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Evaluación de la estructura del suelo a través de la tomografía computarizada

Publicado: 11 de febrero de 2014
Por: Maria Angela Pinzón Pinto. Universidad de Cundinamarca, Facultad de Ingeniería Agronómica (Bogotá, Colombia)
Resumen

Los avances en tomografía computarizada proporcionan herramientas de medición para estudiar las estructuras internas del suelo, con esta técnica se profundiza en la comprensión de los diferentes procesos del suelo, como movimiento del agua, intercambio gaseoso, disposición de las raíces y supervivencia de la biota del suelo dentro del perfil; por lo tanto, el objetivo de este trabajo es profundizar, a través de la tomografía computarizada (TC), en el conocimiento de la estructura en un suelo sin disturbar. Se evaluó la estructura de los primeros 50cm de un Typic Hapludands en sus horizontes Ap, A1, Bw1 y Bw2., para lo cual se utilizó un tomógrafo Hispedd Dual (General Electric).Una columna de suelo de 50 cm de altura por 20 cm de ancho y 10 cm de profundidad fue sometida a escaneo con cortes de 2 y 1mm; se obtuvieron tres planos: axial, coronal y sagital. Al analizar las imágenes obtenidas del escaneo se encontró que la estructura tanto de los horizontes Ap y A1, tiene forma redondeada, es decir, granular, con bastantes poros conectados, presencia de abundantes raíces y actividad de organismos; en el horizonte Bw1, la estructura es de mayor tamaño, con bordes muy definidos, menor porosidad y pocos canales elaborados por organismos; en el horizonte BW2, la estructura es de bloques angulares fuertes. En conclusión, la TC permite conocer en cortes muy finos grandes detalles morfológicos de impacto en la descripción y estudio, no solo de rasgos complejos sino de gran interés y utilidad en un análisis estructural y dinámico del suelo

PALABRAS CLAVE
Tomografía computarizada;
estructura;
Typic hapludands.

INTRODUCCIÓN
La estructura reviste gran importancia en la caracterización física del suelo; sin embargo, poco se ha profundizado en los estudios atinentes a las relaciones internas de aquella con el movimiento de agua y de aire en el suelo y, especialmente su relación con la fauna edáfica. Los primeros físicos de suelos decían que “la estructura es la base de la fertilidad del suelo”; hoy día se dice que la sostenibilidad de un agroecosistema resulta comprometida por la degradación de la estructura del suelo.
En las últimas dos décadas la investigación en la ciencia del suelo experimentó un notable avance con la aplicación de la tomografía computarizada de rayos X TC. Esta técnica fue introducido en la ciencia del suelo por Petrovic (1982), Hainsworth y Aylmor (1983) y Crestana (1985), quienes demostraron su aplicación para medir la distribución espacial (2 y 3 dimensiones) de la estructura y porosidad del suelo. Desde entonces, los avances en la instrumentación del TC han permitido conocer más a fondo características y propiedades del suelo tales como la porosidad, la estructura, el flujo preferencial, la aireación y la actividad de la edafofauna.
Actualmente, especialmente en Europa, algunos autores han utilizado esta técnica para profundizar en el conocimiento de la microestructura y porosidad y su relación con las demás propiedades y características del suelo; Chun et al. (2008) examinaron la morfología y el arreglo espacial de poros intra-agregados en agregados entre 8 y 20 mm en bosques; Peth et al (2008), reportaron pequeños poros nodales en agregados de 5mm utilizando el TC; Papadopoulos et al. (2009), notó diferencias en la forma de los poros en agregados de 5 mm, al comparar suelos estables e inestables.
Por cuanto la estructura es una de las propiedades del suelo que resulta más alterada por las prácticas de manejo, por el crecimiento de las raíces, el trafico de la maquinaria, la actividad biológica y el uso en ganadería, resulta interesante aprovechar la nueva técnica de TC, que revela aspectos aún no diferenciables por las técnicas más avanzadas de estudio hasta el presente. En consecuencia, con este trabajo se pretende mostrar cómo las imágenes de TC pueden integrarse al análisis de la estructura del suelo para dilucidar su evolución y los procesos que suceden en éste.
 
MATERIALES Y MÉTODOS
Suelo
El suelo utilizado se recolectó en la ciudad de Facatativá (4°50´Norte, 74°22´ Oeste), a 45.3 km de la ciudad de Bogotá y se clasificó como Typic Hapludands; se encuentra ubicado en las laderas de vertiente con pendientes de 12%; es un suelo profundo, bien drenado y de grupo textural medio en superficie y fino en profundidad, con pH que fluctúa entre 4.4 y 5.5, y fuerte reacción a la prueba de ceniza volcánica, especialmente en los primeros horizontes.
El desarrollo pedogenético de este suelos ha ocurrido de materiales volcánicos y morfológicamente presenta una distribución de horizontes Ap-A1-Bw1- Bw2, C1y C2. El primer horizonte (Ap) tiene una profundidad entre 22 y 25cm, color negro (2.5 YR 2.5/0), textura franca, estructura granular fina moderadamente desarrollada, abundantes organismos, y alta porosidad fina y media. El horizonte A1 tiene una profundidad de 15 cm, color negro (2.5 YR 2.5/2), textura franco-arcillosa, estructura granular mediana, gran cantidad de organismos (presencia de crotovinas) y raíces finas y medias. Subyaciendo a los anteriores, aparece un horizonte cambico conformado por dos horizontes, Bw1 y Bw2, el primero de color café y el segundo amarillo rojizo, textura franco-arcillosa para el primero y arcillosa para el Bw2; la estructura es de bloques subangulares bien desarrollados y fuertes; hay poca cantidad de raíces gruesas y medias, especialmente en el BW2. Finalmente, se encuentran los horizontes C1 y C2, de color pardo- amarillento, y manchas litocromicas en un 10% de color gris claro para el primer horizonte y en un 40% para el segundo, textura arcillosa y sin desarrollo estructural. El suelo fue caracterizado mediante análisis físicos de densidad aparente y real, textura, estabilidad estructural, retención de humedad e infiltración; análisis químicos del pH, carbono orgánico, fósforo, nitrógeno, potasio, calcio, magnesio, sodio, capacidad de intercambio cationico e índice melánico y mineralógia de las fracciones arena y arcilla.

Equipo
La tomografía computarizada (TC) es un procedimiento de diagnóstico que utiliza un equipo de rayos X especial para crear imágenes transversales del cuerpo por estudiar. Para esta investigación se utilizó un tomógrafo medico Hispedd Dual (General Electric). El equipo emite un haz muy fino de rayos X; este haz incide sobre el objeto en estudio el cual es atravesado por la radiación. La radiación que no ha sido absorbida por el objeto, es recogida por los detectores; luego, el emisor del haz, que tenía una orientación determinada (por ejemplo, vertical a 90º) cambia su orientación (haz oblicuo a 95º); este espectro es también recogido por los detectores.
Un ordenador  'suma'  las imágenes, promediándolas y nuevamente, el emisor cambia su orientación unos 100º de inclinación. Los detectores recogen este nuevo espectro, lo 'suman' a los anteriores y 'promedian' los datos. Esto se procedimiento repite hasta que el tubo de rayos X y los detectores han dado una vuelta completa, momento en el cual se dispone de una imagen tomográfica definitiva y confiable.

Procedimiento
Para el desarrollo de la prueba con el TC se tomó una columna de suelo sin disturbar de 50x20x10cm., la cual fue sometida a escaneo en cortes de 2 y 1mm; se tomaron tres planos, así: axial (transversal), coronal (anteroposterior) y sagital (longitudinal) (Fig. 1).
Evaluación de la estructura del suelo a través de la tomografía computarizada - Image 1
 
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La columna de suelo fue escaneada según los tres planes mencionados anteriormente. En la Figura 2a se aprecia la morfología y algunos rasgos externos del suelo estudiado. La Figura 2b muestra una imagen radiográfica, y en ella se pueden apreciar claramente las raíces y canales de organismos, especialmente lombrices, las cuales a simple vista no se podrían detectar; la Figura 2c es tridimensional y en ella se aprecian también las raíces y, canales más nítidamente, así como la estructura del suelo.
La visualización general de los cortes de 2 y 1 mm, de espesor (Figura 3) en cada uno de los horizontes, muestra claramente el tipo de agregación del suelo, los espacios interpedales y más aún algo de porosidad se puede descifrar en estas imágenes, con ello se puede deducir movimiento de agua, de solutos, aireación como también el espacio que tiene la edadofauna y las raíces para desarrollarse.
Variaciones en el tipo de estructura en cada uno de los horizontes se muestran en la Figura 3. En el horizonte Ap se observa una estructura granular fuertemente desarrollada con microagregados intergranulares, el grado de estructuración o de pedalidad está fuertemente desarrollado; estos agregados son relativamente resistentes a los procesos de humectación-desecación y por lo tanto a los procesos erosivos.
Evaluación de la estructura del suelo a través de la tomografía computarizada - Image 2
Evaluación de la estructura del suelo a través de la tomografía computarizada - Image 3
En el horizonte A1 se aprecia una estructura de bloques subandulares, mezclados con algunos peds granulares heredados del horizonte superior Ap,; esencialmente, los menores contenidos de materia orgánica y el incremento de arcilla en este horizonte, modifican el tipo y grado de estructuración; sin embargo, esta combinación de estructuras permite que el horizonte albergue una buena cantidad de organismos y raíces; en los espacios presentes entre uno y otro tipo de estructura se observa un microdrenaje, muy importante en el comportamiento del agua y de solutos dentro de suelo; lo mismo podría decirse de la aireación.
Los contenidos de arcilla se incrementan en profundidad y el contenido de materia orgánica disminuye ostensiblemente, tanto en el horizonte Bw1 como en el Bw2; por lo tanto, se desarrolla una estructura en bloques subangulares gruesos en el horizonte Bw1 (Figura 3); el horizonte Bw2 no muestra estructura (masiva). La presencia de macro y mesoporos desaparece, solo puede considerarse una microporosidad abundante. La presencia de raíces no se observa en el campo, aunque en la Figura 2c del TC se observa una raíz gruesa hasta una profundidad de 50 cm.
 
CONCLUSIÓN
La TC permite conocer en cortes muy finos grandes detalles morfológicos de impacto en la descripción y estudio, no solo de rasgos complejos sino de gran interés y utilidad en un análisis estructural y dinámico del suelo.
A medida que se avance en el empleo específico de este recurso tecnológico pueden generarse nuevos aportes teóricos que den explicaciones legaliformes a intrincados procesos aún desconocidos en la dinámica física del suelo.
Este trabajo muestra que la incursión con la técnica de la tomografía computarizada en el estudio de rasgos del suelo no visualizados mediante otras técnicas, como lo es la estructura, permite tener unos elementos de juicio para hacer predicciones válidas y en consecuencia explicaciones más certeras en cuanto a movimiento de agua y solutos, intercambio gaseoso y el comportamiento de los organismos en el suelo.
 
AGRADECIMIENTOS
Agradezco muy sinceramente al equipo de imagenología del Centro MD Diagnósticos, de la ciudad de Bogotá, por su dedicación en la obtención de las imágenes incluidas en esta investigación.
 
BIBLIOGRAFÍA
  1. PAPADOPOULOS A., BIRD N.R.A., WHITMORE A.P., MOONEY S.J. 2009. Investigating the effects of organic and conventional management on soil aggregate stability using X-ray computed tomography. European Journal of Soil Science, 60: 360-368.
  2. PINZÓN A. 2006. Apuntes sobre Física de suelos. Libro editado por Carvajal
  3. PINZÓN A. 2010. Edafología. Libro editado por Carvajal
  4. SCANNAVINO JUNIOR, P. CRUVINEL . Instrumental Opportunities of X-ray Computed Tomography on Compaction Characterization to Sustainability in Agricultural Systems
  5. SIX J, E.T.ELLIOT, PAUSTIAN K. 2006. Aggregate and Soil Organic Matter Dynamics under Conventional and under Conventional and No-Tillage Systems
  6. SLEUTEL, S., CNUDDE, V., MASSCHAELE, B., VLASSENBROEK, J., DIERICK M., VAN HOOREBEKE, L., JACOBS, P., DE NEVE, S. 2008. Comparison of different nano- and micro- focus X-ray computed tomography set-ups for the visualization of the soil microstructure and soil organic matter: Computers & Geosciences,
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Autores:
Maria Angela Pinzón Pinto
UdeC - Universidad de Cundinamarca
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Armin Mendez Chab
8 de mayo de 2015
Hola, María +Angela, me agrada saber de gente como tu, te agradezco me puedas enviar mayor informmación sobre tu trabajo
Margarito Nicolàs Cruz
5 de mayo de 2015
Muy intersante su trabajo, me gustarìa aplicarlo en mèxico- felicidades por su gran aporte a la ciencia del suelo-
Vicente Lee Rodriguez
4 de mayo de 2015
FELICIDADES MARIA ANGELA EXCELENTE INVESTIGACION, PIENSO QUE HABRIA QUE PROFUNDISAR EN LOS ESTUDIOS SOBRE LA ACTIVIDAD BILOGICA EN EL SUELO, SOBRE TODO PARTIENDO DE UN SUELO PRECTICAMENTE ESTERIL Y ATRAVES DEL, TIEMPO COMO VA AUMENTADO LA FLORA MICROBIANA, CON MEDICIONES ANUALES Y MANEJANDO DIVERSAS FUENTES DE MATERIA ORGANICA EN FORMA CONTINUA.
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