

116 VARIABILIDAD ALEATORIA King (1981) observó una mayor variabilidad en la repelencia al agua de suelos con alto contenido de raíces, cuando los trabajó sin tamizar y atribuyó este comportamiento a la distribución desuniforme de la materia orgánica y a la presencia de canales de raíces en esos suelos en su condición natural. Por este comportamiento llegó a recomendar que la evaluación de la repelencia al agua del suelo se hiciera con las muestras tamizadas a 1 mm. En la Figura 3.2 se puede apreciar la variabilidad granulométrica que se presenta en la distribución de una muestra de suelo tamizada a 2 mm, lista para ser utilizada en la evaluación de la repelencia al agua en el suelo. Conociéndose que hay un comportamiento diferencial en la repelencia al agua en el suelo que depende del tamaño de los agregados sobre los cuales se hace la evaluación (Crockford et al, 1991; Bisdom et al, 1993; Jaramillo, 1996, 2001a; Mataix-Solera y Doerr, 2004; entre otros), es claro que en las muestras de la figura mencionada, si se respeta la aleatoriedad en la distribución de las gotas sobre ellas, hay una altísima probabilidad de que se presente una variabilidad considerable en las medidas que se hagan. FIGURA 3.2. Variabilidad granulométrica en muestras que se van a utilizar para evaluar repelencia al agua en el suelo, tamizada a 2 mm. Hay otros factores que inducen variabilidad aleatoria en la repelencia al agua en el suelo y que son difíciles de controlar como el contenido y la distribución de ciertos tipos de materia orgánica en él, la permeabilidad intrínseca del suelo, la distribución de la humedad y la textura Variabilidad aleatoria del MED Roy et al (2000) hacen dos recomendaciones procedimentales para disminuir la variabilidad en las medidas del MED: Tamizar la muestra a 1 mm para reducir el efecto de la heterogeneidad superficial (ver Figura 3.2) y secar la muestra a 105 C por 24 horas para reducir la presencia de equilibrios variables entre la humedad de las muestras y la del aire. En la literatura no se encontró ninguna cuantificación de la variabilidad aleatoria del MED, expresado como porcentaje de alcohol, tal como lo han utilizado Dekker, Ritsema, Doerr y otros en algunos de sus trabajos. 109

117 Jaramillo (2001b) estudió la variabilidad aleatoria del MED en algunas muestras de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, con cobertura de Pinus patula. Cada muestra fue secada al aire y tamizada a 2 mm. Sobre cada muestra se aplicaron 5 gotas de soluciones de etanol de diferente molaridad y a cada gota se le midió el tiempo que tardó en entrar completamente al suelo; este procedimiento se repitió hasta que se encontró una solución cuyas gotas se demoraban más de 1 minuto en entrar y esta solución final no se tuvo en cuenta para nada más en el experimento. Los resultados del estudio citado en el párrafo anterior se presentan en la Tabla 3.6, como promedios de 5 observaciones hechas por muestra y por concentración de la solución de etanol utilizada. Los valores del MED consignados en dicha tabla muestran que hay comportamientos diferenciales en las muestras, con respecto al tiempo gastado por la misma solución de etanol para penetrar completamente en ellas; ésto se observa fácilmente al comparar el comportamiento de las muestras S1-8, R3-9 y S2-1 entre sí, las cuales, con la solución 6 M presentan tiempos muy similares pero, a partir de la concentración 5.6 M, la diferencia de tiempo entre la muestra S1-8 y las otras dos es importante, a pesar de que el valor MED de las tres está ubicado en el mismo rango de molaridad. A las determinaciones del tiempo de penetración de las soluciones utilizadas se les determinó el coeficiente de variación y los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 3.7. De los resultados expuestos en ella no puede determinarse ninguna tendencia en los coeficientes de variación de las medidas realizadas, con respecto a la concentración de la solución utilizada Variabilidad aleatoria del WDPT Generalidades El efecto de algunos de los factores que generan variabilidad en esta determinación se manifiesta, por ejemplo, cuando se cambian las condiciones en que se hace la determinación de la repelencia al agua en el suelo, como lo muestra la Figura 3.3. En la Figura 3.3 se aprecia cómo puede cambiar la distribución de las muestras, agrupándolas por valor del WDPT, cuando esta propiedad se determina secándolas a 35 y a 105 C. Las muestras que se presentan en las dos fotos son las mismas: En la foto superior (WDPT en muestras secadas a 35 C) cada grupo de repelencia tiene 4 muestras; en la foto inferior (WDPT en muestras secadas a 105 C) desaparece el grupo de repelencia al agua < 60 s y el grupo de repelencia > 1800 s pasa de 4 a 12 muestras por efecto del secado; incluso, hubo por lo menos una muestra que perdió buena parte de su repelencia al agua al secarla a 105 C, pues resultaron 5 muestras en el grupo de repelencia < 1 s. El comportamiento descrito en el párrafo anterior está corroborando que cada suelo tiene su propia respuesta al secado: Cada uno responde diferencialmente a los factores que pueden alterar su composición y/o la distribución de sus componentes y lo hacen en forma diferente frente a cada nivel en que se presente el factor de alteración, lo que hace bastante difícil controlar la variabilidad de las evaluaciones que se hagan de la repelencia al agua en ellos y dificultan la interpretación de sus resultados y la comparación entre ellos. 110

118 TABLA 3.6. Tiempo promedio de 5 determinaciones (segundos) gastado por soluciones de diferente concentración de etanol, en penetrar en muestras de Andisoles repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, oriente antioqueño, bajo cobertura de Pinus patula. (Tomada de Jaramillo, 2001b). Muestra Molaridad de la solución de etanol (M) (Código) S > R > S > R > R > R > R > S > R > C > S > L > Z > S > R > S1-3a > 60 S > S > S > 60 S >

119 TABLA 3.7. Coeficientes de variación (%) de las mediciones del tiempo requerido por soluciones de etanol de diferente concentración, en penetrar en muestras de Andisoles repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, oriente antioqueño, bajo cobertura de Pinus patula. (Tomada de Jaramillo, 2001b). Muestra Molaridad de la solución de etanol (M) (Código) S R S R R R R S R C S L Z S R S1-3a S S S S

120 FIGURA 3.3. Efecto del secado de las muestras de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas a 35 C (foto superior) y a 105 ºC (foto inferior) en la manifestación de su repelencia al agua. 113

121 Crockford et al (1991) reportan haber encontrado una alta variabilidad en los valores del WDPT alcanzados en Litosoles de Australia: Encontraron coeficientes de variación mayores al 100%. Jaramillo (2001c) también encontró coeficientes de variación altos para esta determinación en algunas muestras de Andisoles, como se puede ver en la Tabla 3.8. TABLA 3.8. Algunos estadísticos de las determinaciones del WDPT en Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras blancas (con base en 5 replicaciones por muestra). Tomados de Jaramillo (2001c). Muestra Desviación Coeficiente de Promedio Mediana (Código) estándar variación (%) R S S L S L L Z S L M Z Z Z L PBC PBT El valor que toma la desviación estándar de las medidas del WDPT expuestas en la tabla anterior muestra la alta variabilidad que tiene esta determinación en todos los rangos de repelencia al agua estudiados. Al analizar el comportamiento de los valores de los coeficientes de variación de las diferentes muestras, se puede apreciar que: También hay una alta variabilidad en la variabilidad que presenta el WDPT. No hay un patrón en los valores del coeficiente de variación que permita establecer una relación entre ellos y la persistencia de la repelencia al agua de los suelos estudiados. Lo anterior ratifica lo que ya se mencionó acerca de la respuesta específica y diferencial de cada suelo frente a los factores que desencadenan y controlan la repelencia al agua en ellos Estudio de casos Con el fin de ampliar el conocimiento que se tiene sobre la variabilidad del WDPT en Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, se llevaron a cabo los siguientes ensayos: 114

122 Caracterización de la persistencia de la repelencia potencial al agua en suelos provenientes de 4 coberturas vegetales Se analizaron 116 muestras del horizonte superficial del suelo mineral provenientes de 4 coberturas vegetales: Pinus patula (PAT) (39 muestras), Pinus elliottii (ELL) (20 muestras), Cupressus lusitanica (CIP) (38 muestras) y Roble (Quercus humboldtii) (ROB) (19 muestras). Se evaluó la persistencia de la repelencia potencial al agua con el WDPT en muestras secadas a 35 C (WD 35) y a 105 C (WD 105) en horno, durante 24 horas y tamizadas a 2 mm; se colocaron tres gotas de agua destilada y se tomó el promedio como valor de la persistencia de la repelencia al agua. Se tuvo un tiempo máximo de observación de 3600 s. Los principales estadísticos de la persistencia de la repelencia potencial al agua se presentan en la Tabla 3.9 y la frecuencia de distribución de las muestras por clase de WDPT, según Dekker y Jungerius (1990) (ver Tabla 3.5), se presenta en la Figura 3.4. TABLA 3.9. Principales estadísticos de la persistencia (WDPT) de la repelencia potencial al agua en Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, en muestras secadas a 2 temperaturas, provenientes de 4 coberturas vegetales, con base en 116 muestras. Estadístico WDPT 35 (s) WDPT 105 (s) Valor mínimo (s) 0 0 Valor máximo (s) > 3600 > 3600 Cuartil inferior (s) Porcentaje 100% 80% 60% 40% 20% 0% WDPT 35 WDPT 105 Clase 0 Clase 1 Clase 2 Clase 3 Clase 4 FIGURA 3.4. Distribución de frecuencia relativa, por clase de WDPT, de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas provenientes de 4 coberturas vegetales y con muestras secadas a dos temperaturas. 115

123 De la tabla y figura anteriores se desprende que las muestras analizadas presentan, en una buena proporción, valores altos de persistencia en la repelencia potencial al agua, tanto cuando se secan a 35 C, como cuando se secan a 105 C. De todas maneras se aprecia que el secado a 105 C aumenta sensiblemente la cantidad de muestras con un WDPT > 3600 s. Este comportamiento ya se ha mencionado y analizado ampliamente en apartes anteriores Variabilidad aleatoria de la persistencia de la repelencia potencial al agua Para llevar a cabo este análisis se hizo una depuración de la base de datos original (la de 116 muestras), eliminando aquellas muestras que presentaron WDPT > 3600 s. Después de este procedimiento sólo quedaron muestras suficientes del WDPT evaluado a 35 C por lo que solamente se trabajó con esta variable en una base de datos conformada por 61 muestras. Los principales estadísticos del WDPT de muestras secadas a 35 C se presentan en la Tabla En esta tabla son notables: La alta diferencia entre el promedio y la mediana. El amplio rango de valores que se presentan en el WDPT. La alta asimetría que se presenta en la distribución de los datos. El alto coeficiente de variación. TABLA Principales estadísticos de la persistencia (WDPT) de la repelencia al agua de Andisoles bajo 4 coberturas vegetales de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, evaluada en muestras secadas a 35 C y cuyo WDPT fue < 3600 s (n = 61). Estadístico Valor Promedio (s) Mediana (s) Valor mínimo (s) 0.69 Valor máximo (s) Cuartil inferior (s) Cuartil superior (s) Asimetría 5.97 Coeficiente de variación (%) Los valores de la asimetría y de la diferencia entre promedio y mediana sugieren una distribución de los datos bastante sesgada y lejos de ajustarse a una distribución normal; ésto se confirmó al hacer el histograma de distribución de frecuencias que se presenta en la Figura 3.5, el cual refleja que, efectivamente, la distribución no es normal. El comportamiento analizado anteriormente confirma algo que ya se ha mencionado en varias oportunidades en este documento y es que la persistencia de la repelencia al agua en el suelo, particularmente en los Andisoles trabajados aquí, tiene una alta variabilidad aleatoria. En este trabajo se tienen como factores determinantes en dicha variabilidad el tipo de cobertura vegetal que estaba ocupando los suelos y la variación en la granulometría de la muestra que se utilizó para hacer las evaluaciones (ver Figura 3.2), por lo que ellos se estudian a continuación. 116

124 80 Porcentaje WDPT 35 (s) FIGURA 3.5. Histograma de frecuencia relativa del WDPT de muestras de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas secadas a 35 C, excluyendo las muestras con WDPT > 3600 s. Con el fin de ampliar el estudio de la variabilidad de la persistencia, se hizo un análisis univariado con todas las replicaciones hechas (tres por muestra, para un total de 183), para establecer el coeficiente de variación de cada una de ellas y los resultados obtenidos se presentan en la Tabla TABLA Algunos estadísticos del coeficiente de variación de la persistencia (WDPT) de la repelencia al agua de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, con 4 coberturas vegetales, determinado en muestras secadas a 35 C que tuvieron WDPT < 3600 s y por triplicado (n = 61). Estadístico Valor Promedio (s) Mediana (s) Desviación estándar Valor mínimo (s) 3.57 Valor máximo (s) Cuartil inferior (s) Cuartil superior (s) Asimetría 2.92 Coeficiente de variación (%) La tabla anterior muestra que el coeficiente de variación del WDPT, por muestra, puede tener valores muy altos y, además, que tiene un amplio rango de variación aunque, si se comparan sus valores con el coeficiente general presentado en la Tabla 3.10, son más bajos que aquel. De todas formas, el coeficiente de variación global para este análisis (63.38 %) es alto y, cuando se grafica el histograma de la distribución de dichos coeficientes, como puede verse en la Figura 3.6, se comprueba que más de la mitad de las muestras presentan coeficientes comprendidos entre 20 y 60 %. 117

125 Porcentaje Coeficiente de variación (%) del WDPT 35 FIGURA 3.6. Histograma de distribución de los valores del coeficiente de variación de la persistencia (WDPT) de la repelencia al agua en Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, obtenidos en muestras secadas a 35 C, con WDPT < 3600 s y por triplicado Efecto de la cobertura vegetal en la persistencia de la repelencia potencial al agua Para estudiar el efecto de la cobertura vegetal sobre la persistencia de la repelencia al agua, las muestras se agruparon según este factor y se sometieron a un análisis univariado cuyos resultados se presentan en la Tabla Nótese que el secado de las muestras a 105 C tiende a incrementar el valor de los estadísticos evaluados, es decir, a aumentar la persistencia de la repelencia al agua de los suelos, como ya se ha discutido anteriormente. TABLA Principales estadísticos de la persistencia (WDPT) de la repelencia al agua de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, agrupados bajo 4 coberturas vegetales, evaluada con muestras secadas a 35 (WD 35) y a 105 C (WD 105). Estadístico Cobertura vegetal P. patula P. elliottii C. lusitanica Q. humboldtii WD 35 Número de muestras Mediana (s) > Moda (s) > 3600 > 3600 > 3600 > 3600 Valor mínimo (s) Valor máximo (s) > 3600 > 3600 > 3600 > 3600 Cuartil inferior (s) WD 105 Mediana (s) > 3600 > 3600 > Moda (s) > 3600 > 3600 > 3600 > 3600 Valor mínimo (s) Valor máximo (s) > 3600 > 3600 > 3600 > 3600 Cuartil inferior (s)

126 En vista de las diferencias que se observan en los estadísticos entre las coberturas, se hizo una depuración de la base de datos para eliminar las muestras que tuvieron WDPT > 3600 s y con las muestras que quedaron se llevó a cabo un análisis de comparación de medianas de Kruskal- Wallis cuyos resultados que muestran en la Figura 3.7. Cobertura vegetal CIP ELL PAT ROB WDPT 35 (s) FIGURA 3.7. Gráfica de bigotes mostrando el resultado del análisis de Kruskal-Wallis de comparación de medianas entre coberturas (ver Numeral ), para la persistencia de la repelencia al agua de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, con muestras secadas a 35 C que tuvieron WDPT < 3600 s. En la figura anterior se aprecia que no hay diferencia significativa entre las diversas coberturas, utilizando muestras de suelos que tuvieron una persistencia menor a 3600 s. Además, obsérvese que, exceptuando el P. elliottii, las demás coberturas tienen valores anómalos de WDPT que inciden en el comportamiento de su variabilidad y que no pueden ser eliminados para los análisis porque no se tiene suficiente información que sustente esa determinación. En la Tabla 3.13 se exponen algunos estadísticos de la persistencia en los grupos formados por cobertura. TABLA Principales estadísticos de la persistencia (WDPT) de la repelencia al agua de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, agrupados por tipo de cobertura vegetal y con muestras secadas a 35 C que tuvieron WDPT < 3600 s. Estadístico Cobertura vegetal P. patula P. elliottii C. lusitanica Q. humboldtii Número de muestras Promedio (s) Mediana (s) Desviación estándar Valor mínimo (s) Valor máximo (s) Cuartil inferior (s) Cuartil superior (s) Asimetría Coeficiente de variación (%)

127 En la tabla anterior llama la atención la gran cantidad de muestras de ciprés que se tienen que eliminar al depurar la base de datos para trabajar sólo con muestras que tuvieron WDPT < 3600 s. Ésto da idea de la magnitud de la persistencia que se puede generar bajo ciprés, la cual debe ser confirmada y analizada con estudios más detallados y específicos para esta especie ya que, hasta ahora, no se ha estudiado en Colombia y en la literatura no se encuentra información acerca de su papel sobre la repelencia al agua en el suelo. También son notables los altos coeficientes de variación que se obtienen para el WDPT en todas las coberturas, comparables con el coeficiente global presentado en la Tabla 3.10, aunque algunos deben tomarse con la precaución que impone el bajo número de muestras con el que se contó para establecerlos. Con los coeficientes de variación de cada muestra también se hizo un análisis univariado, agrupando las muestras por cobertura, obteniendo los resultados que se exponen en la Tabla 3.14 TABLA Principales estadísticos del coeficiente de variación de la persistencia (WDPT) de la repelencia al agua de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, agrupados por tipo de cobertura vegetal y con muestras secadas a 35 C que tuvieron WDPT < 3600 s. Estadístico Cobertura vegetal P. patula P. elliottii C. lusitanica Q. humboldtii Número de muestras Promedio (s) Mediana (s) Desviación estándar Valor mínimo (s) Valor máximo (s) Cuartil inferior (s) Cuartil superior (s) Asimetría Coeficiente de variación (%) En la tabla anterior es notable la diferencia que se presenta entre los coeficientes de variación de las plantaciones forestales con el de la cobertura natural; sin embargo, al llevar a cabo un análisis de Kruskal-Wallis no se encontró diferencia significativa, al 95 %, entre los coeficientes, debida a las diversas coberturas vegetales, como se aprecia en la Figura Efecto del tamizado de las muestras sobre la persistencia de la repelencia potencial al agua Se seleccionaron 28 muestras de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas. Fueron tomadas 9 muestras en suelo bajo cobertura de P. patula, 6 en P. elliottii, 6 en C. lusitanica y 7 en Q. humboldtii. Todas las muestras se secaron en horno a 35 C, se tamizaron a 2 mm y luego se separaron en dos fracciones por tamaño: Entre 2 y 1 mm y < 1 mm. En cada una de las fracciones se determinó la persistencia de la repelencia al agua con el WDPT, colocando 3 gotas de agua destilada sobre la superficie suavizada de la muestra y contabilizando el tiempo que gastaba cada una en entrar completamente en el suelo; el tiempo máximo de observación fue de 1800 s. 120

128 Cobertura vegetal CIP ELL PAT ROB Coeficiente de variación del WDPT 35 (%) FIGURA 3.8. Gráfica de bigotes mostrando el resultado del análisis de Kruskal-Wallis hecho al coeficiente de variación de la persistencia (WDPT) de la repelencia al agua en Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, evaluada en muestras secadas a 35 C, con WDPT < 3600 s y agrupadas por cobertura vegetal (ver Numeral ). Los principales resultados obtenidos en la determinación del WDPT en las muestras fraccionadas se resumen en las Figuras 3.9 y 3.10, así como en la Tabla Cantidad de muestras WDPT (s) fracción 0 a 1 mm WDPT (s) fracción 1 a 2 mm FIGURA 3.9. Comparación de la distribución de frecuencia de muestras para el WDPT medido en dos fracciones de tamaño de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, secadas a 35 C y provenientes de suelos bajo 4 coberturas vegetales. 121

129 WDPT (s) muestra completa WDPT (s) muestra completa Cantidad de muestras WDPT (s) fracción 0 a 1 mm Cantidad de muestras WDPT (s) fracción 1 a 2 mm FIGURA Comparación de las distribuciones de frecuencia del WDPT de las muestras, fraccionadas y sin fraccionar, de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, provenientes de suelos bajo 4 coberturas vegetales y con muestras secadas a 35 C. TABLA Principales estadísticos del WDPT de las muestras fraccionadas y sin fraccionar de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, provenientes de suelos bajo 4 coberturas vegetales y con muestras secadas a 35 C (n = 28). Estadístico Fracción estudiada Sin fraccionar 2 a 1 mm < 1 mm Mediana (s) Moda (s) > 1800 > 1800 > 1800 Valor mínimo (s) Valor máximo (s) > 1800 > 1800 > 1800 Cuartil inferior (s) Para poder apreciar la variabilidad del WDPT medido, se eliminaron las muestras que presentaron una persistencia mayor a 1800 s y se repitieron los análisis univariados, con los resultados que se exponen en la Tabla En esta tabla se puede apreciar que el coeficiente de variación en las tres variables es bastante alto y similar entre ellas. Al hacer un análisis de comparación entre las muestras para comprobar la hipótesis de igualdad en las distribuciones que ellas presentan, así como de igualdad en las medianas, se confirmó que, con una confiabilidad del 95%, no hay diferencias estadísticamente significativas ni entre las distribuciones (prueba de Kolmogorov-Smirnov con valor de P > 0.05) ni entre las medianas (prueba de Mann-Whitney con valor de P > 0.05) del WDPT de las fracciones y de éstas con la muestra de suelo sin fraccionar. Aparentemente no se gana precisión al fraccionar las muestras para someterlas a evaluación de la persistencia de su repelencia al agua, por lo menos para los suelos estudiados aquí, cuando el valor del WDPT es menor a 1800 s. Tampoco se encontró diferencia significativa estadísticamente entre los valores de la persistencia de la repelencia al agua, entre muestras con WDPT < 1800 s, al agruparlas por cobertura y someterlas a una prueba de Kruskal-Wallis. 122

130 TABLA Principales estadísticos del WDPT de las muestras fraccionadas y sin fraccionar de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, provenientes de suelos bajo 4 coberturas vegetales, con muestras secadas a 35 C y con WDPT < 1800 s. Estadístico Fracción estudiada Sin fraccionar 2 a 1 mm < 1 mm Número de muestras Promedio (s) Mediana (s) Moda (s) Desviación estándar Valor mínimo (s) Valor máximo (s) Cuartil inferior (s) Cuartil superior (s) Asimetría Coeficiente de variación (%) A pesar de que los resultados de las comparaciones hechas no muestran diferencias significativas entre muestras, es notable que en la fracción de menor tamaño se presentan los mayores valores de persistencia de la repelencia al agua, comparada con los resultados obtenidos en la fracción de 1 a 2 mm. El tamizado de las muestras a este tamaño elimina una buena cantidad de material orgánico fresco que probablemente no tiene un efecto notable sobre la repelencia en sí mismo pero que sí deja de ser un factor de dilución de los otros compuestos orgánicos que sí son hidrofóbicos y que se pueden manifestar más enérgicamente. Este comportamiento en las fracciones más finas del suelo ya se ha comentado antes, a la luz de trabajos como los de Bisdom et al (1993), Jaramillo (2001a) y Mataix-Solera y Doerr (2004). Después de los análisis llevados a cabo hasta aquí, se procedió a estudiar directamente el comportamiento del coeficiente de variación de las muestras, después de eliminar aquellas que presentaron WDPT > 1800 s. En la Tabla 3.17 se resumen los principales estadísticos de esta variable. Al hacer un análisis de comparación de muestras, no se encontró diferencia estadísticamente significativa ni entre las distribuciones ni entre las medianas de los coeficientes de variación de la persistencia, evaluada por muestra. Los resultados de la Tabla 3.17, así como el resultado de la comparación de las muestras que se hizo, sugieren que el fraccionamiento de las muestras para evaluar su persistencia no mejora la precisión con la que se hacen dichas determinaciones. Los valores más altos y los rangos más amplios en los coeficientes de variación se presentaron en las muestras que fueron fraccionadas al menor tamaño, lo que puede estar reflejando una mayor variabilidad de los factores que controlan la repelencia al agua en los suelos, en esta fracción. 123

131 TABLA Principales estadísticos del coeficiente de variación de las muestras fraccionadas y sin fraccionar de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, provenientes de suelos bajo 4 coberturas vegetales, con muestras secadas a 35 C y con WDPT < 1800 s. Estadístico Fracción estudiada Sin fraccionar 2 a 1 mm < 1 mm Número de muestras Promedio (s) Mediana (s) Moda (s) Desviación estándar Valor mínimo (s) Valor máximo (s) Cuartil inferior (s) Cuartil superior (s) Asimetría Coeficiente de variación (%) Efecto del secado y almacenamiento de las muestras a 105 C durante varios días seguidos, sobre la persistencia de la repelencia potencial al agua Se tomaron 7 muestras de Andisoles de la cuenca de Piedras Blancas bajo 3 coberturas vegetales: 4 en P. patula, 2 en Q. humboldtii y una en P. elliottii. Los suelos se seleccionaron teniendo en cuenta que al secarlos inicialmente a 35 C, presentaran un WDPT < 1800 s. Las muestras fueron tamizadas a 2 mm, secadas a 35 C y divididas en 2 submuestras: una se dejó al aire en el laboratorio a temperatura entre 22 y 24 C y la otra se colocó en el horno a 105 C todo el tiempo. A cada submuestra se le determinó la persistencia de la repelencia al agua con el método del WDPT durante 9 días consecutivos, haciendo una determinación diaria, excepto en el cuarto día, colocando 3 gotas de agua destilada sobre la superficie suavizada del suelo y tomando como valor de la persistencia el valor promedio del tiempo gastado por las tres gotas en entrar al suelo. Las medidas se hicieron a la 1 pm para evitar excesos de humedad relativa en el ambiente del laboratorio. Los resultados de las determinaciones diarias del WDPT se presentan en la Figura 3.11 y los coeficientes de variación correspondientes a cada determinación, en la Tabla En la figura mencionada, aparecen varios códigos de muestras sin barras, lo que significa que el valor de su WDPT fue todos los días de cero. Se aprecia en la figura que no hay ninguna tendencia definida en el comportamiento de la persistencia, en ninguna condición de almacenamiento de las muestras, confirmándose, nuevamente, la respuesta diferencial y particular de cada suelo frente a la repelencia al agua. Tampoco se aprecia ninguna tendencia en los coeficientes de variación de la Tabla Lo que sí es claro en dicha tabla es que los coeficientes también tienen una amplia variabilidad en sus valores: Obsérvese que, por ejemplo, la muestra tiene coeficientes en la muestra mantenida al aire en el laboratorio que varían entre 8.06 y % y este cambio se produce en un solo día 124

132 de diferencia entre las medidas, sin haber mediado entre ellas un cambio drástico en las condiciones ambientales de almacenamiento que pudiera explicarlo (Doerr et al, 2002b). WDPT 35 promedio (s) Código de la muestra Día 0 Día 1 Día 2 Día 3 Día 5 Día 6 Día 7 Día 8 Día 9 a. WDPT 105 promedio (s) Código de la muestra Día 0 Día 1 Día 2 Día 3 Día 5 Día 6 Día 7 Día 8 Día 9 b. FIGURA Valores diarios del WDPT en algunas muestras de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas seleccionadas, secadas a 35 C y almacenadas en laboratorio: a. A temperatura entre 22 y 24ºC y b. En estufa a 105ºC. 125

133 TABLA Coeficientes de variación (%) de los valores promedios de tres replicaciones de persistencia (WDPT) de la repelencia al agua en Andisoles bajo diferentes coberturas de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, determinada diariamente sobre muestras secadas a 35 C y dejadas al aire entre 22 y 24 C y sobre muestras mantenidas en horno a 105 C. Día de medida Muestra WDPT al aire en el laboratorio WDPT a 105 C Los valores del WDPT de cada una de las muestras fueron sometidos a un análisis de comparación no paramétrico (Kruskal-Wallis) entre los días de medida, encontrándose que no hubo diferencias estadísticamente significativas entre los diferentes días, para la misma muestra. Además, se hizo un análisis de comparación no paramétrico de los valores del WDPT de las muestras mantenidas al aire con los de las muestras mantenidas en horno a 105 C (Mann- Whitney), encontrándose diferencias altamente significativas (> 99%) entre la repelencia al agua de las muestras, medida en las dos condiciones de almacenamiento, el mismo día Comparación de la mediana y la media de los valores del WDPT Dekker y Ritsema (1994b) y Dekker (1998) han utilizado, para caracterizar la persistencia de la repelencia al agua en los suelos, la prueba del WDPT colocando tres gotas de agua destilada sobre la superficie suavizada de la muestra, pero tomando como tiempo para definirla, el tiempo gastado por la segunda gota en penetrar completamente en aquel. Con el fin de establecer que tanto se aproxima la caracterización de la persistencia con el valor de la mediana, al valor promedio que se ha utilizado ampliamente para hacerlo, se hizo un análisis de comparación de muestras entre esos dos valores para 116 muestras de Andisoles de la cuenca de Piedras Blancas. En la Figura 3.12 se presentan las gráficas que muestran los valores medianos y promedios del WDPT de las muestras analizada, después de haber sido secadas a 35 y a 105 C. 126

134 Mediana WDPT (s) Promedio WDPT (s) Mediana WDPT (s) a. b Promedio WDPT (s) FIGURA Relación Entre los valores de la mediana y la media del WDPT medido en Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, en muestras secadas a: a. A 35 C. b. A 105 C. Cuando se hizo la comparación entre los valores representados en las gráficas mencionadas (prueba de Mann-Whitney), no se obtuvieron diferencias estadísticamente significativas (al 95%) entre ellos Conclusiones Con las observaciones hechas en este estudio de caso, se puede concluir que: La persistencia de la repelencia al agua en Andisoles de la cuenca de Piedras Blancas es alta y se presenta en coberturas de pinos, ciprés y roble. El secado de las muestras a 105 C expresa la persistencia potencial extrema de la repelencia al agua, ya que el valor del WDPT determinado bajo esta condición es el más alto obtenido. La variabilidad aleatoria de la persistencia de la repelencia al agua es muy alta; los coeficientes de variación, en determinados casos, pueden llegar a presentar valores mayores al 100%. Además, entre los valores del coeficiente de variación también hay una alta variabilidad. Cuando se analizaron las muestras con WDPT < 1800 s, no se encontró diferencia significativa entre las medianas de los valores del WDPT ni entre los del coeficiente de variación, debidas a las coberturas vegetales. No se encontró diferencia significativa entre los valores de las medianas del WDPT ni entre los coeficientes de variación, al fraccionar las muestras en tamaños de 1 a 2 mm y < 1 mm y compararlas entre ellas y con el suelo sin fraccionar. No se pudo establecer una tendencia que permita prever el comportamiento de la repelencia al agua en suelos almacenados bajo diferentes condiciones, durante cortos períodos de tiempo. No se encontró diferencia significativa entre los valores promedio y mediano del WDPT de muestras secadas a diferentes condiciones. Se puede aceptar la hipótesis de que cada suelo responde en forma particular ante el fenómeno de la repelencia al agua. 127

135 Variabilidad aleatoria de las medidas con la solución de etanol al 15% Jaramillo (2001a) llevó a cabo un estudio sobre el efecto de la hidrofobicidad en la estructura de algunos Andisoles de la cuenca de Piedras Blancas. Los suelos utilizados los fraccionó en 7 grupos por tamaño mediante tamizado en seco y en cada fracción evaluó la persistencia de la repelencia al agua, midiendo el tiempo promedio que gastaba una gota de una solución de etanol al 15% en penetrar completamente en el suelo correspondiente. El tiempo máximo de observación seleccionado fue de 600 s. Los resultados de tiempo que obtuvo en las muestras que presentaron al menos un grupo de tamaño de agregados con menos de 600 s se presentan en la Tabla TABLA Tiempo (s) gastado por una gota de solución de etanol al 15 % para penetrar completamente en muestras de agregados de diferentes tamaños tamizados en seco de Andisoles repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas (promedio de 5 determinaciones). Datos tomados de Jaramillo (2001a). Muestra Tamaño de agregados (mm) > < 0.1 S S1-3b PBC PBC R > 600 > 600 > 600 > 600 PBC > 600 > 600 > 600 > 600 PBT > 600 > 600 > 600 > 600 M > 600 > 600 > 600 > 600 > 600 R > 600 > 600 > 600 > 600 > 600 R > 600 > 600 > 600 > 600 > 600 R > 600 > 600 > 600 > 600 > 600 > 600 R > 600 > 600 > 600 > 600 > 600 > 600 R > 600 > 600 > 600 > 600 > 600 > 600 M > 600 > 600 > 600 > 600 > 600 > 600 Los resultados de la Tabla 3.19 confirman las observaciones de Bisdom et al (1993), en el sentido de que en un suelo hidrofóbico, no necesariamente todos los agregados lo son, sino que pueden haber agregados completamente humectables, aunque no alcancen a cambiar el comportamiento del suelo en su conjunto. Se observa en la tabla anterior que el tiempo gastado por la solución en penetrar en el suelo aumenta al disminuir el tamaño de los agregados, sobre todo en aquellas muestras más repelentes al agua. Al establecer los coeficientes de variación de los valores de persistencia obtenidos, al interior de cada fracción de agregados, se observó una alta variabilidad entre las determinaciones, como lo muestran los valores de la Tabla 3.20; estos coeficientes fueron mayores en las fracciones de mayor tamaño, sugiriendo grandes diferencias superficiales en los recubrimientos de los peds por las substancias hidrofóbicas que acumulan, situación encontrada por Fink (1970) y por Dekker (1998) y observada en el trabajo de Jaramillo (2001a). 128

136 TABLA Coeficientes de variación (%) del tiempo de entrada de una gota de solución de etanol al 15% en fracciones de diferente tamaño de agregados, tamizados en seco, de Andisoles repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras blancas. Datos tomados de Jaramillo (2001a). Muestra Coeficientes de variación ( % ) > < 0.1 S S1-3b PBC PBC R PBC PBT M R R R R R M Al analizar los coeficientes de variación expuestos en la Tabla 3.20, en las muestras donde hay suficiente información, se observa que los menores valores de estos coeficientes se presentan en agregados menores de 1 mm de diámetro, pareciendo acertada la recomendación que hace King (1981), de que la hidrofobicidad del suelo se mida en muestras tamizadas a 1 mm; esta recomendación es especialmente válida, si se tienen en cuenta los altos valores que se obtuvieron en los coeficientes de variación con los agregados de tamaño mayor al recomendado VARIABILIDAD ESPACIAL Si la variabilidad aleatoria de la repelencia al agua es alta, la variabilidad espacial no lo es menos Variabilidad espacial del MED Roy et al (2000) hicieron evaluaciones de variabilidad espacial de la repelencia al agua en suelos de Canadá, en cuadrículas rectangulares con espaciamiento regular entre los puntos de muestreo que cubrían parches hidrofóbicos completos e incluían partes de suelos normal que se encontraba alrededor de los parches y que era tomado como control. El muestreo lo hicieron en dos profundidades: En la capa superficial de 0 a 10 cm y en una capa de 20 a 30 cm de profundidad. El espaciamiento entre muestras en la malla, fue variable entre los sitios porque se ajustaba de manera que se tuvieran al menos 24 puntos en ella, la mitad de los cuales debían quedar en el parche hidrofóbico y la otra mitad en el suelo normal; de todas formas éste no debió haber sido muy amplio, puesto que la mayoría de los parches fue de menos de 1 ha, con mediana de 0.38 ha. En la Figura 3.13 se presentan los valores del MED obtenidos en la malla de uno de los sitios estudiados por Roy et al (2000) en la cual, los valores en negro corresponden al MED de los primeros 10 cm del suelo y los que están en gris, son de la capa de 20 a 30 cm de profundidad. 129

137 FIGURA Valores del MED obtenidos en una cuadrícula en un parche repelente al agua de Canadá. En negro los valores correspondientes a los primeros 10 cm del suelo y en gris, los de una capa ubicada entre 20 y 30 cm de profundidad. Datos tomados de Roy et al (2000). Se observa en la figura anterior la amplia variabilidad que se presenta entre los valores del MED obtenidos en ambas profundidades de muestreo. Al comparar los valores superficiales con sus correspondientes ubicados entre 20 y 30 cm de profundidad, también se aprecia la gran variabilidad que se da en el MED, en estos suelos, en el sentido vertical. Dekker y Ritsema (1995) también encontraron una alta variabilidad espacial en el grado de repelencia potencial al agua, medido con la prueba del porcentaje de alcohol, en suelos franco limosos de Holanda, como se ilustra en la Figura La gráfica que se presenta en dicha figura pone de manifiesto que la variabilidad espacial obtenida en ese suelo, no sólo es muy alta, sino que, además, es de rango muy corto: El espaciamiento entre muestras tomadas en el transecto representado es de aproximadamente 6 cm. También se alcanza a apreciar en la figura mencionada que hay una aparente tendencia en la distribución de los valores de porcentaje de alcohol: Los valores más altos se presentan entre 0 y 150 cm, mientras que los más bajos se ubican entre los 150 y los 300 cm del transecto. Dekker y Ritsema (1994b) hicieron un muestreo intensivo en suelos arenosos de Holanda: 6 transectos estudiados en diferentes épocas cada uno y en 5 profundidades. Evaluaron la repelencia potencial al agua en cada uno de ellos con el método del porcentaje de alcohol. Encontraron una alta variabilidad espacial en el grado de repelencia al agua en todas las secciones verticales estudiadas, con patrones de distribución muy irregulares y relativamente pocas diferencias entre los transectos, como puede apreciarse en las gráficas de la Figura

138 FIGURA Variabilidad espacial del grado de repelencia al agua en un suelo franco limoso de Holanda. Modificada para su presentación de Dekker y Ritsema (1995). FIGURA Variabilidad espacial de la distribución vertical de la repelencia al agua en 6 transectos hechos en suelos arenosos de Holanda, muestreados en diferentes épocas. Modificado para su presentación de Dekker (1998). 131

139 Variabilidad espacial del WDPT Dekker y Jungerius (1990) encontraron que en suelos arenosos de dunas, en Holanda, bajo el mismo tipo de vegetación herbácea, se presentaba una amplia variación en el WDPT de muestras, tanto superficiales como subsuperficiales, en cortas distancias horizontales y verticales. Ritsema et al (1997) detectaron una amplia variabilidad espacial de rango muy corto (de centímetros) en la repelencia potencial al agua, medida con el WDPT, de los suelos arenosos de dunas de Holanda que trabajaron, tanto en los cortes verticales que hicieron en el campo para muestrear los perfiles del suelo, como en el sentido horizontal de las capas que muestrearon a diferentes profundidades dentro del mismo suelo. Concluyeron que tal grado de variabilidad pudo ser causado por la distribución heterogénea de las sustancias húmicas repelentes al agua. Ritsema y Dekker (1995) estudiaron la variabilidad espacial de rango corto de la repelencia potencial al agua en la superficie de un suelo arenoso de Holanda, en una cuadrícula de 120 x 60 cm y encontraron la distribución que se presenta en la Figura Es notable la distribución en parches de la repelencia al agua en estos suelos. FIGURA Variabilidad espacial superficial de la repelencia al agua en un suelo arenoso de Holanda. Modificada para su presentación de Ritsema (1998). Dekker y Ritsema (1994b, 1996, 2000), Dekker (1998), Ritsema (1998) y Dekker et al (2001) ilustran ampliamente la alta variabilidad espacial de rango corto que se presenta en suelos de textura gruesa de Holanda. Ritsema (1998), Ritsema y Dekker (1996b) y Ritsema et al (1997) han trabajado en la forma de visualizar de manera tridimensional la distribución de la repelencia al agua del suelo y han obtenido imágenes como la que se muestra en la Figura 3.17, en la cual se aprecia que la variabilidad espacial de esta propiedad sigue siendo alta y de rango corto. 132

140 FIGURA Visualización tridimensional de iso-clases de WDPT en un suelo arenoso de Holanda. La leyenda de colores se refiere a la clase de WDPT: El número 1 (color rojo) indica suelo humectable y el 10 indica suelo con clase de WDPT > 6 horas. Ver explicación en el texto. Tomada de Ritsema (1998). En la figura anterior se presenta la iso-superficie de la clase de WDPT entre 3 y 4 horas en un bloque de suelo de 2.2 x 0.4 x 0.74 m. En la gráfica A se muestra la variación de las clases de WDPT en un plano horizontal y en la B, esa variación, pero en un plano vertical. Jaramillo (2003a) también encontró una alta variabilidad espacial de rango corto en 6 perfiles verticales de Andisoles, bajo cobertura de P. patula de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas. En la Figura 3.18 se presentan los mapas de uno de los transectos trabajados en los que se aprecia el incremento en la repelencia al agua por efecto del secado a 105 C y el patrón de distribución irregular del WDPT en el perfil del suelo en las dos condiciones de secado. Para visualizar la repelencia al agua fue necesario transformar los límites inferiores de las clases de WDPT propuestas por Dekker y Jungerius (1990) a logaritmo en base 2 y estos valores son los que se presentan en los mapas. Las irregularidades que se aprecian en la distribución de la repelencia al agua en estos suelos pueden generar fácilmente vías de flujo preferencial. 133

141 Log2 del límite inferior de la clase de WDPT_ Profundidad (cm) Distancia horizontal (cm) Log2 del límite inferior de la clase de WDPT_ Profundidad (cm) Distancia horizontal (cm) FIGURA Variabilidad espacial vertical de la repelencia potencial (a 35 y a 105 C) al agua de un Andisol de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas bajo cobertura de P. patula. Tomada de Jaramillo (2003a). En los Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas también se determinó una ata variabilidad espacial horizontal de la repelencia al agua, como se puede apreciar en el mapa que se presenta en la Figura En dicho mapa, levantado a mano en una cuadrícula regular de 100 x 40 m, se puede apreciar que la variabilidad espacial es de rango muy corto, tal como lo han reportado otros autores citados anteriormente, y es obvio el patrón de parches en la distribución del fenómeno. Otro aspecto interesante de este mapa es que insinúa la presencia de anisotropía en la distribución de la variabilidad espacial de la repelencia al agua: Nótese que hay un patrón en la forma de las unidades delimitadas, con una tendencia alargada en la dirección este-oeste, el cual no se presenta en la dirección norte-sur. 134

142 FIGURA Variabilidad espacial superficial de la repelencia al agua en Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, bajo cobertura de P. patula. Tomada de Castillo y Gómez (1995). Vanegas (2003) confirmó la existencia de anisotropía en la distribución de la repelencia al agua, en el sentido vertical, en varios perfiles de Andisoles que estudió en la cuenca de Piedras Blancas, bajo coberturas de pino y de roble y muestreados en épocas secas y húmedas. En las Figuras 3.20 y 3.21 se presentan los mapas correspondientes a los transectos obtenidos bajo coberturas natural y de pino, respectivamente, muestreados en la época seca (Febrero), en dos direcciones ortogonales entre sí y con el WDPT determinado en campo (repelencia real) y en muestras estabilizadas en el laboratorio a 15 C. Los suelos estudiados fueron muestreados cada 5 cm en el sentido horizontal y en 4 profundidades. Nótese en estos mapas cómo hay dos patrones completamente diferentes en la distribución de la repelencia al agua en los dos transectos ubicados en el mismo sitio y como es notable la formación de una vía de flujo preferencial desde la superficie del suelo, entre 35 y 50 cm de distancia horizontal, en el transecto bajo cobertura natural de dirección este-oeste. A una escala de trabajo mayor, el autor de este documento estableció la variabilidad espacial superficial de rango largo que podría presentarse en la cuenca de Piedras Blancas, mediante un muestreo hecho en ella, en forma aleatoria, tratando de cubrirla completamente y observando diferentes coberturas vegetales. Para producir estos mapas, la repelencia al agua de cada muestra se caracterizó con las clases propuestas por Dekker y Jungerius (1990); luego, los valores de los límites inferiores de cada clase fueron transformados a logaritmo base 2 y con los valores de esta transformación se hizo una interpolación con kriging. Los resultados obtenidos se presentan en la 135

143 Figura Se observa en esta figura que, aparentemente, no hay una gran variabilidad espacial en la repelencia al agua, falsa impresión que se genera por la escala de trabajo, como lo confirmaron Ritsema y Dekker (1996a). WDPT1_c (s) Profundidad (cm) Distancia Horizontal (cm) WDPT2_c (s) Profundidad (cm) Distancia Horizontal (cm) FIGURA Anisotropía en la distribución de la repelencia vertical al agua en dos transectos de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, bajo cobertura vegetal natural, muestreados en época seca y con direcciones ortogonales entre sí: El superior en dirección norte-sur y el inferior en dirección esteoeste. Tomada de Vanegas (2003). 136

144 WDPT5_15 (s) Profundidad (cm) Distancia Horizontal (cm) WDPT6_15 (s) Profundidad (cm) Distancia Horizontal (cm) FIGURA Anisotropía en la distribución de la repelencia vertical al agua en dos transectos de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, bajo cobertura de P. patula, muestreados en época seca y con direcciones ortogonales entre sí: El superior en dirección norte-sur y el inferior en dirección esteoeste. Tomada de Vanegas (2003). 137

145 Clase de WDPT FIGURA Mapa de la variabilidad espacial de la repelencia al agua en la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, con base en el log2 del límite inferior de la clase de repelencia al agua propuesta por Dekker y Jungerius (1990) VARIABILIDAD TEMPORAL Dekker y Ritsema (1995) sostienen que la repelencia al agua es una propiedad del suelo, dependiente del tiempo. Doerr y Thomas (2000), entre otros investigadores han observado que el suelo es más repelente al agua cuando está seco y menos repelente, e incluso, hidrofílico, cuando está húmedo. Ritsema et al (1997) observaron que la repelencia real al agua cambia más rápidamente, con el tiempo, que la repelencia potencial, debido a que los cambios en la primera están controlados por cambios en la humedad del suelo, mientras que los cambios en la segunda se dan obedeciendo a cambios en la cantidad y/o calidad de las sustancias húmicas hidrofóbicas y éstas transformaciones requieren de más tiempo que los cambios en humedad. 138

146 Dekker y Ritsema (1995) ilustran, en la Figura 3.23, la variabilidad que se presenta en el patrón de distribución de las zonas repelentes y no repelentes al agua en suelos franco limosos de Holanda, muestreados en diferentes épocas. FIGURA Variabilidad temporal de la repelencia real al agua en un suelo franco limoso de Holanda. Modificado para su presentación de Dekker (1998). Una fuerte evidencia de la alta variabilidad temporal que se presenta en la repelencia al agua en el suelo la suministran las gráficas de distribución de muestras, por clase de WDPT, obtenidas por Dekker et al (2001) y que se muestran en la Figura Obsérvese que la repelencia real que se obtiene en las profundidades de 2.5 a 19 cm, muestreando los suelos en la época más seca (septiembre), es prácticamente la misma que la repelencia potencial de esos suelos, cuando las muestras se secan a 25 y 65 C. Nótese que en el muestreo de la época húmeda hay contrastes importantes entre la repelencia real y la potencial a 25 y 65 C. Vanegas (2003) también comprobó la variabilidad temporal de la repelencia al agua en Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, tanto en suelos bajo cobertura de pinos, como en aquellos bajo cobertura vegetal natural. En las Figuras 3.25 y 3.26 se muestran los mapas de la variabilidad espacial vertical de la repelencia real y potencial a 25 C, respectivamente, de dos suelos muestreados en transectos paralelos bajo cobertura de P. patula, uno en época seca y el otro en época húmeda en la cuenca de la quebrada Piedras Blancas. Si se comparan los 4 mapas expuestos se aprecia, no sólo el efecto de la época de muestreo, sino también el efecto del secado de las muestras. Se puede apreciar en la Figura 3.25 que la repelencia real es moderada en los primeros 5 cm del suelo, cuando la determinación del WDPT se hace en época húmeda, pero cuando se hace en época seca, parece que hubiera un ascenso de la porción más repelente hasta la superficie del suelo. En la figura 3.26, la determinación del WDPT en época húmeda muestra que en algunos puntos del perfil la repelencia más severa ocupa un menor espesor del suelo, aunque en superficie, en ambas épocas, la repelencia es severa. El comportamiento anterior confirma la conclusión a la que llegaron Dekker et al (2001), en el sentido de que los cambios en la repelencia al agua en el suelo, observados en las diferentes épocas de evaluación, no sólo obedecen a variaciones en el 139

147 contenido de agua del suelo sino que también hay otros procesos que tienen lugar durante el secado del suelo en el campo, que intervienen en ellos. FIGURA Distribución de la cantidad de muestras por clase de WDPT en suelos arenosos de dunas de Holanda, con humedad de campo y secados al horno a tres temperaturas, en varias profundidades dentro del perfil, muestreados en diferentes épocas. Modificada para su presentación de Dekker et al (2001). 140

148 WDPT7_c (s) Profundidad (cm) Distancia Horizontal (cm) WDPT5_c (s) Profundidad (cm) Distancia Horizontal (cm) FIGURA Variabilidad en la distribución de la repelencia vertical real al agua en dos transectos paralelos de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, bajo cobertura de P. patula, muestreados en diferentes épocas: El superior en época húmeda y el inferior en época seca. Tomada de Vanegas (2003). 141

149 WDPT7_25 (s) Profundidad (cm) Distancia Horizontal (cm) WDPT5_25 (s) Profundidad (cm) Distancia Horizontal (cm) FIGURA Variabilidad en la distribución de la repelencia vertical potencial al agua, a 25 C, en dos transectos paralelos de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, bajo cobertura de P. patula, muestreados en diferentes épocas: El superior en época húmeda y el inferior en época seca. Tomada de Vanegas (2003). 142

150 Muchos investigadores han explicado la variabilidad temporal de la repelencia al agua en el suelo mediante un proceso de secado del mismo que genera un reacomodo de las moléculas orgánicas hidrofóbicas (Doerr et al, 2000). Cuando el suelo está húmedo, hay un efecto de dilución de los compuestos hidrofóbicos, los enlaces entre ellos y las superficies hidrofílicas son débiles y la exposición de terminales hidrofóbicos es baja, lo que genera un suelo humectable. A medida que el suelo se va secando, los enlaces entre los grupos hidrofílicos orgánicos y entre ellos y las partículas del suelo son cada vez más fuertes, produciéndose un cubrimiento de éstas más cerrado, con los grupos hidrofílicos de los recubrimientos unidos a las superficies sólidas y dejando los grupos hidrofóbicos de los mismos expuestos hacia el espacio vacío que rodea las partículas, generando una superficie repelente al agua. Un posterior humedecimiento del suelo puede regenerar la humectabilidad del mismo. Con base en el mecanismo anterior, se ha dado una gran importancia al concepto de límite crítico de humedad del suelo, como requisito para que se manifieste o no la repelencia al agua en un determinado suelo. Dicho mecanismo serviría para explicar más o menos adecuadamente la variabilidad temporal de la repelencia al agua de rango corto o estacional, es decir, entre un periodo de poca lluvia y el siguiente periodo lluvioso. Con respecto a lo anterior, Doerr y Thomas (2000) encontraron que el sólo cambio de humedad en el suelo no fue suficiente para explicar el cambio de repelencia al agua que tuvieron en suelos de textura gruesa de Portugal. Ellos sostienen que hay otros factores que intervienen en el comportamiento estacional de la repelencia al agua, como: Régimen de lluvias: Para que la repelencia desaparezca, el suelo debe ser sometido a periodos largos de humedecimiento y para que ella sea restituida completamente, también debe ser sometido a periodos prolongados de secado. Productividad biológica: Se requiere de nuevas entradas de sustancias hidrofóbicas para que la repelencia al agua sea restituida después de que el suelo ha tenido un proceso de humedecimiento, por lo cual la velocidad de restitución de la repelencia depende de la productividad biológica del ecosistema. Si la repelencia es producida por hongos, raíces y/o litter, su restitución será más rápida en ambientes cálidos húmedos. Esto explica el incremento en la repelencia al agua que algunos investigadores han observado en algunos suelos, al empezar a humedecerlos. Variabilidad espacial: La discontinuidad espacial de la repelencia puede acelerar su desaparición ya que el humedecimiento no estaría restringido al contacto directo con la lluvia o con el agua acumulada en la superficie del suelo. Hubert y Oriol (2003) estudiaron los cambios que se produjeron durante un año en la repelencia al agua de un suelo de textura gruesa que estuvo sometido a un incendio en septiembre de Encontraron fuertes cambios en el grado de repelencia al agua de los 2 primeros centímetros del suelo, en las diferentes estaciones: Antes del incendio, el 41% de la parcela experimental mostró muy baja o ninguna repelencia (WDPT < 5 s). Dos semanas después del incendio, el 25% de la superficie tenía muy baja o ninguna repelencia y se había pasado de 37 a 49% del área con repelencia moderada a extrema (WDPT > 30 s). 143

151 En diciembre, después de varias lluvias, la repelencia moderada a extrema sólo ocupaba 4% y la superficie que tenía muy baja o ninguna repelencia era del 91%. Durante el invierno y la primavera, el área de muy baja o ninguna repelencia se mantuvo alrededor del 70% y en dos ocasiones llegó al 100%. En la época seca el área afectada por repelencia al agua entre moderada y extrema fue alrededor de la mitad de la que había antes de las lluvias y, contrario a lo esperado, sólo se presentó cuando los suelos tuvieron contenidos de humedad muy bajos (< 2%). En esta época, la repelencia al agua fue más pronunciada entre 2 y 4 cm de profundidad que en los primeros 2 cm, probablemente debido a la traslocación y condensación de compuestos hidrofóbicos volatilizados durante el incendio y al lavado de algunos de ellos desde la superficie, por las lluvias del periodo consistentemente húmedo anterior. Según Hubert y Oriol (2003), los menores valores de repelencia moderada a extrema observados en la estación seca del verano se pueden deber a: Ausencia de cobertura vegetal y de litter nuevo del chaparral que suministrara compuestos orgánicos hidrofóbicos. Pérdida de suelo superficial altamente inestable localizado en pendientes muy fuertes (> 55%). Crecimiento de raíces y actividad de la microfauna. La redistribución de las cenizas dentro del suelo. Las cenizas producidas por el incendio fueron enterradas por capas de aproximadamente 2 cm de espesor de materiales que se movieron sobre su superficie. En algunas áreas las cenizas fueron enterradas hasta 10 cm de profundidad. Las cenizas son humectables y donde fueron enterradas, disminuyeron la repelencia al agua del suelo. A pesar de lo que se ha expuesto en los apartes anteriores, no debe olvidarse que la respuesta del suelo a la repelencia al agua es particular de cada uno de ellos. Además, de la discusión hecha en este capítulo, vale la pena llamar la atención acerca del hecho de que para entender cabalmente la variabilidad de la repelencia al agua en el suelo, es fundamental conocer su origen y entender su dinámica. 144

152 CAPÍTULO 4 VÍAS DE FLUJO PREFERENCIAL 4.1. DEFINICIÓN Y DESARROLLO FLUJO EN MACROPOROS FLUJO DIGITADO MECANISMO DE HUMEDECIMIENTO DE UN SUELO REPELENTE AL AGUA CON VÍAS DE FLUJO PREFERENCIAL FLUJO DE DISTRIBUCIÓN FLUJO VERTICAL FLUJO DIVERGENTE IMPORTANCIA Y EFECTOS DE LAS VÍAS DE FLUJO PREFERENCIAL EN EL SUELO EFECTO SOBRE EL MOVIMIENTO DE AGUA EFECTO SOBRE EL MOVIMIENTO DE CONTAMINANTES RECONOCIMIENTO DE LAS VÍAS DE FLUJO PREFERENCIAL EN EL CAMPO CON INFORMACIÓN DE HUMEDAD Y/O DE REPELENCIA AL AGUA...162

153

154 4.1. DEFINICIÓN Y DESARROLLO Según Doerr et al (2000), el flujo preferencial es el movimiento concentrado del agua por una vía preferencial, a través de la matriz del suelo. Las vías de flujo preferencial son aquellos caminos que permiten la concentración del flujo y el movimiento del agua. En la Figura 4.1 se ilustra una vía de flujo preferencial encontrada en un Andisol por la cual, no sólo se ha movido preferencialmente el colorante que la diferencia, sino que, además, se ha movido intensamente materia orgánica. FIGURA 4.1. Vía de flujo preferencial asociada a macroporos y agujeros de origen biológico en un Andisol de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas. Selker et al (1999) definen el flujo preferencial como aquel conjunto de procesos que producen una rata de flujo que es altamente variable dentro de unidades de un medio que es homogéneo a escala métrica. Estos autores diferencian dos tipos de flujo preferencial: Flujo en macroporos: Que es el movimiento a lo largo de grietas, canales o agujeros que son más grandes de lo que cabe esperar por la distribución de tamaño de partículas del suelo. Flujo digitado (o en forma de dedos): Que es el movimiento que se produce en cuerpos aislados a través de un medio homogéneo. El origen de las vías de flujo preferencial es muy variado: Pueden ser rasgos preexistentes en el suelo como lentes de arcilla o de arena, o en la roca, como fisuras (Hillel, 1998). Pueden formarse físicamente por agrietamiento de arcillas expansivas debido a procesos de humedecimiento y secamiento (Stephens, 1996; Hillel, 1998; Selker et al, 1999; Dekker y Ritsema, 2000).

155 Pueden formarse por procesos biológicos como los túneles o madrigueras hechas por lombrices, hormigas, roedores y otros animales en el suelo o por la presencia de canales dejados por la descomposición de las raíces de las plantas (Stephens, 1996; Hillel, 1998; Selker et al, 1999; Dekker y Ritsema, 2000). El hombre, mediante la manipulación del suelo, sobre todo por efecto de su mecanización, puede generar vías de flujo preferencial (Hillel, 1998). Eventos geomorfológicos que alteran las vertientes como subsidencia o rupturas superficiales del terreno (Selker et al, 1999). Discontinuidades texturales en las que hay un horizonte superficial de textura más fina que la textura del horizonte que se encuentra por debajo de él (Hillel, 1998). Frentes inestables de humedecimiento (Hendrickx y Dekker, 1991; Hendrickx et al, 1993; Ritsema et al, 1993). Presencia de materiales repelentes al agua (Hendrickx y Dekker, 1991; Hendrickx et al, 1993; Ritsema et al, 1993; Ritsema y Dekker, 1996b; Dekker y Ritsema, 2000). Ritsema et al (1997) las encontraron, en suelos de dunas de arena, en aquellas áreas donde el suelo tenía menor valor de repelencia potencial al agua. Encharcamiento de agua en depresiones superficiales que generan una presión hidrostática que ayuda a la entrada del agua en el suelo (Hendrickx y Dekker, 1991) FLUJO EN MACROPOROS Como ya se mencionó, éste es el flujo concentrado que se da por espacios vacíos que tienen tamaños que no corresponden con el tamaño que se deriva de la granulometría que posee el suelo. En la Figura 4.2 se muestran dos ejemplos de este tipo de flujo, uno en poros gruesos de un Andisol de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas (4.2.a) y el otro a través de grietas en prismas de un suelo arcilloso de Holanda, trabajado por Dekker y Ritsema (1996) (4.2.b). a. b. FIGURA 4.2. Vías de flujo preferencial en a. Poros grandes en un Andisol de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas y b. En la cara de una grieta en un prisma de un suelo arcilloso de Holanda. La foto b tomada de Dekker (1998). 148

156 Según Selker et al (1999), para que este tipo de flujo se produzca, el agua que se mueve en el poro grande no debe ser halada por las fuerzas capilares de los poros más finos que lo rodean, lo que se consigue si: Los poros alrededor están llenos de agua, mecanismo común en regiones húmedas en épocas lluviosas, o El flujo en el macroporo excede la rata de transferencia de agua hacia el suelo circundante, lo que exige una aplicación intensa de agua: lluvia o riego. Este tipo de flujo, según Selker et al (1999), puede mover cantidades considerables de agua: Si un canal de una lombriz tiene 100 veces el diámetro de un poro fino intergranular, él puede transportar veces el flujo por unidad de área que mueve el suelo que está a su alrededor, bajo un flujo gravitacional FLUJO DIGITADO Como se indicó antes, este tipo de flujo se presenta al interior de un material homogéneo, sin que hayan, aparentemente, vías que lo canalicen. Como este tipo de flujo es el que se relaciona más directamente con los suelos repelentes al agua, a continuación se analizan en forma amplia sus manifestaciones Desarrollo Según Selker et al (1999), este flujo se presenta en suelos de texturas gruesas y/o en suelos con algún grado de repelencia al agua y ocurre sólo en condiciones de no-saturación. Hillel (1998) adiciona que este tipo de flujo también se presenta cuando hay discontinuidad textural en el suelo, con un horizonte de textura más gruesa debajo de uno con textura más fina o cuando por delante de un frente de humedecimiento que está avanzando queda aire atrapado que lo frena diferencialmente. Hill y Parlange, citados por Selker et al (1999) notaron que cuando el agua entraba a un suelo de textura gruesa que estaba seco, ella tenía la tendencia a moverse en regiones aisladas que llamaron dedos (ver Figura 4.3). También Hill y Parlange, pero citados por Hillel (1998), comprobaron que los dedos se forman cuando la velocidad frontal del flujo es menor que la conductividad hidráulica saturada del medio en que éste se produce. Los dedos no sólo se desarrollan en suelos secos o con poca humedad. En la Figura 4.4 puede verse la generación inicial de frentes de humedecimiento inestables y la posterior formación de dedos en una arena igual a la de la Figura 4.3, pero muy húmeda. Los dedos también se generan, según Hillel (1998), cuando un frente de humedecimiento que está descendiendo a través de una capa de textura fina llega a otra de textura más gruesa. Baker y Hillel, citados por Hillel (1998), encontraron que cuando el frente de humedecimiento llega al 149

157 límite de una capa inferior seca y con mayor permeabilidad, el flujo se detiene hasta que la succión cae lo suficiente para permitir la entrada de agua en los poros mayores de ella. Si en este punto la succión de entrada de agua de la capa inferior supera la de la superior, la capa inferior no puede conducir a través de todo su volumen ya que puede mover más agua de la que está recibiendo, por lo que el agua se concentra en vías de flujo paralelas: vías de flujo preferencial. a. b. c. d. e. FIGURA 4.3. Formación de dedos por redistribución de 500 ml de agua con un colorante en una fracción de arena cuarcítica de entre 0.5 y 0.8 mm de diámetro, empaquetada homogéneamente en una celda plástica de 1 x1 x 0.01 m en laboratorio, ligeramente humedecida antes de la aplicación del agua y en diferentes tiempos después de la aplicación. a. Tiempo cero: se aplicó el agua. b, c, d y e, corresponden al avance de los dedos a los 2, 6, 18 y 230 minutos después de aplicada el agua, respectivamente. Tomadas de Wang et al (2003). a. b. c. d. FIGURA 4.4. Formación de dedos por redistribución de 500 ml de agua con un colorante en una fracción de arena cuarcítica de entre 0.5 y 0.8 mm de diámetro, empaquetada homogéneamente en una celda plástica de 1 x1 x 0.01 m en laboratorio, muy húmeda antes de la aplicación del agua y en diferentes tiempos después de la aplicación. a. Frente de humedecimiento estable, 1 minuto después de la aplicación del agua. b y c corresponden al avance del frente de humedecimiento inestable a los 2 y 5 minutos después de aplicada el agua, respectivamente y d muestra la formación de dedos a los 16 minutos después de aplicada el agua. Tomadas de Wang et al (2003). Otras causas que se han establecido para que se desarrollen dedos han sido: Diferencias en densidad aparente, ubicándose los dedos en las partes más densas (Heijs et al, 1996). Diferencias en el grado y la persistencia de la repelencia potencial al agua: Son más frecuentes en las áreas donde estas dos características se presentan en un rango bajo (Dekker y Ritsema, 1995). El nivel crítico de humedad para que se genere repelencia al agua: Cuando el suelo está con un contenido de humedad por debajo de ese límite, los dedos se forman en un solo 150

158 evento de infiltración pero, cuando está por encima, ocurre un flujo estable (Ritsema y Dekker, 2000). Las características de los aguaceros: Cuando éstos son tormentosos, las vías se forman rápidamente (Ritsema y Dekker, 2000). La intensidad del WDPT: En suelos con repelencia al agua inestable, es decir, que el grado de repelencia cambia con el tiempo de contacto con el agua, cuando se incrementa el WDPT, se tiende a incrementar la formación de dedos; cuando el suelo presentó WDPT menor a 1 minuto, no se formaron dedos (Carrillo et al, 2000b). Cuando el suelo posee una capa de material repelente al agua, intercalada entre capas de material humectable, si hay formación de dedos, éstos se desarrollan en la capa humectable que se encuentra por debajo de la capa repelente al agua (Carrillo et al 2000a, b). Una causa muy citada para la formación de vías de flujo preferencial con características digitadas, la constituye lo que se ha denominado el frente de humedecimiento inestable (ver Figura 4.4b, c, d) (Hendrickx y Dekker, 1991; Hendrickx et al, 1993; Ritsema et al, 1996; Hillel, 1998; Carrillo et al, 2000a, b). Un frente de humedecimiento puede tornarse inestable, en un suelo homogéneo, según Hendrickx (1993), Dekker y Ritsema (1994a), Hendrickx y Yao (1995), Yao y Hendrickx (1996), Hillel (1998), Rooij (2000), Feng et al (2001), Wang et al (2003), por las siguientes causas: Presencia de repelencia al agua. Suelo de textura gruesa por debajo de suelo de textura fina. Aire atrapado y comprimido por delante del frente de humedecimiento. Presión de entrada de aire más negativa que el potencial de humedad del frente de humedecimiento. Incremento de la conductividad hidráulica con la profundidad. Intensidad de lluvia o de riego menor que la conductividad hidráulica. Redistribución de la infiltración al terminar un aguacero o un riego. Incremento en el contenido de humedad del suelo con la profundidad. Wang et al (2000) concluyen que los flujos inestables en el campo se pueden desarrollar por el efecto, individual o combinado, del aire atrapado en el suelo, de la presencia de estratificación en el perfil, de macroporosidad y/o de repelencia al agua, así como de falta de saturación con agua superficial. De sus observaciones han planteado dos condiciones que propician la aparición de inestabilidad en el frente de humedecimiento, cuando ellas se cumplen: Donde: Criterio de velocidad: V K s [ 4.1 ] V es la rata de infiltración en mm min -1. Ks es la conductividad hidráulica saturada en mm min

159 Donde: Criterio de cabeza de presión: [ F h 0 h h ] 0 [ 4.2 ] w a F: Diferencia neta de potencial mátrico entre capas humedecidas. h 0 : Cabeza de presión en la superficie del suelo, es decir, lámina de agua acumulada sobre el suelo. h w : Presión de entrada del agua. h a : Cabeza de presión del aire medida por debajo del frente de humedecimiento Propiedades Las vías de flujo preferencial digitadas se pueden caracterizar por tres propiedades básicas: El tamaño de los dedos, la velocidad con la que ellos avanzan y la recurrencia con que se presentan en diferentes eventos de infiltración en el suelo Tamaño El diámetro de las vías de flujo preferencial depende, fundamentalmente, del tamaño de las partículas del suelo, de la rata de infiltración, de la conductividad hidráulica saturada del suelo y de las condiciones de humedad iniciales del suelo. En suelos de textura fina el ancho de los dedos es mayor que en los suelos de textura gruesa (Hendrickx, 1993; Yao y Hendrickx, 1996). Dekker y Ritsema (1995) observaron, en un suelo franco, dedos con diámetros entre 70 y 100 cm, ubicados en zonas de baja persistencia y bajo grado de repelencia potencial al agua. El diámetro de los dedos aumenta al disminuir la rata de infiltración: Con una rata de infiltración menor de 0.2 cm h -1, el diámetro de los dedos se incrementa en más del 100%, por cada 10% de decrecimiento en la tasa de infiltración (Yao y Hendrickx, 1996). Hendrickx y Yao (1995) encontraron que en una arena gruesa (0.84 a 1.41 mm de diámetro), con una tasa de infiltración de 8.6 cm h -1, se desarrollaban dedos de 4 cm de diámetro mientras que, bajando la tasa a 0.13 cm h -1, el diámetro de los dedos pasaba a 22 cm. Ritsema y Dekker (1994a) elaboraron mapas de isolíneas de humedad en un suelo arenoso extremadamente repelente al agua, después de que cayeron 75 mm de lluvia entre junio 21 y julio 12 y detectaron la formación de dedos verticales que alternaban con áreas secas de entre 20 y 40 cm de ancho. El tamaño de los dedos varió entre 10 y 15 cm de ancho, cuando el suelo estuvo seco y, entre 40 y 50 cm, cuando estuvo húmedo. Wang et al (2003) encontraron que el ancho de los dedos que estudiaban pasó de 4.5 cm, cuando el suelo estaba seco, a casi 17 cm cuando estuvo húmedo al iniciar la infiltración (ver Tabla 4.1). 152

160 TABLA 4.1. Algunas características de las vías de flujo preferencial formadas por redistribución de la infiltración en una arena uniforme de entre 0.5 y 0.8 mm de diámetro empaquetada en una celda Hele-Shaw, bajo diferentes condiciones experimentales. Datos tomados de Wang et al (2003). Tiempo (Días)* Estado de humedad inicial Volumen de agua a infiltrar (ml) volumen de agua drenada (ml) Volumen de agua retenida (ml) Ancho de los dedos (cm) Velocidad de los dedos (cm min -1 ) 1 Seco Con dedos Con dedos Ligeramente húmedo Con dedos Mojado * Días después de iniciado el experimento. En cada uno de estos días se aplicó una nueva lámina de agua para infiltrar, excepto en el día 49, donde la arena fue sometida a lavado ilimitado con agua hasta que todo el trazador fue eliminado de ella. Bauters et al (1998) estudiaron, en el laboratorio, el efecto del grado de la repelencia al agua en el comportamiento del frente de humedecimiento de la infiltración en una arena cuarcítica y encontraron que el patrón de humedecimiento que se genera en estos materiales depende de la curva característica de humedad del suelo: La presencia o ausencia de hidrofobicidad en él controló el ancho y la velocidad de los dedos, así como la presión de entrada del agua en dicho suelo. Algunos de los resultados obtenidos por estos investigadores se presentan en la Tabla 4.2. Bauters et al (2000) observaron, también en laboratorio, el comportamiento del frente de humedecimiento generado por la infiltración en una arena cuarcítica de entre 0.6 y 0.85 mm de diámetro, con diferentes contenidos de humedad inicial y encontraron que el ancho de los dedos incrementaba al aumentar el contenido inicial de agua y que dicho incremento en tamaño fue exponencial cuando el contenido de humedad fue mayor a cm 3 cm -3. TABLA 4.2. Ancho, humedad y velocidad de crecimiento de los dedos formados en mezclas de arenas cuarcíticas con diferente grado de repelencia al agua y presión de entrada del agua en ellas. Datos de Bauters et al (1998). Repelencia al agua (%)* WDPT (s) Ancho del dedo (cm) Contenido de humedad en el frente (cm 3 cm -3 ) Velocidad en el frente (cm min -1 ) Presión de entrada de agua (cm) 0 < > > * Se define por la cantidad de arena altamente repelente al agua que hay en una mezcla de ella con arena normal. 153

161 Heijs et al (1996) detectaron dedos de entre 10 y 20 cm de diámetro en suelos arenosos de dunas, en Holanda, que se formaban a partir del límite entre el horizonte superficial de 10 cm de espesor y la arena subyacente. Observaron que los dedos se ubicaban en las áreas de mayor densidad aparente. Con respecto a la longitud de los dedos, Wang et al (2003), estudiando la redistribución de la infiltración en laboratorio con arena homogénea, observaron que los dedos que se formaban eran más largos cuando el suelo estaba húmedo al iniciar el proceso de infiltración. Ritsema y Dekker (2000) encontraron dedos que se prolongaron hasta 70 cm de profundidad dentro de un suelo arenoso extremadamente seco. Cuando un dedo alcanza su máxima longitud, el centro del mismo empieza a secarse y a difundir agua hacia las áreas vecinas secas (Rooij, 2000). Rooij (2000) hizo una amplia revisión acerca de la formación de vías de flujo preferencial y encontró 8 fórmulas que se han utilizado para predecir el radio de los dedos que se forman. En todas las fórmulas, aparte de otros factores utilizados para hacer ajustes puntuales de los modelos, el radio de los dedos fue proporcional a la relación (1 P/Ks), elevada a las potencias -0.5, -1 ó 0.5, donde P es la rata de flujo y Ks es la conductividad hidráulica saturada. Hendrickx (1993) estudió la interacción de estos dos factores en cajas llenas con dos tipos de arena: una gruesa (mayor Ks) y una fina (menor Ks); aplicó 40 mm de agua en ambas, con una intensidad de 0.1 cm min -1 para la arena gruesa y de 0.07 cm min -1 para la fina y encontró que los dedos en la arena gruesa tuvieron 5 cm de diámetro, mientras que los de la fina tuvieron 30 cm Velocidad La velocidad de formación y de avance de los dedos, en una arena gruesa y homogénea no repelente al agua, depende del contenido de humedad inicial del suelo: La velocidad decrece a medida que el contenido de humedad aumenta, sin que se llegue a la saturación (Wang et al, 2003; ver Tabla 4.1). Este autor, al igual que Rooij (2000), también notó que la velocidad se va reduciendo en la medida en que transcurre el tiempo, lo que implica que la rata de transferencia de agua de los dedos a la matriz adyacente, controla el avance de dichos dedos. En arenas repelentes al agua, como puede verse en la Tabla 4.2, Bauters et al (1998) encontraron que la velocidad del frente de humedecimiento aumentó al aumentar el grado de repelencia. En la Figura 4.5 se presentan las curvas de avance del frente de humedecimiento en los diferentes materiales estudiados por Bauters et al (1998) y puede verse que en los suelos repelentes al agua se presenta un rango de tiempo en el cual no hay infiltración sino que el agua se va acumulando en la superficie; cuando esa acumulación llega a generar una cabeza hidráulica suficiente y se alcanza la presión de entrada de agua, la infiltración empieza y, en todos los casos, el frente de humedecimiento de los suelos repelentes al agua llega al fondo de la cámara del ensayo antes que el frente del suelo normal. Carrillo et al (2000a) encontraron que cuando dentro del suelo se presenta una capa repelente al agua, los dedos se desarrollan en el material humectable que está por debajo de dicha capa y que ellos tienden a tener un ancho y una velocidad constantes. Además, la velocidad es mayor en aquellos dedos de mayor tamaño. 154

162 FIGURA 4.5. Posición del frente del dedo más avanzado como una función del tiempo después de iniciada la infiltración. Los porcentajes se refieren al grado de repelencia : Cantidad de arena altamente repelente contenida en una mezcla de ella con arena normal. Adaptada para su presentación de Bauters et al (1998) Recurrencia Ritsema (1998), Ritsema y Dekker (1996b) y Ritsema y Dekker (2000) comprobaron que, en arenas repelentes al agua de dunas de Holanda, los dedos que se forman tienden a ubicarse en las mismas localizaciones durante sucesivos eventos de precipitación, aún cuando las diferencias en el contenido de humedad en el suelo sean pequeñas. Ellos atribuyen este comportamiento a la histéresis característica de la retención de humedad que tienen esos suelos y sostienen que esta recurrencia puede mantenerse por tiempo ilimitado, mientras que no se produzcan cambios drásticos en el suelo, como por ejemplo, los que produce el laboreo en tierras de cultivo. Wang et al (2003) comprobaron, en arenas humectables, que el suelo tiene memoria de las vías de flujo preferencial que produce. Los dedos que se aprecian en la Figura 4.3 se formaron como consecuencia de la redistribución de 500 ml de agua, aplicados a una arena homogénea 28 días después de que a esa misma arena se le habían adicionado también 500 ml de agua; según el registro fotográfico de los dos eventos, los dedos de la Figura 4.3 se ubicaron casi exactamente donde se ubicaron los dedos formados 28 días antes. 155

163 Wang et al (2003) superpusieron los registros fotográficos de los dedos obtenidos por ellos en el ensayo que hicieron a los 8 días de iniciado el experimento de infiltración (ver Tabla 4.1), a los 16 minutos de avance del frente (color azul) y los dedos obtenidos 28 días después de dicho evento, a los 18 minutos de avance (color rojo) y encontraron lo que se presenta en la Figura 4.6. Nótese la alta coincidencia que hay en la distribución de los dedos de los dos ensayos, lo que confirma la recurrencia casi exacta de las vías de flujo preferencial en el suelo. FIGURA 4.6. Recurrencia de las vías de flujo preferencial en arenas homogéneas humectables, formadas en dos eventos de infiltración diferentes, espaciados 28 días. Tomada de Wang et al (2003). Aparte de las propiedades descritas anteriormente, Selker et al (1999) mencionan otra característica de las vías de flujo preferencial que vale la pena tener en cuenta y es su persistencia. Sostienen dichos autores que ellas, una vez se forman, pueden ser muy persistentes, pudiendo durar hasta décadas. Dicen que ellas persisten hasta que el suelo sea secado o sea saturado completamente. Estiman que en suelos arenosos, debido a su alta conductividad, la eliminación de los dedos requiere o de un secamiento de la superficie del suelo, que es efectivo hasta aproximadamente 1 m de profundidad o, del ascenso del nivel freático MECANISMO DE HUMEDECIMIENTO DE UN SUELO REPELENTE AL AGUA CON VÍAS DE FLUJO PREFERENCIAL Jaramillo (1992) observó que a pesar de que los Andisoles que trabajó en la cuenca de la quebrada Piedras Blancas presentaban una alta repelencia al agua, sólo se presentaban secos en algunos pequeños parches y el perfil del suelo, a los pocos centímetros de profundidad, ya se encontraba con buena humedad: Por lo menos, nunca observó la vegetación sometida a estrés de agua en esos suelos. De las observaciones anteriores Jaramillo (1992) propuso dos mecanismos que pueden ayudar a mantener húmedo el suelo en la zona de raíces: 156

164 Que se acumule una columna de agua lo suficientemente gruesa dentro de la capa de acículas como para que se genere una cabeza hidráulica capaz de vencer la resistencia a la penetración de la misma (que h 0 > h w ), y/o Que se produzca un flujo lateral en la superficie de contacto del suelo mineral con la capa de acículas, que conduzca el agua hasta los sitios no repelentes al agua y ésta entre por ellos al suelo, humedeciéndolo en profundidad. Ritsema et al (1993) estudiaron en detalle la manera como actúa el flujo preferencial en un suelo repelente al agua y propusieron el modelo que se aprecia en la Figura 4.7. En ella se identifican tres tipos de flujo que componen una serie de procesos interconectados que ayudan al humedecimiento de los suelos repelentes al agua que presentan vías de flujo preferencial. FIGURA 4.7. Modelo de humedecimiento de suelos arenosos repelentes al agua con vías de flujo preferencial. Adaptada para su presentación de Ritsema (1998) FLUJO DE DISTRIBUCIÓN Es un flujo de agua que se presenta en el horizonte superficial del suelo, más orgánico que el resto del mismo. En ésta porción del suelo el agua entra humedeciéndola homogéneamente en un comienzo; al poco tiempo, el agua empieza a concentrarse y a fluir, de manera horizontal, hacia las vías de flujo preferencial (Ritsema et al, 1993; Ritsema, 1998). Rooij (2000) apunta que la porción del suelo que está sometida a este flujo, o zona de distribución, es una delgada capa que debe ser humedecida antes de que los dedos se formen. 157

165 El flujo horizontal se ve favorecido, según Ritsema y Dekker (1995), por las diferencias en textura, en estructura y en porosidad que se presentan entre la superficie y el resto del suelo, que dificultan el movimiento vertical del agua. Otros rasgos de la superficie como costras, sellamiento o compactación también reducen la infiltración vertical y estimulan el flujo horizontal. Las condiciones topográficas del terreno controlan el alcance y la dirección del flujo de distribución: Terrenos muy planos se pueden encharcar fácilmente y generar una cabeza hidráulica que induzca rápidamente el flujo vertical y, por tanto, hacer que el flujo horizontal se presente sólo en unos pocos centímetros (Ritsema y Dekker, 1995). Las condiciones iniciales de humedad del suelo también controlan el flujo de distribución. Si llueve y el suelo está seco, se forma una delgada capa saturada más rápido que si el suelo estuviera húmedo, ya que la conductividad hidráulica no-saturada vertical es menor en suelo seco. Si el suelo está muy mojado, el flujo de distribución se forma más rápido que si estuviera seco, pues el primero está más cerca de la saturación (Ritsema y Dekker, 1995). Ritsema y Dekker (1995) recomiendan estudiar este tipo de flujo utilizando trazadores o colorantes, ya que la capa sometida a él es delgada y difícil de detectar en el campo sin la ayuda mencionada (ver Figura 4.10) FLUJO VERTICAL Una vez que la zona de distribución ha sido llenada, se genera el flujo vertical a lo largo de las vías de flujo preferencial (Rooij, 2000). Este tipo de flujo se presenta por las áreas más húmedas del suelo sub-superficial y transporta agua y solutos hacia las regiones más profundas del perfil (Ritsema et al, 1993). En las Figuras 1.10b y 4.8 se pueden ver las vías de flujo preferencial como cuerpos alargados en dirección vertical, más oscuros, que alternan con cuerpos más claros, y por tanto más secos, repelentes al agua que no participan en el flujo vertical. La Figura 4.10 también identifica los dos cuerpos mencionados anteriormente: La parte coloreada es una vía de flujo preferencial y la que permanece blanca, al lado, es material repelente al agua FLUJO DIVERGENTE Cuando en profundidad, en el perfil del suelo, se acaba el material repelente al agua y todo vuelve a ser humectable, se presenta una divergencia del agua y de los solutos que se estaban movilizando por las vías de flujo preferencial hacia toda la masa del suelo llegando, en poco tiempo y espacio, a generar un frente de humedecimiento estable (Ritsema et al, 1993; Ritsema, 1998) (ver Figura 1.10b). 158

166 4.3. IMPORTANCIA Y EFECTOS DE LAS VÍAS DE FLUJO PREFERENCIAL EN EL SUELO Según Selker et al (1999), la importancia del flujo preferencial radica en que acelera el transporte de agua y de contaminantes a través de los materiales del suelo EFECTO SOBRE EL MOVIMIENTO DE AGUA Por tratarse de un flujo restringido a un pequeño volumen del suelo, la rata de movimiento vertical se incrementa enormemente, generándose menor sorción de agua en el suelo y, por lo tanto, menor disponibilidad de ella para las plantas (Selker et al, 1999). Richardson y Hole (1978) observaron, en Espodosoles de Wisconsin, que los valores de WDPT no eran consistentes con los ángulos de contacto que ellos estaban encontrando por lo que concluyeron que en los horizontes O y Bh repelentes al agua, este fluido se mueve a través de ellos mediante el mecanismo de flujo saturado concentrado en los macroporos. Ritsema et al (1997) visualizando imágenes tridimensionales de la distribución del agua y de la repelencia potencial al agua en suelos arenosos de dunas de Holanda, observaron que los mayores contenidos de humedad en el suelo se presentaban en aquellos sitios donde la repelencia potencial al agua era menor, lo que los llevó a concluir que, en un gran porcentaje, las diferencias en la repelencia potencial al agua, en dichos suelos, controlan los patrones de flujo de agua en ellos. Shakesby et al (2000) establecieron la importancia que tienen los macroporos, como vías de flujo preferencial, en el movimiento de agua en suelos bajo cobertura boscosa. Citan datos de Ferreira quien registró, en un suelo seco de una plantación de pino que había sido quemada, una infiltración de 250 mm h -1 encima de un canal de una raíz quemada de un tronco de árbol muerto, mientras que en el suelo repelente al agua que estaba alrededor, libre de raíces, la infiltración fue de 1.8 mm h EFECTO SOBRE EL MOVIMIENTO DE CONTAMINANTES El incremento en la velocidad del flujo en el suelo y la disminución en el tiempo de contacto de éste con el agua, hacen que las reacciones entre estos dos componentes sean menos probables y menos eficientes, lo que hace que los pesticidas y contaminantes puedan llegar más fácilmente a los acuíferos, contaminándolos (Selker et al, 1999). Hendrickx et al (1993) comprobaron que la susceptibilidad a la contaminación de aguas subsuperficiales es mayor en suelos que tienen capas superficiales repelentes al agua. Aplicaron 15 L de una solución de KBr, con una concentración de 11 g Br - L -1, a 6 suelos arenosos de Holanda, 3 con una capa superficial repelente al agua y 3 completamente humectables, sin esa capa; 5 semanas después de montado el ensayo y de que los suelos habían recibido una precipitación acumulada de 120 mm, las cantidades de bromuro presentes en el nivel freático del suelo que se encontraba por debajo de las capas repelentes al agua, eran entre 6 y 13 veces mayores que las encontradas en el nivel freático de los suelos que no tuvieron problemas de repelencia al agua. 159

167 Ritsema y Dekker (1996b) también observaron, en suelos arenosos de dunas de Holanda, que la velocidad de flujo de agua en los dedos era más alta que en el resto del suelo. Aplicaron KBr en una parcela de 4 m x 31 m, en dosis de 8.47 g m -2 ; a los 11 días de haber aplicado el trazador y después de que habían caído 37 mm de lluvia, tomaron 20 núcleos de suelo y cada uno lo dividieron en 12 muestras; al medir el contenido de Br - encontraron que los mayores picos estuvieron entre 9 y 65 cm de profundidad, aunque se detectó Br - hasta los 90 cm RECONOCIMIENTO DE LAS VÍAS DE FLUJO PREFERENCIAL Las vías de flujo preferencial se presentan de varias maneras y no siempre son fáciles de detectar EN EL CAMPO La detección de vías de flujo preferencial, en condiciones de campo, puede ser una tarea relativamente fácil en algunas circunstancias. Por ejemplo, cuando se está trabajando en una época seca, la alternancia de cuerpos de suelo repelentes al agua con cuerpos humectables, puede ser apreciada por los cambios en la tonalidad de los colores, asociada a los cambios en el contenido de humedad: las áreas más oscuras serán las más húmedas y, por lo tanto, son las que están actuando como vías de flujo preferencial (ver Figuras 1.9a, 1.10 y 4.8). FIGURA 4.8. Alternancia de cuerpos de suelo secos con húmedos en suelos arenosos repelentes al agua de dunas de Holanda: Las partes oscuras están húmedas y son las vías de flujo preferencial. Tomada de Ritsema (1998). Hendrickx y Dekker (1991), Dekker y Ritsema (1994a) y Ritsema y Dekker (1994b) estudiaron vías de flujo preferencial en transectos hechos en dunas y playas de arena de Holanda y de Alemania. Observaron que en las arenas, aparentemente muy homogéneas, se presentaba una alta variabilidad espacial en el contenido de humedad a lo largo de los transectos y en las diferentes profundidades de muestreo. Encontraron que en las arenas se presentaban cuerpos de material húmedo, rodeados de otros de material más seco y que, cuando llegaba la época seca, las arenas que habían estado menos húmedas eran arrastradas por el viento, dejando las que estaban 160

168 húmedas formando columnas, conos, hongos y otras estructuras, como puede verse en la Figura 4.9. FIGURA 4.9. Columnas de arena desarrolladas en las vías de flujo preferencial formadas en arenas de dunas de Holanda. Tomada de Ritsema y Dekker (1994b). Otra forma de evidenciar las vías de flujo preferencial consiste en utilizar colorantes. Dekker y Jungerius (1990) utilizaron esta técnica en suelos arenosos de Holanda así: después de un aguacero cavaron una trinchera y espolvorearon las caras de la misma con una mezcla seca de Rodamina B al 1% en caolinita, hasta que quedaron completamente blancas. Al cabo de algunos minutos, las áreas que estaban húmedas desarrollaron un color rojo intenso y las secas quedaron blancas: este resultado puede verse en la foto de la Figura FIGURA Visualización de vías de flujo preferencial en campo mediante el uso de colorantes. Tomada de Dekker (1998). 161

169 Wang et al (2002), después de analizar varios experimentos en los que se utilizaron trazadores y colorantes (colorantes fluorescentes, ácidos aniónicos, Azul Brillante FCF, soluciones de I - y almidón, como los más frecuentemente utilizados), encontraron algunos inconvenientes en su utilización y propusieron un nuevo método para hacer visibles las vías de flujo preferencial en el campo. Wang et al (2002) aplicaron una solución de carbonato de amonio [(NH 4 ) 2 CO 3 ], con concentración entre 2 y 2.6%, al agua de infiltración en dos suelos de textura gruesa: aplicaron 12 cm, a una tasa de 2.3 cm h -1 ; terminada la infiltración, excavaron huecos en las parcelas y asperjaron sus paredes con un indicador de ph compuesto por azul de timol al 1% y rojo cresol al 1%, disueltos en metanol del 95% de pureza. Al cabo de 5 a 10 minutos de haber asperjado las paredes, las vías de flujo preferencial fueron visibles. En la Figura 4.11 se presentan varios aspectos del experimento llevado a cabo por Wang et al (2002) en un suelo arenoso, al cabo de 64 horas de iniciado: En la foto a, no se aprecia ninguna vía preferencial de flujo, pues aún no se ha asperjado el indicador de ph. En la b, 5 minutos después de aplicado el indicador, las vías de flujo preferencial son evidentes: Se aprecian con tonos morados; la foto c corresponde a una imagen de la foto b, mejorada con realce por computador. a b c FIGURA Visualización de vías de flujo preferencial con carbonato de amonio y un indicador de ph. Tomadas de Wang et al (2002) CON INFORMACIÓN DE HUMEDAD Y/O DE REPELENCIA AL AGUA Dekker y Ritsema (1994a, b, 1995, 1996), Ritsema y Dekker (1995), Ritsema et al (1993), Dekker (1998), Ritsema (1998) y Jaramillo (2003a), entre otros autores, han encontrado una alta variabilidad espacial en el contenido de humedad del suelo, en distancias muy cortas y a diferentes profundidades dentro del perfil del suelo. Dicha variabilidad ha estado relacionada con el grado de repelencia al agua que ha mostrado el suelo y ha servido para identificar vías de flujo preferencial en él. En la Figura 4.12 se puede ver la variabilidad en el contenido de humedad gravimétrica de campo que encontró Jaramillo (2003a) en un transecto hecho en un Andisol que estaba bajo cobertura de Pinus patula, el cual fue sometido a un muestreo intensivo en 4 profundidades y a distancia entre muestras de 5 cm. Es notable la gran diferencia en humedad que se presenta entre puntos bastante cercanos entre sí, en las dos primera profundidades, situación que puede estar reflejando la 162

170 existencia de vías de flujo preferencial en aquellos puntos donde se presenta mayor contenido hídrico. En la Figura 4.13 se muestra el mapa de isolíneas de humedad de campo del mismo transecto en el que se aprecia la alternancia vertical de cuerpos de suelo con diferentes contenidos de humedad que pueden convertirse en vías de flujo preferencial en este suelo. Humedad gravimétrica (%) Humedad gravimétrica (%) Distancia horizontal (cm) Distancia horizontal (cm) a b Humedad gravimétrica (%) Humedad gravimétrica (%) Distancia horizontal (cm) Distancia horizontal (cm) c d FIGURA Variabilidad espacial de la humedad de un Andisol repelente al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, bajo cobertura de Pinus patula, en diferentes profundidades: a. En la superficie de la capa de litter. b. En la superficie del suelo mineral, en el contacto de éste con la parte inferior de la capa de litter. c. A 10 cm por debajo de la anterior. d. A 10 cm por debajo de la anterior. Con base en datos de Jaramillo (2003a). Log de H_c Profundidad (cm) Distancia horizontal (cm) FIGURA Mapa de isolíneas de la distribución vertical de la humedad en un transecto de un Andisol de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, bajo cobertura de P. patula. Tomada de Jaramillo (2003a). 163

171 Más elocuentes son los mapas de isolíneas que encontraron Ritsema y Dekker (1994a, b). Los patrones verticales de distribución de la humedad en los suelos arenosos de Holanda que trabajaron (ver Figura 4.14), evidencian las vías más expeditas que tienen para generar un flujo preferencial hasta profundidades considerables dentro de ellos. FIGURA Mapas de isolíneas del contenido de humedad en dos suelos arenosos de Holanda. Tomados de Ritsema y Dekker (1994a) el de la izquierda y de Ritsema y Dekker (1994b) el de la derecha. Con información georreferenciada en tres coordenadas y utilizando programas de computador capaces de hacer interpolación tridimensional, se pueden visualizar las vías de flujo preferencial en bloques de tres dimensiones como el que se muestra en la Figura Heijs et al (1996), Ritsema et al (1997) y Ritsema (1998) discuten ampliamente la utilización de esta técnica para visualizar vías de flujo preferencial en suelos. 164

172 CAPÍTULO 5 CARACTERIZACIÓN DE ANDISOLES REPELENTES AL AGUA DE LA CUENCA DE LA QUEBRADA PIEDRAS BLANCAS 5.1. RELACIÓN FERTILIDAD REPELENCIA DEL SUELO AL AGUA CARACTERIZACIÓN DE LOS ANDISOLES REPELENTES AL AGUA DE LA CUENCA DE LA QUEBRADA PIEDRAS BLANCAS TRABAJOS PREVIOS NUEVOS TRABAJOS...169

173

174 5.1. RELACIÓN FERTILIDAD REPELENCIA DEL SUELO AL AGUA Según lo que se conoce actualmente acerca del origen de la repelencia al agua, no hay ninguna causa que sea exclusiva de un tipo de suelo en particular. La causa fundamental de la repelencia al agua es la acumulación de cierto tipo de materia orgánica en el suelo y la fuente de ella tampoco es exclusiva de algún suelo específico. Con respecto a las otras causas, cualquier suelo puede ser sometido a quemas o a incendios, así como a derrames de petróleo que lo contaminen. Para dar una idea de la gran variedad de suelos en los que se puede generar repelencia al agua, en la Tabla 5.1 se presenta una lista de trabajos en los cuales se pudo identificar el tipo de suelo con el cual se trabajó y su grado de repelencia al agua. Como puede apreciarse, hay suelos desde ácidos, pasando por neutros, hasta alcalinos; con alta saturación de bases y desaturados; arenosos hasta de texturas media y fina; superficiales y profundos; homogéneos en profundidad y fuertemente estratificados y, en fin, de baja a alta fertilidad. TABLA 5.1. Algunos tipos de suelos con algún grado de repelencia al agua, reportados en la literatura. Suelo* Localización Valores de repelencia** Fuente Lithic Xerorthent España WD: 0 - > 3600 s Mataíx-Solera y Doerr (2004) Cambisol Portugal WD: s; %E: 5-13% Cambisol Inglaterra WD: 3600 s; %E: 18% Podsol Gales WD: > s; %E: 24% Anthrosol Gales WD: 1800 s; %E: 13% Arenosol Gales WD: 900 s; %E: 13% Doerr et al (2002b) Arenosol Australia WD: 1800 s; %E: 18% Arenosol Holanda WD: > s; %E: 24% Arenosol Inglaterra WD: 300 s; %E: 13% Aquic Natrixeralf Australia MED: M Hodge y Michelsen (1991) Typic Psammaquent Holanda WD: > 3600 s Mesic Plaggept Holanda WD: s Typic Fluvaquent Holanda WD: 5 - > 3600 s Typic Medihemist Holanda WD: 5 - > 3600 s Typic Haplaquod Holanda WD: < 5 - > s Dekker (1998) Andisol Colombia WD: < 5 - > s Jaramillo (1992) Typic Xerorthent U.S.A. WD: < 5 - > 180 s Hubbert y Oriol (2003) Aquic Udipsamment N. Zelanda WD: > 3600 s; MED: 2.7 M Wallis et al (1991) Fluvaquentic Haplaquoll N. Zelanda MED: 2.3 M Typic Eutrochrept India WD: 49 s Singh y Das (1992) Aquod Alemania WD: > 3600 s Bachmann et al (2000b) Typic Quartzipsamment U.S.A. WD: s Grossarenic Paleudult U.S.A. WD: 453 s Umbric Leptosol Portugal WD: > s; %E: 24-36% Humic Cambisol Portugal WD: > s; %E: 24-36% Jex et al (1985) Doerr y Thomas (2000) * Algunos suelos están clasificados en categorías más bajas a las que se presentan en la tabla pero se generalizan para que se aprecien más fácil las diferencias o similitudes entre ellos. ** Medida de la repelencia potencial al agua en muestras de la superficie del suelo, por lo menos secas al aire. WD: WDPT; %E: Porcentaje de etanol.

175 CARACTERIZACIÓN DE LOS ANDISOLES REPELENTES AL AGUA DE LA CUENCA DE LA QUEBRADA PIEDRAS BLANCAS TRABAJOS PREVIOS Jaramillo (1999) hizo un análisis de la fertilidad de los suelos que trabajó en la cuenca de la quebrada Piedras Blancas (Jaramillo, 1992) y concluyó que dichos suelos son de baja fertilidad debido a que presentan una alta acidez, bajos contenidos de bases intercambiables y de fósforo disponible para las plantas, así como algunas relaciones entre nutrientes que muestran desbalances nutricionales en ellos. Sin embargo, al comparar estos suelos con los Andisoles humectables de la región (Jaramillo, 1995), observó que no habían diferencias apreciables entre los dos grupos, aunque sin confirmar si esas diferencias eran estadísticamente significativas. Castillo y Gómez (1995) hicieron un estudio muy detallado de una gran cantidad de propiedades de Andisoles repelentes al agua de la quebrada Piedras Blancas, en el que llegaron a conclusiones muy similares a las de Jaramillo (1999). Abril y Ortiz (1996) también realizaron un estudio en el mismo sitio y con la misma intensidad que el de Castillo y Gómez (1995), en una capa de suelo ubicada por debajo de la que estudiaron éstos y obtuvieron resultados muy similares a los de ellos. En los trabajos de Castillo y Gómez (1995) y de Abril y Ortiz (1996) se evaluaron 15 propiedades químicas y 10 propiedades físicas de los suelos, los cuales fueron muestreados en una cuadrícula regular de 100 m x 40 m, con celdas de 10 m x 10 m. Cada punto de muestreo fue georreferenciado con un sistema arbitrario de coordenadas planas (x, y) y con la altitud, esta última en metros sobre el nivel del mar (msnm). En la Tabla 5.2 se presenta un resumen de las principales propiedades químicas de los suelos de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas referenciados en los párrafos anteriores y de los Andisoles humectables del oriente antioqueño para compararlos. En la Tabla 5.2 se aprecia que los valores menos limitantes en casi todas las propiedades se presentan en la columna de Jaramillo (1995), lo que podría deberse, al menos en buena parte, a la diferencia de cobertura vegetal que hay entre los trabajos reportados: En el de Jaramillo (1995) la cobertura era de pastos, cultivos y rastrojos, mientras que en los otros tres trabajos era de Pinus patula. Para complementar la información que se presentó en la Tabla 5.2, en la Tabla 5.3 se presentan los valores promedios obtenidos para las propiedades físicas de los suelos estudiados. En esta última tabla se observa que los suelos repelentes al agua (Castillo y Gómez, 1995) presentan una menor densidad aparente y mayores límites líquido y plástico y contenido de humedad a capacidad de campo que los no repelentes (Abril y Ortiz, 1996), lo que puede deberse al mayor contenido de materia orgánica encontrado en los primeros. El menor contenido de humedad del suelo repelente en su condición de seco al aire (coeficiente higroscópico) y el mayor porcentaje de contracción que presenta, pueden relacionarse con diferencias en la calidad de la fracción órgano-mineral acumulada en ellos, la que puede deducirse de las diferencias que se dieron entre los contenidos de aluminio, el ph y la CIC de los mismos.

176 TABLA 5.2. Principales propiedades (promedios) de Andisoles repelentes al agua (Castillo y Gómez, 1995; Jaramillo, 1999) y no repelentes (Abril y Ortiz, 1996) de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, bajo cobertura de Pinus patula y de Andisoles humectables del oriente antioqueño (Jaramillo, 1995). Propiedad Jaramillo Castillo y Abril y Ortiz Jaramillo (1999) Gómez (1995) (1996) (1995) n Materia orgánica (%) ph en agua Al (cmol (+) kg -1 de suelo) Ca (cmol (+) kg -1 de suelo) (81)* 0.08 (80) 1.19 Mg (cmol (+) kg -1 de suelo) (81) 0.12 (80) 0.43 K (cmol (+) kg -1 de suelo) Na (cmol (+) kg -1 de suelo) (79) 0.33 (30) CIC a ph 7 (cmol (+) kg -1 de suelo) (37) P (ppm) (72) 3.68 (79) 3 Fe (ppm) nd** Mn (ppm) (80) 1 (78) nd Cu (ppm) (79) nd Zn (ppm) (77) 1 (68) nd B (ppm) (81) 0.2 (80) nd * Entre paréntesis, cantidad de muestras utilizadas para el promedio. ** Dato no disponible. TABLA 5.3. Valores promedios de algunas propiedades físicas de Andisoles repelentes al agua (Castillo y Gómez, 1995) y humectables (Abril y Ortiz, 1996) de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas bajo cobertura de Pinus patula. Variable Castillo y Gómez (1995) Abril y Ortiz (1996) Espesor de la Capa de Acículas (cm) Espesor del Horizonte Hidrofóbico (cm) Espesor del horizonte A (cm) Densidad aparente (Mg m -3 ) Coeficiente higroscópico (%) Humedad a capacidad de campo (%) Límite líquido (%) Límite plástico (%) Porcentaje de contracción volumétrica (%) NUEVOS TRABAJOS Comparación de muestras Como las muestras de los trabajos de Castillo y Gómez (1995) 1 y de Abril y Ortiz (1996) 1 están relacionadas verticalmente: Una fue tomada debajo de la otra en el mismo punto de muestreo, se hizo un análisis de comparación entre ellas con el fin de establecer si se presentaban diferencias 1 Bases de datos cedidas, para este trabajo, por los autores citados. 169

177 estadísticamente significativas entre las variables estudiadas. El muestreo se hizo de tal manera que las muestras subsuperficiales (las de Abril y Ortiz) no presentaran repelencia al agua. Las propiedades evaluadas en cada trabajo (Castillo y Gómez, 1995 y Abril y Ortiz, 1996), con los métodos que se mencionan y que se encuentran descritos en Motta et al (1990), fueron: Químicas: ph en agua 1:1 volumétrico (pha); ph en NaF 1:50 (phn); contenido de materia orgánica en % mediante combustión húmeda (MO); contenido de aluminio intercambiable extraído con KCl 1N (Al); contenidos de calcio (Ca), magnesio (Mg), potasio (K) y sodio (Na), extraídos con acetato de amonio normal y neutro; capacidad de intercambio catiónico a ph 7 con acetato de amonio normal (CIC); contenido de fósforo disponible por Bray II (P); contenidos de hierro (Fe), manganeso (Mn), cinc (Zn) y cobre (Cu) por Olsen modificado y contenido de boro (B) extraído con agua caliente. Las unidades para Al, Ca, Mg, K, Na y CIC son [cmol (+) kg -1 de suelo] y las de Fe, Mn, Zn, Cu y B son [ppm]. Físicas: En campo se determinaron el value (V) y el chroma (C) del color. El espesor de la capa de acículas acumulada sobre el suelo y el espesor del horizonte repelente al agua, en el suelo hidrofóbico (ECA y EHH, respectivamente, en cm) y el espesor del horizonte A (EHA, en cm) en el suelo no hidrofóbico. En el laboratorio se llevaron a cabo las siguientes determinaciones: Densidad aparente con el cilindro biselado (Da, en Mg m -3 ); coeficiente higroscópico (CH) y contenido de humedad a 0.3 atm (CC), ambos gravimétricos en %; límite líquido (LL) con la cazuela de Casagrande y límite plástico (LP) con el rollo y el porcentaje de contracción volumétrico (PC) Depuración de las bases de datos Para llevar a cabo los análisis que vienen a continuación, se hizo un estudio de la base de datos que pretendió detectar inconsistencias en la información, valores anómalos, valores perdidos o cualquier otra irregularidad en los datos. Una vez depurada la base de datos se procedió a estudiar la distribución de los valores de las variables con el fin de detectar aquellas que eran multimodales o discretas, las cuales no fueron tenidas en cuenta para los análisis estadísticos planteados. Al hacer el análisis de las distribuciones se encontró que las variables P, Mn, Zn, Cu, V y C fueron discretas y, como se dijo antes, no se tienen en cuenta para los análisis posteriores Comparación de muestras Con las variables que no fueron discretas se hizo un análisis de comparación de muestras pareadas. Cuando las dos muestras que se comparaban tenían distribución normal, se hizo una prueba de t para compararlas, en otro caso, la comparación se hizo con las medianas de rangos. Sólo se hizo la prueba de t para las variables pha y LP; en el resto se hizo la comparación de medianas. 170

178 De las comparaciones anteriores se obtuvieron diferencias estadísticamente significativas, al 95 %, entre casi todas las variables: pha, phn, MO, Al, Ca, Mg, K, Na, CIC, Fe, Da, CH, LL, LP y PC (para los valores, ver Tablas 5.2 y 5.3). No se presentaron diferencias significativas únicamente entre las variables B y CC. Como puede apreciarse, de estos resultados se deduce que hay, aparentemente, un efecto muy marcado de la repelencia al agua sobre la calidad físicoquímica del suelo. Las diferencias obtenidas pueden estar relacionadas con la calidad de la materia orgánica que se está acumulando en cada una de las porciones del suelo estudiadas y, en el caso de las bases, con la menor lixiviación que debe presentarse de ellas en los suelos repelentes al agua Análisis de tendencias Para confirmar que no se presentaba efecto de la posición geográfica de las muestras sobre el valor que tomaban las propiedades analizadas, se llevó a cabo un análisis de regresión lineal múltiple entre cada una de las variables con las coordenadas y la altitud de los puntos en que se tomaron las muestras para evaluarlas, con un modelo del estilo: Variable = a + bx + cy + dz + exy + fxz + gyz + hxyz [ 5.1 ] Donde x y y son las coordenadas planas, z es la altitud y a, b, c, d, e, f, g y h son coeficientes. A medida que se iba desarrollando el modelo, las variables independientes menos significativas se iban retirando del mismo, una a la vez, hasta que se encontraba un modelo en el que todas eran significativas. Luego de encontrado el modelo, se hizo una comprobación de los supuestos de normalidad, igualdad de varianza y ausencia de autocorrelación, con los residuales. Cuando no se cumplió alguno de los supuestos, se hicieron transformaciones de los datos. Si no se cumplía la normalidad en la distribución de los residuales pero ella era simétrica, se trabajaba el modelo sin hacer transformaciones. Al llevar a cabo estos análisis se tuvieron varios grupos de variables: En suelos repelentes al agua: Variables que presentaron alguna tendencia y cuyos residuales cumplieron todos los supuestos: phn, MO, Al, EHH, CC, PC. Variables que no presentaron ninguna tendencia: Ca, Mg, K, CIC, Da, LL, LP. Variables que debieron ser transformadas y que así presentaron alguna tendencia: Fe, ECA. Variables que con ninguna transformación normalizaron su distribución pero que fueron simétricas y presentaron alguna tendencia: Na, CH. En suelos humectables: Variables que presentaron alguna tendencia y cuyos residuales cumplieron todos los supuestos: pha, CIC, LL. Variables que no presentaron ninguna tendencia: MO, Mg, K, Na, EHA, Da, CC, LP, PC. 171

179 Variables que con ninguna transformación normalizaron su distribución pero que fueron simétricas y presentaron alguna tendencia: Al, CH. Las variables que no aparecen en la lista dejaron de cumplir algunos supuestos, diferentes a la normalidad, aún después de hacerles varias transformaciones y, por tanto, no fueron sometidas a este análisis. En términos generales, en las variables que mostraron alguna tendencia, los modelos obtenidos tuvieron bajos coeficientes de determinación (R 2 ). En la Tabla 5.4 se resume la información más importante acerca de las tendencias obtenidas. TABLA 5.4. Información básica acerca de las tendencias geográficas, significativas estadísticamente al 95%, encontradas en algunas variables físico-químicas de Andisoles repelentes y no repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas bajo cobertura de Pinus patula. Variable dependiente Variables independientes con las que se relaciona* R 2 del modelo (%) En suelos repelentes al agua phn x, y, z, xy, xz MO x, z Al x, y, z, xy Na y 6.14 Log Fe z (ECA) 1/2 x, y, z, xy, xz EHH x 7.42 CH z 8.2 CC x, z 16.8 PC x, z, xz 22 En suelos no repelentes al agua pha x, z Al z 5.56 CIC x, y, z, xy, yz CH y 5.69 LL x, y, z, xy, yz * x, y son coordenadas planas arbitrarias y z es la altitud. Como puede verse en la tabla anterior, hay variables en las que el modelo de regresión encontrado tiene una capacidad explicativa tan baja que, a pesar de haber sido significativo estadísticamente, puede considerarse la tendencia como inexistente. También llama la atención en la Tabla 5.4 el hecho de que, en la mayoría de los casos, el modelo de regresión incluye la coordenada x, la cual coincide con la dirección norte-sur de la cuadrícula y en muy pocos está incluida la coordenada y, es decir, la dirección este-oeste. El comportamiento anterior podría estar indicando un comportamiento anisotrópico de la variable medida o de algún factor que la controla. 172

180 Análisis de variabilidad espacial Habiéndose detectado tendencias geográficas en el valor de algunas de las variables estudiadas, queda por resolver si, además de la orientación, hay algún efecto del espaciamiento entre las muestras sobre dichos valores. Para establecer esto se llevó a cabo un análisis de variabilidad espacial. La variabilidad espacial se trabajó mediante un análisis de semivariografía, cuyo producto fundamental es el semivariograma, el cual es una gráfica que representa los valores de la semivarianza que adquiere la variable en relación con la distancia y la dirección que hay entre las muestras tomadas para evaluarla, como se aprecia en la Figura 5.1 (Jaramillo, 2003b). FIGURA 5.1. Ejemplo hipotético de un semivariograma con sus componentes. La semivarianza se estima mediante la siguiente relación: 2 1 ( h) ( ) ( ) Z x Z x h [ 5.2 ] 2n Donde: (h): Semivarianza. n: Número de pares de observaciones comparadas en cada distancia. Z (x): Valor de la variable en el sitio x. Z (x + h): Valor de la variable en un sitio ubicado a una distancia h del sitio x. (x) y (h) son vectores, es decir, interesa su dirección, además de su magnitud. 173

181 Para el análisis de semivarianza, el grupo de datos debe tener una distribución normal y estacionaridad, es decir, que para todas las distancias la varianza de las diferencias de valores en las dos posiciones definidas sea finita e independiente de la posición (Trangmar et al, 1985). Yost et al (1982a, b) y Burrough (1993) han encontrado que la no estacionaridad en los datos no afecta apreciablemente el análisis de semivarianza. Robertson y Gross (1994) también reconocen lo anterior y adicionan que la semivarianza es más sensible a las distribuciones asimétricas de los datos y a las tendencias que a la no-estacionaridad. Brejda et al (2000) encontraron que la transformación de los datos originales no producía una distribución normal pero sí que reducía la variabilidad de los mismos y, sobre todo, que reducía la asimetría en ellos, mejorando el análisis de variabilidad espacial. Burrough (1992) define dos grandes grupos de semivariogramas: Transicionales: Aquellos en los cuales la semivarianza aumenta al ir aumentando el espaciamiento entre muestras, hasta un cierto valor de distancia, a partir del cual la semivarianza se estabiliza. No transicionales: Aquellos en los cuales la semivarianza crece monótonamente al ir aumentando la distancia de muestreo, sin estabilizar su valor dentro de la mayor distancia de espaciamiento entre muestras analizadas. Cuando se tiene el gráfico de la distribución de puntos de semivarianza contra distancia, esta distribución se ajusta a un modelo teórico. Los modelos teóricos de semivariogramas que más frecuentemente se usan en suelos son: Esférico, Exponencial, Gausiano y Lineal con sill, en los transicionales y, el Lineal en los no transicionales. En los semivariogramas transicionales (ver Figura 5.1), la distancia a la cual se estabiliza la semivarianza, llamada rango (a), define la distancia hasta la cual hay dependencia espacial en las muestras: Muestras tomadas a una distancia mayor que el rango son independientes. En los semivariogramas no transicionales no puede definirse un rango ya que éste, si existe, está por fuera de la máxima longitud utilizada para el análisis. El sill (C) es el valor de la semivarianza al cual el modelo se estabiliza; está compuesto por la suma de la semivarianza estructural (C 1 ) y la semivarianza aleatoria o nugget (C 0 ); adquiere un valor muy cercano al valor de la varianza total de la variable, cuando se cumple la estacionaridad en los datos. El nugget puede expresarse como porcentaje de la semivarianza total (del sill), con lo cual se tiene una idea de la magnitud que tiene la variabilidad aleatoria en la variabilidad de la propiedad analizada. Cambardella et al (1994) establecieron 3 categorías para agrupar la importancia de la variabilidad espacial de las variables, de acuerdo con dichos porcentajes, así: Fuerte dependencia espacial: nugget (C 0 ) < 25%. Moderada dependencia espacial: nugget (C 0 ) entre 25 y 75%. Débil dependencia espacial: nugget (C 0 ) > 75%. 174

182 Otro aspecto fundamental de la semivariografía es la definición del tipo de dependencia espacial que presenta la variable que se analiza. Cuando la variabilidad espacial de la variable depende únicamente de la distancia de separación entre muestras, el semivariograma que se obtiene es isotrópico. Cuando la variabilidad depende, además del espaciamiento, de la dirección en que se hace el muestreo, el semivariograma es anisotrópico. La anisotropía está mostrando que los procesos o factores que controlan la variabilidad de determinada propiedad, ejercen dicho control de manera diferencial, de acuerdo con ciertas direcciones. Teniendo en cuenta lo que se ha expuesto anteriormente, el análisis de semivariografía se hizo con las muestras que presentaron distribución normal o, por lo menos, que fueron simétricas. Además, en aquellas variables que presentaron tendencia, el análisis geoestadístico se hizo con los residuales de dicha tendencia y, cuando las muestras originalmente no presentaron distribución normal fueron sometidas a algunas transformaciones y si se normalizaba la distribución, o por lo menos se simetrizaba, se trabajó con las variables transformadas. Aquellas variables que no se normalizaron ni simetrizaron con las transformaciones, no se tuvieron en cuenta para este análisis. En las Tablas 5.5 y 5.6 se resumen los resultados obtenidos en los análisis de variabilidad espacial con las variables que lo permitieron. Al comparar los resultados obtenidos en las dos tablas mencionadas se observa que en el comportamiento espacial también se presentan diferencias importantes entre los dos tipos de suelos estudiados: Hay una mayor cantidad de variables que tienen variabilidad espacial en los suelos repelentes al agua que en los humectables. TABLA 5.5. Resultados de los análisis de variabilidad espacial con las muestras de Andisoles repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas bajo cobertura de Pinus patula. Con base en datos de Castillo y Gómez (1995) (Intervalo lag = 7 m; Lag activo = 76 m; Pares para el primer lag = 96). Variable* Modelo Nugget Sill Rango (m) R 2 (%) C 0 /Sill (%) Res phn Exponencial Res MO Exponencial Res Al Exponencial Ca Esférico Log K Exponencial Res Na Esférico Res log Fe Exponencial Res sqrt ECA Esférico Res EHH Esférico Log Da Esférico Res CH Lineal-sill Res CC Exponencial LL Lineal LP Lineal Res PC Exponencial * Res: Residuales de la tendencia. Log: Variable transformada a logaritmo. sqrt: Variable transformada a raíz cuadrada. 175

183 TABLA 5.6. Resultados de los análisis de variabilidad espacial con las muestras de Andisoles no repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas bajo cobertura de Pinus patula. Con base en datos de Abril y Ortiz (1996) (Intervalo lag = 7 m; Lag activo = 76 m; Pares para el primer lag = 96). Variable* Modelo Nugget Sill Rango (m) R 2 (%) C 0 /Sill (%) Res pha Nugget puro MO Esférico Res Al Nugget puro K Exponencial Log Na Exponencial Res CIC Nugget puro EHA Esférico Log Da Nugget puro Res CH Nugget puro CC Esférico Res LL Nugget puro LP Nugget puro Res PC Lineal * Res: Residuales de la tendencia. Log: Variable transformada a logaritmo. La mayor variabilidad espacial observada en los suelos repelentes al agua puede aceptarse como normal ya que, como sostiene Ovalles (1992), aquellas propiedades del suelo que más se afectan por el manejo, son las que presentan mayor variabilidad y, en este caso, las muestras repelentes al agua son las que se encuentran en la superficie del suelo mineral, estando más expuestas a los aportes de materiales que haga el litter en su proceso de transformación. Hay, además, otras características que vale la pena destacar acerca de la variabilidad espacial encontrada: Primero, que la variabilidad es de rango corto. Segundo, que el aporte de la variabilidad aleatoria (nugget) a la variabilidad total es bajo. Tercero, que los coeficientes de determinación (R 2 ) son bajos. Todas estas propiedades de la variabilidad espacial implican que las variables estudiadas son difíciles de caracterizar debido a que para hacerlo: Se requiere un elevado número de muestras, lo que implica costos altos. Se requiere un muestreo sistemático intenso que sea capaz de abarcar toda la variabilidad espacial, lo que exige mucho tiempo de trabajo de campo. Aparte de las dificultades para caracterizarlas, las propiedades analizadas van a presentar grandes dificultades para su manejo en el campo, cuando se trate de hacer un uso intensivo de los suelos en explotaciones agropecuarias y va a ser difícil relacionarlas con la producción de las mismas. A manera de ejemplos, en las Figuras 5.2 y 5.3 se muestran los semivariogramas que presentaron mejores coeficientes de determinación al ajustarles el modelo teórico. En la Figura 5.2.a se observa un modelo exponencial y en la 5.2.b uno lineal con sill. En la Figura 5.3.a el modelo corresponde a uno esférico y el de la 5.3.b a un nugget puro. Obsérvese que los modelos se estabilizan casi a la altura de la línea punteada en las gráficas, que muestra el nivel de la varianza general de la variable, lo que indica que el supuesto de estacionaridad se cumple y le da confianza a los resultados obtenidos en el análisis de semivarianza. 176

184 a. b. FIGURA 5.2. Semivariogramas de los residuales del Al (a) y de los residuales del CH (b) de Andisoles repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas bajo una plantación de Pinus patula. Elaborados con base en los resultados de la Tabla 5.5. a. b. FIGURA 5.3. Semivariogramas de los residuales del pha (a) y de la MO (b) de Andisoles no repelentes al agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas bajo una plantación de Pinus patula. Elaborados con base en los resultados de la Tabla Con diversas coberturas vegetales En desarrollo de un trabajo de tesis de maestría, Hoyos (2003) 1 tomó 116 muestras georreferenciadas del horizonte superficial de Andisoles bajo coberturas de ciprés, pinos y roble. La ubicación de las muestras y la identificación de la cobertura vegetal correspondiente se presentan en la Figura 5.4. Las muestras fueron sometidas a análisis de laboratorio y se les determinaron: Espesor del litter en cm (EL); ph en agua (pha); contenido de materia orgánica 1 Hoyos, C Evaluación de la regeneración de especies del bosque natural bajo dosel de coníferas y en bosque secundario en la cuenca de la quebrada Piedras blancas. Tesis Maestría en Bosques y Conservación Ambiental. Facultad de Ciencias Agropecuarias. Universidad Nacional de Colombia. Medellín. 177

185 por combustión húmeda, en % (MO); contenido de fósforo disponible por Bray II, en ppm (P) y contenidos de Al, Ca, Mg y K intercambiables, en cmol (+) kg -1 de suelo, extraídos con KCl 1N, el Al y con acetato de amonio normal y neutro las bases. El autor citado autorizó la utilización de las muestras de los suelos y de los resultados de los análisis que se hicieron, con el fin de hacer la evaluación de la repelencia potencial al agua de ellos y llevar a cabo una caracterización general de los mismos, teniendo en cuenta su hidrofobicidad y la cobertura vegetal de la cual provenían. m Latitud N 1.189E E E6 Cobertura Vegeta Ciprés P. elliottii P. patula Roble 1.18E m Longitud E FIGURA 5.4. Localización de las 116 muestras tomadas por Hoyos (2003) bajo diferentes coberturas vegetales en la cuenca de la quebrada Piedras Blancas. La base de datos obtenida fue depurada y luego las variables fueron sometidas a análisis univariados generales y por grupos de clase de cobertura vegetal. También se hizo un análisis de tendencia geográfica general para todas las muestras. Los resultados obtenidos se exponen a continuación Análisis univariados generales Como resultado de la depuración de la base de datos, se encontró que el contenido de fósforo (P) fue una variable discreta y, por lo tanto, no se tuvo en cuenta para los análisis estadísticos posteriores. Además, al hacer la prueba de normalidad a las demás variables, con el estadístico de Shapiro-Wilk, sólo la variable pha mostró una distribución normal, posiblemente porque ella ya es una transformación logarítmica; en todas las otras variables la distribución no correspondió con una distribución normal. Los resultados del análisis univariado general se presentan en la Tabla

186 TABLA 5.7. Principales estadísticos* de algunas propiedades químicas del horizonte superficial de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, provenientes de diversas coberturas vegetales y con diferentes grados de repelencia al agua. Variable n Media D. E. Máximo Mínimo Asimetría C. V. (%) pha MO Al Ca Mg K Espesor litter * n: Número de muestras. D. E.: Desviación estándar. C. V.: Coeficiente de variación. En la tabla anterior se aprecia que se trata de suelos fuertemente ácidos, con alto contenido de materia orgánica, bajos en bases y con alto contenido de aluminio intercambiable; lo anterior los caracteriza como suelos con un nivel de fertilidad de bajo a muy bajo. En todas las variables, exceptuando el pha, se presenta fuerte asimetría y alto coeficiente de variación, lo que concuerda con los resultados obtenidos en los trabajos de Jaramillo (1995), Castillo y Gómez (1995), Abril y Ortiz (1996) y Jaramillo (1999) Efecto de las coberturas Como se tenían muestras provenientes de 4 coberturas vegetales diferentes, se quiso estudiar el efecto que dichas coberturas pudieran tener sobre el comportamiento de las propiedades evaluadas. Para tal efecto se agruparon las muestras por cobertura y se hicieron dos análisis con ellas: Uno, el univariado y, dos, una comparación de medianas, mediante la prueba de Kruskal- Wallis. Los resultados del análisis univariado se presentan en la Tabla 5.8. En la Tabla 5.8 se aprecia que las propiedades evaluadas siguen teniendo una alta variabilidad, al compararlas con la Tabla 5.7, a pesar de hacer un fraccionamiento de las muestras para formar grupos homogéneos en un factor de variación tan importante como es la cobertura vegetal. En casi todas las propiedades hay por lo menos un grupo de cobertura que tiene un coeficiente de variación muy cercano o mayor al valor del coeficiente de variación general que ellas presentan en la Tabla 5.7. Igual situación se presenta si se comparan los rangos entre las dos tablas. Con respecto a la comparación hecha entre coberturas, no se encontró diferencia estadísticamente significativa entre ellas para las propiedades pha y MO; en las otras propiedades sí se presentaron diferencias significativas, como puede apreciarse en la Tabla 5.9. Es de anotarse que entre los suelos de las dos especies de pinos estudiadas no se presentó diferencia significativa en ninguna de las propiedades evaluadas, lo que indica la similitud que hay entre dichas coberturas y en sus relaciones con los suelos que las soportan. También llama la atención el hecho de que los suelos bajo cobertura de roble no tengan una identidad que los diferencie, de manera neta, de las otras coberturas, pues en algunas propiedades se asocian con el ciprés y en otras con los pinos. Obsérvese que el roble es la cobertura que mayor valor posee en todas las bases del suelo 179

187 TABLA 5.8. Principales estadísticos de algunas propiedades químicas del horizonte superficial de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, por grupos de cobertura vegetal. Propiedad Cobertura n Media Mediana Rango C.V. (%)* Ciprés pha P. elliottii P. patula Roble Ciprés MO P. elliottii P. patula Roble Ciprés Al P. elliottii P. patula Roble Ciprés Ca P. elliottii P. patula Roble Ciprés Mg P. elliottii P. patula Roble Ciprés K P. elliottii P. patula Roble Ciprés Espesor litter P. elliottii P. patula Roble * n: Número de muestras. C. V.: Coeficiente de variación. TABLA 5.9. Análisis de Kruskal-Wallis para la comparación de algunas propiedades del horizonte superficial de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, por cobertura vegetal. Propiedad Valor de p Expresión de la comparación* Al Ciprés < {Roble = P. patula = P. elliottii } Ca {P. elliottii = P. patula = Ciprés} < Roble Mg {P. patula = P. elliottii = Ciprés} < Roble K 1.89 E-9 {P. patula = P. elliottii } < Ciprés < Roble Espesor litter {Ciprés = Roble} < {P. patula = P. elliottii } * Las coberturas entre llaves no presentan diferencia significativa entre ellas. Las coberturas están ordenadas de menor a mayor valor de mediana. 180

188 Relación de la repelencia potencial al agua con otras propiedades del suelo Mediante un análisis de correlación no paramétrico (correlación de Spearman) se estudió la relación que pudiera presentarse entre la repelencia potencial al agua y las propiedades de los suelos evaluadas. Los resultados de este análisis se presentan en la Tabla TABLA Resultados del análisis de correlación no lineal (Spearman) entre las clases de repelencia potencial al agua y algunas propiedades químicas del horizonte superficial de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas. Variables relacionadas con Coeficiente de Nivel de Valor p las clases de WDPT* correlación (r) Significancia (%) WD 35 MO WD 35 Ca WD 35 pha WD 35 K WD 105 MO WD 105 Mg * WD 35 y WD 105 corresponden al WDPT medido en muestras secadas a 35 y a 105 C, respectivamente. En la tabla anterior se aprecia que el grado de repelencia al agua evaluado en muestras secadas a 35 C se correlaciona significativamente con los contenidos de materia orgánica, de Ca y de K y con el ph en agua, en tanto que el WDPT medido en muestras secadas a 105 C sólo lo hace con los contenidos de materia orgánica y de Mg. La relación inversa que se presenta entre el WDPT con el ph, el Ca y el Mg, confirma los resultados obtenidos por Hodge y Michelsen (1991) y por Karnok et al (1993) quienes redujeron el grado de repelencia en los suelos que trabajaron disminuyendo su acidez mediante la adición de cal y elevando el ph. La relación directa entre el contenido de materia orgánica y la repelencia al agua también ha sido documentada en la literatura: Harper y Gilkes (1994), McKissock et al (1998) y Harper et al (2000) la han reportado en suelos arenosos de Australia, incluso también con bajos coeficientes de correlación, como se presentó en este trabajo. En vista de que el WDPT evaluado con muestras secadas a 35 C se relaciona con una mayor cantidad de propiedades químicas del suelo, se exploró la posibilidad de obtener un buen modelo de regresión con ellas. Se utilizó la regresión logística para hacer la regresión con las clases de repelencia potencial al agua, definidas por Dekker y Jungerius (1990). Con las clases de repelencia al agua 0, 1 y 4 se obtuvieron modelos altamente significativos (al 99.99%) entre la clase de WDPT en muestras secadas a 35 C y el contenido de materia orgánica, mientras que con las clases 2 y 3 no se presentó ningún modelo significativo estadísticamente. El poder de explicación de las desviaciones, por el modelo, en la clase 1 fue muy bajo: apenas 7.38%, mientras que en las clases 0 y 4 fue de 51.20% y de 44.93%, respectivamente. En la Figura 5.5 se presentan las gráficas que relacionan las variables mencionadas, en términos de la probabilidad que hay de que los suelos, con determinados contenidos de materia orgánica, pertenezcan a 181

189 alguna de las clases de repelencia al agua definidas. Es de resaltar que en ninguna de las clases de repelencia, el tipo de cobertura vegetal tuvo un efecto estadísticamente significativo. FIGURA 5.5. Gráficas de regresión logística entre el grado de repelencia potencial al agua, con muestras secadas a 35 C, y el contenido de materia orgánica de Andisoles de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, para las clases de repelencia 0, 1 y 4. Con los grupos de muestras conformados por clase de repelencia al agua, también se hizo un análisis de comparación de medianas de las propiedades evaluadas para el secado a 35 y a 105 C y los resultados del mismo se presentan en la Tabla El agrupamiento de las muestras por clase de repelencia al agua es diferente, dependiendo de la temperatura de secado (ver Figura 3.4) y esta diferencia se manifiesta, tanto en el tipo de propiedades que se correlacionan con la repelencia al agua (ver Tabla 5.10), como en las diferencias que se presentan en dichas propiedades entre las diversas clases de hidrofobicidad. 182

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