Análisis de los factores que provocan compactación del suelo agrícola

Analysis of the factors that cause soil compaction

Omar González Cueto¹, Ciro E. Iglesias Coronel² y  Miguel Herrera Suárez³

1 Ms.C. Profesor Auxiliar, Departamento de Mecanización Agropecuaria, Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas,
E-mail: omar@uclv.edu.cu

2 Dr. C. Profesor e Investigador Titular, Centro de Mecanización Agropecuaria, Universidad Agraria de La Habana.

3 Dr. C. Profesor Titular, Departamento de Mecanización Agropecuaria, Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas.

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RESUMEN. La degradación del suelo constituye un problema de alcance global, considerándose una de sus principales causas la compactación. El objetivo de este trabajo es analizar los más importantes factores que influyen en la compactación, a partir del análisis de la literatura publicada sobre el tema. Los resultados muestran que el principal factor que influye en la compactación es la humedad del suelo durante el tráfico, otros factores que afectan son la presión sobre el suelo, carga sobre los propulsores, presión de inflado, velocidad de desplazamiento y patinaje.

Palabras clave: humedad, presión sobre el suelo, carga.

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ABSTRACT. The soil degradation constitutes a global issue, being considered one of its main causes the soil compaction. The objective of this paper is to analyze those important elements that influence soil compaction, starting from the study of the literature published on the topic. The results show that the main factor that influences soil compaction is the moisture content during the traffic, other factors that affect are the ground pressure, it loads on the axle, inflated pressure, forward speed and slippage.

Keywords: moisture content, ground pressure, load.

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INTRODUCCIÓN
El suelo constituye un recurso esencial para el desarrollo económico-social y es el sostén físico y químico de todos los ecosistemas terrestres. Su degradación es definida como la pérdida a largo plazo en la función y productividad de los ecosistemas, causada por alteraciones, a partir de las cuales el suelo no puede recuperarse sin ayuda (Bai et al., 2008; Oldeman y Hakkeling, 1991). Constituye un problema de alcance global que afecta el medio ambiente y el desarrollo. Se ha extendido desde un 15% de la superficie terrestre total en 1991 a un 24% en la actualidad, y dentro de este, más del 20% está referido a suelos destinados a producción agrícola (Bai et al., 2008). Las consecuencias de este fenómeno incluyen una disminución de la productividad agrícola, la migración, la inseguridad alimentara, los daños a recursos y ecosistemas básicos, y la pérdida de biodiversidad debido a cambios en los hábitat tanto a nivel de las especies como a nivel genético (Oldeman y Hakkeling, 1991). La degradación del suelo puede tener causas naturales y antropogénicas, siendo estas últimas las que mayores efectos negativos provocan. La Figura 1 muestra las áreas de suelo degradadas debido a la actividad humana en el mundo. Entre los factores provocantes de degradación física del suelo se encuentra la compactación, la cual ha sido considerada como la principal causa de degradación del suelo (Pagliai, et al, 2003).
El tráfico de la maquinaria agrícola es la principal causa de compactación del suelo, la cual tiene carácter acumulativo (Keller, 2004). Durante la aplicación de cargas las partículas del suelo son reorganizadas, decrece el espacio poroso y estas son llevadas a un contacto más cercano, incrementando la densidad de volumen; cambia la forma, tamaño y distribución de los poros, lo cual limita la capacidad de retención del suelo, el intercambio hídrico y gaseoso, y aumenta la impedancia mecánica (Berli, 2001; Gysi, et al., 2001). En la planta disminuye el crecimiento de la raíz y las posibilidades de obtención de nutrientes, agua y aire. El suelo exhibe escorrentía superficial, endurecimiento y mala aireación; lo cual condiciona el empobrecimiento de sus cualidades físicas, reduce el tiempo disponible para la realización de operaciones agrícolas y disminuyen los rendimientos agrícolas (Gysi, et al., 2001)
A escala global se reporta un área de 68 millones de ha compactadas, sólo debido al tráfico vehicular. La afectación de la compactación al medio incluye la emisión de gases invernadero, los campos permanecen largo tiempo inundados después de intensas lluvias y la escorrentía superficial provoca la contaminación de las aguas superficiales y el arrastre del suelo, favoreciendo su erosión (Hamza y Anderson, 2005).
La compactación del suelo provoca disminución de los rendimientos agrícolas, mayores requerimientos energéticos en labranzas y labores culturales, necesidades de resiembras, mayores dosis de agroquímicos y número de pasadas de los equipos, necesidades crecientes de fertilizantes e ineficiencia en el uso de la maquinaria (Botta, 2002).
El objetivo de este trabajo es realizar una revisión sobre los principales factores que inciden en la compactación del suelo.

FIGURA 1. Degradación del suelo debido a actividades humanas (Oldeman y Hakkeling, 1991).

DESARROLLO
La compactación se determina a través de la medición directa de propiedades del suelo como: densidad de volumen, porosidad total, índice de poros, volumen específico, y de forma indirecta por su acción sobre estas y otras propiedades que influyen en la resistencia a la penetración, la permeabilidad al aire y al agua (Johnson y Bailey, 2002).
Análisis de los factores que propician el surgimiento y desarrollo de la compactación
Factores naturales. La naturaleza geológica del suelo caracteriza sus propiedades físicas y mecánicas, las cuales influyen en su compresibilidad y compactibilidad, estas dependen de: la textura; estructura; contenido de materia orgánica y humedad del suelo (Alakukku, et al., 2003).
La compresibilidad del suelo se refiere a la facilidad con la cual decrece en volumen cuando está soportando una presión aplicada. Esta es una propiedad del suelo y es análoga al índice de compresión del suelo (Cc) (Gupta y Allmaras, 1987).

FIGURA 2. Curva de compresión del suelo e índice de compresión del suelo (Cc).

El índice de compresión se determina a través de ensayos de compresión uniaxial, los cuales pueden ser realizados en una cámara triaxial o en un edómetro. Este último es el más empleado para determinar el índice de compresión, con el cual se obtiene una curva de compresión uniaxial del suelo, la cual relaciona variables que expresan cambio de volumen como son: deformación (ζ), densidad de volumen (ρ_d), volumen específico (ν) o índice de poros (e), con respecto al logaritmo natural o logaritmo de base 10 de la tensión principal mayor aplicada (σ₁). La pendiente de la curva en su tramo recto (línea de compresión virgen o línea de compresión normal) expresa el índice de compresión del suelo (Figura 2). Mayores valores de este indican mayor compresibilidad o susceptibilidad a la compactación (Gupta y Allmaras, 1987; Keller, 2004).
Las Figuras 3a y 3b muestran la relación entre el índice de compresión y el contenido de arcilla del suelo. Mayor contenido de arcilla indica más compresibilidad. Los suelos arcillosos son más susceptibles a la compactación que los arenosos, a su vez los suelos sueltos lo son más que los ya transitados o duros (Botta, 2002; Gupta y Allmaras, 1987).

FIGURA 3. Índice de compresión en función del contenido de arcilla, para arcillas expansivas (a) y (b) no expansivas (Gupta y Allmaras, 1987).

La compactibilidad del suelo es la máxima densidad de volumen a la cual este puede ser comprimido por una cantidad de energía dada. La compactibilidad aumenta con el contenido de humedad. Durante la aplicación de presiones al suelo, a medida que esta aumenta hasta alcanzar la humedad crítica de compactación (Hcrit) mayor compactación se provoca; a este valor de humedad la densidad de volumen del suelo alcanza el máximo, para una presión de compactación dada. Hcrit se obtiene mediante curvas de compactación Proctor (Figura 4). En este intervalo los poros del suelo están ocupados por aire y agua, aumentando la presencia de esta última a medida que el suelo se acerca a la humedad crítica de compactación. La adición de agua incrementa la cohesión, y origina un efecto de lubricación entre las partículas el cual permite que estas sean realineadas más fácilmente; durante el proceso de compresión el aire puede ser desalojado de los poros, favoreciendo la compactación (González, et al., 2008).

FIGURA 4. Resultados de ensayos Proctor a suelo Rhodic Ferralsol.

Si las mismas presiones se aplican a humedades mayores a Hcrit la densidad de volumen resultante será inferior al primer caso. Una mayor presencia de agua en los poros disminuye la cohesión y debido a la rapidez con que se realiza el tránsito de la máquina agrícola y a la incompresibilidad del agua resulta difícil desalojarla de lo poros; disminuyendo la capacidad de acercamiento y empaquetamiento de las partículas del suelo; lo cual provoca menor cambio de volumen. La humedad del suelo es el factor que mayor influencia tiene en la compactación (Berli, 2001; González, et al., 2008; Hamza y Anderson, 2005). Durante las labores agrícolas es deseable que la humedad del suelo sea inferior al limite plástico (LP); varios autores consideran que el contenido de humedad más apropiado es de 0,8 a 0,95 LP (Keller, 2004).
El contenido de materia orgánica mejora la estructura del suelo y contribuye a disminuir su compactibilidad. La materia orgánica en el suelo favorece la formación y estabilidad de agregados, aumenta la porosidad total, disminuye la densidad de volumen, mejora la actividad biológica del suelo y propicia que el suelo retenga mayor humedad. Además incrementa los límites de consistencia del suelo, aumentando el intervalo de humedad al cual se puede trabajar el suelo. La compactibilidad está influenciada no solo por el contenido de materia orgánica, sino además por el tipo de materia orgánica, ya que material parcialmente descompuesto y altamente humidificado incrementa la resistencia del suelo a la compactación.
Otros factores naturales que influyen en la compactación son la fuerza de gravedad, la lluvia y los ciclos de humedecimiento y secado del suelo. El humedecimiento favorece una disminución de la densidad de volumen, debido a que la presencia de agua en los poros amortigua y dificulta el acercamiento de las partículas del mismo, estos se expanden y disminuye el efecto de la compactación. Durante el proceso de secado se contrae el suelo, disminuye su volumen y favorece el incremento de la densidad. Los suelos arcillosos son más susceptibles a los ciclos de humedecimiento y secado que los demás suelos (Hamza y Anderson, 2005).
La compactación del suelo no siempre es perjudicial; durante la siembra es necesario una cierta compactación del suelo para que la semilla tenga un contacto adecuado con este, facilitando el acceso de la raíz al aire y nutrientes del suelo.
Factores antropogénicos
Dentro de los factores de origen antrópico, que provocan compactación del suelo destinado a cultivos agrícolas, el tráfico de la maquinaria es el que mayor incidencia tiene. La influencia de las máquinas agrícolas en la compactación se expresa a través de la acción de: presión sobre el suelo, peso sobre los sistemas de rodaje, número de pases, velocidad de desplazamiento y patinaje; los cuales actúan sobre las condiciones prevalecientes en el terreno (Hakansson, 1988; Hamza y Anderson, 2005; Keller, 2004).
La presión sobre el suelo (Ps) que ejerce la máquina agrícola está determinada por el peso sobre los sistemas de rodaje (W) y características de su construcción, presión de inflado del neumático (Pi), y las condiciones prevalecientes en el suelo. A medida que se incrementa la presión sobre el suelo aumenta la densidad de volumen y resistencia a la penetración (Gupta y Allmaras, 1987; Hamza y Anderson, 2005). La presión sobre el suelo, en el centro del área de contacto de un neumático liso de baja presión en suelo firme, es aproximadamente igual a la presión de inflado. Keller (2004) y Poodt, et al. (2003), consideran que Ps≈1,25•Pi para neumáticos de baja presión. Sin embargo, para otros de alta presión (240 kPa), Schjonning, et al. (2008) encontraron que Ps es considerablemente mayor a Pi, llegando las tensiones máximas a alcanzar varias veces la presión de inflado; debido a la rigidez de la carcaza, la configuración de los panes del neumático y las fuerzas dinámicas actuantes cuando el neumático opera en el campo. La disminución de volumen del suelo no solo está influenciada por la presión sobre este, sino además por la forma de su distribución (Alakukku, et al., 2003). En varios estudios de modelación de la compactación, se ha considerado que Ps se distribuye uniforme sobre el suelo (Kirby, et al., 1997). Sin embargo, en otros trabajos esta distribución no se considera uniforme, sino parabólica (tensiones máximas en los ejes exteriores del neumático (Figura 5), o en el centro del neumático, trapezoidal o definida por el usuario. Una distribución uniforme sobre el área de contacto puede ser asumida cuando neumáticos de gran volumen, sin estrías, están en contacto con suelo duro y seco; para suelos mas sueltos o húmedos la distribución de presión en el contacto puede seguir una forma parabólica (Keller, 2004).

FIGURA 5. Distribución de presión sobre el suelo perpendicular a la dirección de movimiento, directamente bajo el neumático 13/7,5–16 SL, la sombra gris indica la desviación estándar de las mediciones realizadas (Gysi, et al., 2001).

Para neumáticos propulsores o motrices la distribución de presión sobre el suelo es mucho más compleja debido a las estrías necesarias para la tracción. Kirby, et al. (1997), reportan que en suelo seco las tensiones en los primeros 0,1 m de profundidad son transmitidas principalmente a través de los panes del neumático, los cuales ocupan alrededor de un tercio del área de contacto. Sin embargo, a mayor profundidad este efecto no fue significativo. La influencia de los panes del neumático depende de la resistencia del suelo. En suelo duro y seco los panes del neumático soportan la carga total, sin embargo las altas presiones bajo los panes compactan esencialmente poco el suelo; en suelo suelto o húmedo la presión en el contacto puede ser la misma bajo los panes que entre estos, debido al hundimiento del neumático. Gisy, et al. (2001), obtuvieron que la presión ejercida por los panes del neumático, en suelo firme, fue cuatro a cinco veces mayor que la presión entre estos (Figura 6). Rusanov (1997), hace referencia a neumáticos 12-38, probados con una presión de inflado de 120 kPa en un tractor MTZ, trabajando sobre un rastrojo seco. La máxima presión de contacto bajo los panes alcanzó 480 a 560 kPa, mientras la presión entre estos fue prácticamente cero. Por otra parte, similares pruebas en un suelo húmedo mostraron que la presión en el contacto es aproximadamente igual bajo los panes y entre estos, a niveles de 90 a 110 kPa. En suelo húmedo los panes se hunden, realizándose el contacto con toda la banda de rodadura del neumático.

FIGURA 6. Distribución de presión sobre el suelo en contacto directo con el sensor, para un neumático 13/7,5-16, presión de inflado 180 kPa. Presión sobre el suelo media de 147 kPa y peso sobre el neumático 15 kN (Gysi, et al., 2001).

La propagación de tensiones en el perfil del suelo disminuye con la profundidad. (Marsili, et al., 1998; Keller, 2004). Gysi, et al. (2001), encontraron que la presión máxima en la superficie del suelo bajo un neumático 13/7,5-16 a 180 kPa de presión de inflado es aproximadamente 3,1 veces mayor que la presión a 0,3 m de profundidad. Domínguez (1986) y Domínguez (1987) investigó la influencia de la presión sobre el suelo ejercida por la cosechadora de caña KTP-1, en la compactación de un suelo arcilloso rojo Kraznoziom en dos niveles de humedad, uno húmedo 37 a 40% y uno seco de 21 a 24%, en condiciones estáticas, determinando que la magnitud de la presión transmitida al suelo disminuye con la profundidad y alcanza su mayor valor en el área de contacto.
A medida que se incrementa la presión de inflado del neumático menor es el área de contacto debido a una mayor rigidez del mismo, lo que origina un aumento de la deformación del suelo y de la densidad de volumen, transmitiéndose mayores tensiones y a más profundidad (Domínguez, 1986; Domínguez 1987; Marsili, et al., 1998). Las tensiones que se originan en la capa superficial están relacionadas con la presión de inflado, sin embargo en el subsuelo el efecto de la presión de inflado no es significativo (Keller, 2004; Kirby, et al., 1997).
El aumento del peso sobre los sistemas de rodaje provoca un incremento de la compactación (Domínguez, 1986; Domínguez 1987; Hamza y Anderson, 2005; Keller, 2004). Carman (2002), realizó estudios con neumáticos 7,5x16, radiales, y encontró que al doblar el valor de la carga vertical sobre el neumático el área de contacto se incrementó en un 29 a 35%. La compactación de la capa superficial está relacionada con la presión sobre el terreno, mientras que la compactación a mayores profundidades está relacionada con el peso sobre los sistemas de rodaje determinando este la intensidad a la cual estas presiones decrecen con la profundidad (Alakukku, et al., 2003; Botta, 2002). La compactación del subsuelo debido al tráfico del tractor está directamente relacionada al peso sobre el rodaje, independientemente de la presión sobre el suelo, aún para neumáticos duales o de diferentes dimensiones (Botta, 2002; Chamen, 2003). La Figura 7 muestra la distribución de presiones a diferentes profundidades en función de la presión normal sobre el suelo y peso sobre los sistemas de rodaje.

Figura 7. Distribución de presiones a diferentes profundidades en función de la presión normal sobre el suelo y peso sobre los sistemas de rodaje, donde: h – profundidad del suelo; C – peso sobre los sistemas de rodaje Chamen, 2003).

A mayor número de pases mayor será la compactación y el volumen de suelo afectado (Alakukku, et al., 2003; Pagliai, et al, 2003). Durante el tránsito de una máquina agrícola cuatro veces sobre la misma huella (suelo suelto o húmedo), tres cuartas partes del cambio en la densidad de volumen y casi el 90% del hundimiento se origina durante el primer pase, siendo mayor la variación mientras más suelto o húmedo esté el suelo (Alakukku, et al., 2003; Botta, 2002; Keller, 2004). Además, la profundidad de la capa de suelo que se compacta tiende a hacerse más superficial en la medida que aumenta el número de pasadas, provocando la disminución de la profundidad a la que se originan valores críticos de impedancia mecánica (Botta, 2002; Servadio, et al., 2001). Braunack (2004), reportó que el valor crítico de 2 MPa de resistencia mecánica del suelo, en una plantación de caña de azúcar en Australia, se encontró a 0,6 m de profundidad después de un pase, después de dos pases este valor se halló a 0,35 m de profundidad. Con pases posteriores este valor se encontró a menor profundidad.
Los tractores de esteras tienen potencial para provocar menor compactación que los de ruedas, debido a la mayor área de contacto con el suelo de los primeros, al comparar tractores de igual potencia (Marsili, et al., 1998). Servadio, et al. 2001), encontraron que tractores de esteras de goma de 118,950 kN de peso, indujeron mayor resistencia a la penetración en los primeros 0,2 m de suelo, que tractores de rueda de 101,280 kN de peso; sin embargo a mayores profundidades los tractores de ruedas provocaron mayor resistencia a la penetración; respecto a la densidad de volumen encontraron que no hubo diferencias entre los dos tipos de tractores. Al comparar el efecto sobre el suelo entre esteras de goma y de metal; Marsili, et al. (1998), encontraron que las segundas provocan menor compactación del suelo en las capas inferiores y que a mayores profundidades el efecto fue similar.
El incremento de la velocidad de movimiento de la máquina agrícola disminuye la compactación debido al menor tiempo de carga (Pytka, 2003. Sin embargo (Marsili, et al. (1998) expresan que a velocidades mayores de 7 km/h el efecto de las vibraciones sobre el suelo contrarresta la disminución de la compactación por el menor tiempo de carga del suelo Alakukku, et al. (2003), reportaron resultados experimentales del efecto de la velocidad en las tensiones máximas bajo el centro de una rueda, en un suelo franco arenoso, encontrando que un incremento de velocidad de 2 a 10 km/h provocó el decrecimiento de las presiones, en 0,3 m de profundidad bajo el centro del neumático y que el efecto de la velocidad fue mayor en un suelo suelto que en uno denso. Un incremento en la velocidad reduce las tensiones que se transmiten a la capa superior del subsuelo, esto es probable que sea debido a las características de la conductividad del agua en el suelo (Alakukku, et al., 2003). Por otra parte Carman (2002), [encontró que al duplicar la velocidad de movimiento se causó un 6% de decrecimiento en el hundimiento del suelo y que la resistencia a la compresión, la densidad de volumen, y el índice de compactación disminuyeron con el incremento de la velocidad de avance.
El efecto del patinaje en la compactación se manifiesta a través del incremento de la longitud del área de contacto y por el esfuerzo cortante sobre el suelo (Sánchez, 1996). El patinaje del tractor compacta solo una capa delgada del suelo superficial de hasta 0,05 m, su mayor efecto se aprecia a partir de 20 y hasta 30% de patinaje, disminuyendo la presión sobre el suelo del vehículo (Hamza y Anderson, 2005). Con patinajes superiores al 30% la densidad de volumen disminuye porque la rueda excava el terreno y lanza hacia atrás el suelo (Sánchez, 1996). Alakukku, et al. (2003), recomiendan un patinaje máximo de 10%, para evitar daños a la capa superficial y al subsuelo debido al esfuerzo cortante del neumático.
En Cuba se han desarrollado investigaciones para evaluar el efecto del número de pases, del peso sobre el rodaje, de la presión de inflado del neumático y de la humedad (Domínguez, 1986; Domínguez 1987; González, et al., 2006; González, 2008; Rodriguez y Gonzalez, 2001; Tarawally, et al., 2004). Estos trabajos se han realizado en su mayoría en el cultivo de la caña de azúcar debido a la importancia económica que ha tenido y aun tiene para el país, a que es un cultivo perenne y con un alto grado de mecanización, sin embargo, otros cultivos han sido menos estudiados. Estas investigaciones se han centrado en la agrupación de suelos ferralsoles y vertisoles; se han realizado en condiciones de campo y no han sido sistemáticas, ya que no se han estudiado todas las variables que influyen, y las estudiadas han estado limitadas a los valores establecidos en los equipos utilizados para los experimentos, no evaluándose todo el intervalo de interés. Las investigaciones realizadas en condiciones de campo presentan gran heterogeneidad natural y cantidad de variables a controlar, resultando muy difícil y costoso realizar estudios de compactación donde se tengan en cuenta todos los factores y su variabilidad. Requieren de gran cantidad de equipamiento y recursos (materiales y humanos); no siendo posible investigar el efecto de todas las posibles combinaciones de estos factores en el campo. Por lo tanto, además de las investigaciones de campo hay una gran necesidad de modelos, que utilizan como parámetros de entrada datos de los vehículos y del suelo, que permita estudiar la compactación en una amplia variedad de suelos y condiciones de tráfico.

CONCLUSIONES
La principal causa de degradación física del suelo es la compactación, provocada por: presión sobre el suelo, peso sobre los sistemas de rodaje, número de pases, velocidad de desplazamiento, patinaje y realización de labores en condiciones inadecuadas de humedad.
La principal causa de compactación del suelo es el tránsito durante el tiempo que el suelo permanece a una humedad cercana a la humedad crítica de compactación.
Los tractores de ruedas provocan mayor compactación que los tractores de esteras.
Las investigaciones sobre la compactación del suelo en Cuba, han estado dirigidas fundamentalmente al cultivo de la caña de azúcar, a las agrupaciones de suelos ferralsoles y vertisoles, y fueron desarrolladas en su mayoría en condiciones de campo.
 

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Recibido 10/09/08, aprobado 07/05/09, trabajo 27/09, revisión.