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Friabilidad de los suelos: Influencia de la mineralogía de la fracción arcilla y su relación con otras propiedades edáficas. Estudio de caso: Suelos cultivados en caña de azúcar del Valle del Cauca (Colombia)

Avila Pedraza, Edgar Alvaro (2015) Friabilidad de los suelos: Influencia de la mineralogía de la fracción arcilla y su relación con otras propiedades edáficas. Estudio de caso: Suelos cultivados en caña de azúcar del Valle del Cauca (Colombia). Doctorado thesis, Universidad Nacional de Colombia.

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Resumen

La friabilidad es una propiedad dinámica y determinante en la respuesta físico-mecánica del suelo a la labranza y resulta esencial en la obtención de una adecuada cama de siembra para los cultivos. Su comportamiento se ha asociado a la naturaleza de otras propiedades edáficas y al contenido de agua, por lo tanto, requiere ser estudiada de manera integral con las diferentes propiedades físicas, químicas y mineralógicas del suelo. En Colombia no se han reportado estudios que evalúen cuantitativamente la friabilidad de los suelos, por lo que el presente trabajo constituye un estudio piloto en este tópico. El objetivo general de esta investigación fue evaluar la influencia de la mineralogía de la fracción arcilla y otras propiedades edáficas en la friabilidad de suelos cultivados en caña de azúcar. Por su parte, los objetivos específicos fueron i) determinar el efecto del tamaño de los agregados y la diferenciación de los horizontes superficiales en el índice de friabilidad de los suelos, usando el coeficiente de variación multivariante, ii) evaluar el efecto del dominio de los minerales arcillosos tipo 1: 1 (caolinitas) y 2:1 (esmectitas y vermiculitas), la textura y el contenido de carbono orgánico en el índice de friabilidad de los suelos, iii) evaluar la relación de la friabilidad con diferentes propiedades físicas y químicas de los suelos, y iv) Evaluar el contenido de agua en el que suelos cultivados en caña de azúcar adquieren su condición de óptima (máxima) friabilidad y su relación con el límite plástico. Se destaca que el estudio se llevó a cabo en 18 fincas localizadas en el centro y sur del departamento del Valle del Cauca y norte del departamento del Cauca (Colombia), realizando muestreos de suelos en los dos primeros horizontes (Ap y A1) de 91 sitios de observación. Se estimó el índice de friabilidad (IF) a 9840 agregados recolectados, utilizando el método de resistencia al rompimiento; los agregados fueron obtenidos de 182 bloques de suelo, posteriormente secados en invernadero y en horno a baja temperatura (40°C), segregados en cuatro tamaños y finalmente sometidos a compresión para determinar su resistencia al rompimiento. Este importante volumen de muestras fue un aspecto fundamental para la confiabilidad de los resultados encontrados. Los horizontes del perfil de suelo se caracterizaron en campo según la descripción morfológica y en el laboratorio se determinaron las propiedades: físicas (densidad aparente, textura, límites de Atterberg, diámetro ponderado medio de los agregados, estado de agregación y los contenidos de agua de los agregados a diferentes potenciales de presión: -10, -30, -100 y -300 kPa); químicas (carbono orgánico, pH y conductividad eléctrica) y mineralógicas (tipos de arcillas). El análisis estadístico se realizó a partir de un enfoque descriptivo e inferencial usando métodos univariantes y multivariantes. El estudio mostró variación del IF con el tamaño de los agregados y horizontes superficiales, y un valor más conveniente del mismo utilizando el coeficiente de variación multivariante, a partir del cual se estimó el límite inferior del coeficiente de variación (IFi) como el valor más representativo del IF; de otro lado, no se encontró efecto con nivel de significancia del diámetro ponderado medio de los agregados estables al agua, de la densidad aparente, del pH ni de la conductividad eléctrica en el IFi. No obstante, el estado de agregación y la porosidad total del suelo mostraron efecto significativo en el IFi. En este trabajo no se encontró efecto significativo de la dominancia de arcillas 1:1 y 2:1 cuando la variable respuesta fue el IFi, pero si una tendencia (desde el punto de vista descriptivo) a presentar mayor IFi los suelos con dominio de arcillas 1:1; por el contrario, la fracción de arena total del suelo y el contenido de carbono orgánico (CO) presentaron efecto altamente significativo, encontrando que los suelos fueron más friables con los mayores contenidos de CO y los menores contenidos de la fracción de arena total. Mediante modelo estadístico-matemático se estimó la máxima friabilidad en el horizonte Ap de los suelos en un valor del IFi de 0.498 y en el horizonte A1 en un valor del IFi de 0.410; estos valores de máxima friabilidad se asociaron a contenidos de agua de 332.04 y 279.89 g kg-1 respectivamente y se correspondieron con potenciales de presión de -78.62 y -30.08 kPa. A partir de análisis de correlación canónica que incluyeron las variables: IFi, potenciales de presión (T), retención de agua (RA) y contenido de agua obtenido experimentalmente en el LP, se generó un modelo estadístico que permitió estimar el contenido de agua en el LP (ALP) para los suelos en su condición de máxima (óptima) friabilidad, tanto en Ap como en A1. Se encontró que el contenido de agua en el que se obtuvo la máxima (óptima) friabilidad fue muy cercano (por debajo) a aquel donde los suelos adquirieron el límite plástico (estimado por modelo); este contenido de agua en el que se obtuvo la máxima friabilidad estuvo en el rango entre 0.88*ALP (horizonte Ap) y 0.91*ALP (horizonte A1). De otra parte, se encontró que el IFi fue mayor en algunos suelos en los que se encontró desarrollo de microestructura (bloques subangulares) en relación con aquellos que carecieron de la misma (masiva), confirmando la relación positiva entre desarrollo de microestructura y el IFi. Los resultados de esta investigación constituyen información inédita en el país, encaminada a mejorar la sostenibilidad de la producción agrícola y evitar el deterioro de la calidad del suelo a partir del conocimiento de la friabilidad y su relación con diferentes propiedades del suelo. Este propósito obedece a la necesidad de lograr la reducción del gasto de energía, consumo de combustible y emisión de gases efecto invernadero (GEI) asociados a las operaciones de labranza., Abstract. Friability is a dynamic property that is determinant for the physical‐mechanical response of soils for tillage and, therefore, is essential for creating a suitable medium for crops. Its behavior has been associated with the nature of other soil properties and moisture content; therefore, it needs to be studied in an integrated way with different physical, chemical, and mineralogical properties of soils. In Colombia, no studies have quantitatively evaluated the friability of soils, which is why the present study established a pilot study for this topic. The general objective of this research was to evaluate the influence of the mineralogy of the clay fraction and other soil properties on the friability of soils cultivated with sugar cane. The specific objectives included i) determining the effect of the size of the aggregates and differentiation of the superficial horizons on the friability index of the soils using the multivariate coefficient of variation, ii) evaluating the effect from the predominance of clay mineral types 1:1 and 2:1, texture, and organic carbon content on the soil friability index, iii) evaluating the relationship between the friability and different physical and chemical properties of the soils, and iv) evaluating the soil water content at which the soils cultivated with sugar cane obtained the optimal conditions (maximum) of friability and its relationship with the plastic limit. This studied was carried out on 18 farms located in the central and southern regions of the Valle del Cauca Department and in the northern region of the Cauca Department (Colombia), taking soil samples of the first two horizons (Ap and A1) at 91 observation sites. Friability index (FI) was estimated for 9840 collected aggregates using the tensile strength method. The aggregates were obtained from 182 soil blocks, which were dried in a greenhouse and lowtemperature oven (40°C), separated into four sizes and, finally, subjected to compression to determine their tensile strength. This significant sample volume was fundamental to the reliability of the results. The horizons of the soil profile were characterized in the field according to the morphological description, and the following properties were determined: physical (bulk density, texture, Atterberg limit, the mean weight diameter of aggregates, aggregation state, and water content of the aggregates at different matric potentials: ‐10, ‐30, ‐100 and ‐300 kPa); chemical (organic carbon, pH, and electric conductivity) and mineralogical (clay type). The statistical analysis was carried out with a inferential and descriptive focus using multivariate and univariate methods. This study showed an FI variation related to the size of the aggregates and the surface horizons and a more relevant FI value using the multivariate coefficient of variation, from which the lower limit of the coefficient of variation (FIi) was estimated as the most representative value of the FI. On the other hand, the mean weight diameter of the aggregates, the bulk density, the pH, and the electric conductivity did not have an effect at a significant level on the FIi. Nevertheless, the aggregation state and the total porosity of the soils demonstrated a significant effect on the FIi. This study did not show a significant effect from the 1:1 and 2:1 clay predominance when the response variable was the FIi, but there was a tendency (from the descriptive point of view) to show a higher FIi in the soils with a 1:1 clay predominance. However, the total sand fraction of the soil and organic carbon (OC) content show highly significant effects, with soils that were friable with the higher OC contents and lower contents for the total sand fraction. A statistical‐mathematical model was used to estimate the maximum friability of the Ap horizon at a FIi value of 0.498 and at a FIi value of 0.410 for the A1 horizon. These maximum friability values were associated with water contents of 332.04 and 279.89 g kg‐1, respectively, and corresponded to matric potentials of ‐78.62 and ‐30.08 kPa, respectively. A statistical model was generated from the canonical correlation analysis, which included the varibles FIi, matric potential (P), water retention (WR) and water content experimentally obtained in the PL, that facilitated an estimation of the water content in the PL (MPL) of the soils at thier maximum (optimal) friability for both Ap and A1. The results showed that the water content that resulted in the maximum (optimal) friability was very close (below) to the moisture their content that resulted in the plastic limit of the soils(as estimated by the model); the water content from which the maximum friability was obtained demonstrated a range of 0.88* MPL (Ap horizon) to 0.91* MPL (A1 horizon). Finally, the FIi was higher in some soils that had microstructural development (subangular blocky) than in soils that lacked them (massive), confirming the positive relationship between microstructural development and the FIi. This study provided unpublished information for the country, aimed at improving sustainability for agricultural production and avoiding the deterioration of soil quality with knowledge on friability and its relationship with different soil properties; goals that are rooted in the need to reduce the energy use, consumption of combustibles, and emissions of greenhouse gases (GHG) that are associated with farming operations.

Tipo de documento:Tesis/trabajos de grado - Thesis (Doctorado)
Colaborador / Asesor:Madriñan Molina, Raúl and Leiva Baron, Fabio Rodrigo
Información adicional:Doctor en Ciencias Agrarias. Línea de Investigación: Suelos y Aguas
Palabras clave:Indice de friabilidad, Agregados del suelo, Labranza, Resistencia al rompimiento, Capa arable, Calidad física del suelo, Friability index, Soil aggregates, Farming, Tensile strength, Topsoil, Physical quality of soils
Temática:5 Ciencias naturales y matemáticas / Science > 55 Ciencias de la tierra / Earth sciences & geology
6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 63 Agricultura y tecnologías relacionadas / Agriculture
Unidad administrativa:Sede Bogotá > Facultad de Agronomía
Sede Bogotá > Facultad de Ciencias > Facultad de Agronomía
Código ID:48992
Enviado por : Edgar Alvaro Avila Pedraza
Enviado el día :23 Junio 2015 18:26
Ultima modificación:23 Junio 2015 18:26
Ultima modificación:23 Junio 2015 18:26
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