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Manual de Procedimientos de Análisis Físico de Suelos PROYECTO AEGA 224012

Ing. Agr. Roberto Michelena Ing. Agr. Carlos Irurtia Ing. Agr. Maximiliano Eiza Ing. Agr. Patricia Carfagno Tec. Tomás Pirolo rmichelena@cnia.inta.gov.ar

1. Extracción de muestras para determinación de retención de humedad:

1. 1. Capacidad de campo (CC) sin disturbar:

Materiales: 1) Masa 2) Cilindros metálicos o de alumínio de 5 cm de diámetro, 3 cm de altura y 1-2 mm de espesor 3) Cuchillo o cutter

Procedimiento: 1) El suelo tiene que tener una cierta humedad que permita extraer la muestra sin que se fracture.

Si el suelo no tiene la humedad deseada, humedezca el sector donde va a tomar la muestra. 2) Clavar los cilindros a la profundidad deseada. 3) La muestra de suelo tiene que sobrepasar los extremos del cilindro unos 5 mm (sobrante). 4) Envolver el cilindro que contiene a la muestra sin disturbar con papel film, o papel de aluminio

con el fin de evitar compactación, pérdida de humedad y pérdida de material por manipulación. 5) Rotular cada muestra. Realizar un mínimo de 3 repeticiones por horizonte. Importante: El volumen del cilindro tiene que estar completamente cubierto de suelo, sin tener

grietas o faltante de material.

1. 2. Punto de Marchites Permanente (PMP):

Materiales: 1) Cuchillo 2) Bolsa

Procedimiento: 1) Tomar 200 gramos de muestra disturbada por horizonte o profundidad deseada. 2) Rotular cada muestra. 3) Realizar un mínimo de 3 repeticiones por horizonte.

2. Metodología para determinación de Capacidad de campo (CC) y Punto de Marchitez Permanente (PMP)

2. 1. Capacidad de campo (CC)

Instrumental: 1) Platos o placas de cerámica porosa de 1 bar 2) Compresor de 20 bar

3) Extractor u olla de bajas presiones. 4) Cilindros de 4,7 cm x 3,0 cm de alumínio 5) Manómetro 6) Reguladores de presión 7) Balanza 8) Estufa de secado (105ºC)

Preparación de la muestra: Enrasar los cilindros, quitando el material sobrante del borde inferior, obteniendo una supercie de apoyo homogénea con el plato poroso.

Procedimiento

1) Saturar la placa porosa durante 24 hs en un recipiente con agua destilada. 2) Colocar cada muestra sobre papel de filtro. Saturar la muestra con agua destilada para

humedecer por capilaridad durante 24 hs como mínimo o hasta que se observe una lámina de agua en la superficie de la muestra.

3) Se coloca la placa porosa saturada dentro de la olla. 4) Se colocan las muestras saturadas sobre la placa porosa y se cierra la olla. 5) Se le aplica una presión de 0.33 bar (correspondientes a capacidad de campo). 6) Por la salida de la olla conectada al plato comenzará a drenar el excedente de agua. 7) Una vez que finaliza la salida de agua (alrededor de 48 hs), se retiran las muestras y se pesan. 8) Se secan las muestras en estufa (105 ºC) hasta alcanzar un peso constante y luego se pesan. Cálculo de CC:

Seco Peso

Seco Peso-Tara) -Húmedo Peso(CC % =Humedad

2. 2. Punto de Marchites Permanente (PMP)

Instrumental: 1) Membrana de Richards (de acetato de celulosa) o plato poroso para 15 bares. 2) Extractor de membrana u olla de altas presiones. 3) Aros de goma (1 cm de alto x 3 cm de diámetro). 4) Compresor de 20 bar 5) Manómetro 6) Reguladores de presión 7) Balanza 8) Estufa de secado (105ºC)

Procedimiento

1) Secar y tamizar las muestras por 2 mm. 2) Se coloca la membrana dentro del extractor. 3) Se colocan los aros de goma sobre la membrana, se llenan con el suelo y se enrasan. 4) Se saturan por 24 hs las muestras sobre la membrana. 5) Se cierra y se ajusta con llave de torque. 6) Se le aplica una presión de 15 bar, hasta que se detiene el drenaje del extractor

(aproximadamente 48 hs). 7) Se retiran las muestras de los aros, se coloca el suelo en un recipiente y se pesa. 8) Se secan las muestras en estufa (105 ºC) hasta alcanzar un peso constante y luego se pesan. Cálculo de PMP:

Seco

Seco Peso-Tara) -Húmedo (PMP %

Peso

PesoHumedad =

3. Humedad Gravimétrica

Materiales: 1) Barreno 2) Bolsa

Instrumental:

1) Balanza 2) Estufa de secado (105ºC)

Procedimiento:

1) Se toman aproximadamente 250 gr. de suelo de cada horizonte o de la profundidad deseada. 2) Se registra el peso en húmedo 3) Se seca el material a 105ºC hasta peso constante. 4) Se aplica la siguiente fórmula:

100 Seco

Seco Peso-Tara) -Húmedo (ica)(gravimétr % x

Peso

PesoHumedad =

4. Densidad Aparente:

Materiales: 1) Masa 2) Cilindros metálicos:

a) de 10 cm de diámetro, 5 cm de altura y 1-2 mm de espesor b) de 10 cm de diámetro, 10 cm de altura y 1-2 mm de espesor

3) Cuchillo

Procedimiento: 1) El suelo tiene que tener una cierta humedad que permita extraer la muestra sin que se fracture.

Si el suelo no tiene la humedad deseada, humedezca el sector donde va a tomar la muestra. 2) Clavar los cilindros a la profundidad deseada sin generar compactación en la muestra. Para esto

se debe golpear en forma homogénea (vertical) sobre una madera dura de mayor diámetro que el cilindro.

3) Enrasar la muestra en ambos extremos. 4) Importante: El volumen del cilindro tiene que estar completamente lleno de suelo, sin tener

grietas o faltante de material. 5) Extraer todo el material en una bolsa y rotular. Mínimo 3 repeticiones. Nota: En lotes de campos con siembra directa utilizar el cilindro de 5 cm de altura para muestrear

de 0-5 y 5-10 cm de profundidad. A mayor profundidad extraer con el cilindro de 10 cm de altura.

5. Infiltración de agua en el suelo:

5. 1. Infiltración con anillo simple

Instrumental: 1) Infiltrómetros de anillo simple de 21 cm de diámetro. 2) Botella de Mariotte de acrílico graduada en mm. 3) Plancha de acero 4) Base plástica para apoyo de la botella de Mariotte 5) Masa

6) Cronómetro Procedimiento:

Preparación del instrumental. 1) Ubicar el infiltrómetro en el sitio seleccionado. 2) Apoyar la plancha de acero sobre el anillo y clavarlo golpeando con la masa hasta la

profundidad indicada. 3) Colocar la base plástica cubriendo el anillo. 4) Llenar completamente las botellas con agua y disponer junto a los anillos ya clavados Lecturas. 1) Completar la planilla con todos los datos requeridos. 2) Iniciar el cronómetro. 3) Colocar las botellas invertidas, sobre las bases plásticas en cada uno de los infiltrómetros. 4) Realizar lecturas regularmente cada 5 minutos, de la lámina infiltrada en el orden de colocación

de las botellas. Extender las lecturas durante por lo menos 1 hora o hasta alcanzar valores de infiltración constante.

5) Una vez concluido el ensayo analizar los datos tabulados de las lecturas de la planilla. Se debe calcular la infiltración:

a. Restar 10 mm a la primera lectura. Estos 10 mm corresponden a la carga del aparato al inicio del ensayo

b. Calcular la infiltración acumulada a cada tiempo de lectura c. Calcular el diferencial de agua infiltrada en función del tiempo [mm h-1], utilizando la

siguiente ecuación:

6012

12 xtiempotiempo

LamAcumLamAcumi ttt

−

−=

Donde: it : tasa de infiltración en función del tiempo; LamAcumt2: lámina infiltrada de agua acumulada al tiempo t2; LamAcumt1: lámina infiltrada de agua acumulada al tiempo t1; t2 y t1: tiempos 2 y tiempo 1.

d. Calcular la infiltración básica del suelo estudiado utilizando un modelo de ajuste no lineal de los datos. Se sugiere la utilización del modelo Horton.

Planilla de registro de lecturas de infiltración con anillo:

Ubicación: Fecha: Cultivo:Humedad inicial promedio: Textura: Rotación:

TIEMPO LECTURA INF.ACUM INF.INST. LECTURA INF.ACUM INF.INST. LECTURA INF.ACUM INF.INST.Minutos R I (mm) mm mm/h R II (mm) mm mm/h R III (mm) mm mm/h

51015202530354045505560

5. 2. Simulación de lluvia

Instrumental: 1) Simulador de lluvia: estructura de hierro. 2) Paredes de acrílico transparente. 3) Caja portagoteros de acrílico (formadora de gotas). 4) Reservorio de agua de acrílico.

5) Botella de Mariotte de acrílico graduada en mm. 6) Recipiente de recolección de escurrimientos. 7) Masa. 8) Cronómetro 9) Planilla para toma de datos

Procedimiento: Preparación del instrumental. 1) Ubicar el simulador de lluvia en un sitio representativo de la situación a evaluar. 2) Clavar el marco de hierro de la base hasta la mitad de su altura y fijar la estructura principal. 3) Fijar el recipiente de recolección de escurrimientos excavando en el extremo del vertedero. 4) Llenar de agua la caja formadora de gotas, tratando de eliminar las burbujas y apoyar sobre la

estructura principal (mantener cerrada la conexión con el reservorio de agua. 5) Fijar la intensidad de lluvia deseada usando el robinete ubicado a la salida del reservorio de

agua. Tomar la precaución de que las gotas no mojen el suelo durante la regulación. Para ello colocar una de las lonas por debajo de la caja portagoteros.

Lecturas. 1) Completar la planilla con todos los datos requeridos. 2) Abrir el paso desde el reservorio de agua y activar el cronómetro. 3) Realizar lecturas regularmente cada 5 minutos, de la lámina aplicada y del escurrimiento.

Extender las lecturas durante por lo menos 1 hora o hasta alcanzar valores de infiltración constante.

4) Una vez concluido el ensayo analizar los datos de las lecturas de la planilla. Se debe calcular la infiltración realizando la diferencia entre la lámina aplicada y el escurrimiento recogido.

5) Luego de finalizado el ensayo de infiltración (con simulador de lluvias ó con infiltrómetros), es necesario caracterizar la distribución del agua en el suelo mediante el Perfil de Humedad. De esta manera se podrá interpretar correctamente la información de infiltración, escurrimiento e índice de erosión.

Planilla de registro de lecturas con el simulador:

TIEMPO

Minuto Lamina Intensidad Acumulado Lámina Intensidad Acumulado Lámina Tasa Acumulado

mm mm/h mm mm mm/h mm mm mm/h mm

05

1015202530354045505560

ESCURRIMIENTOLLUVIA INFILTRACION

Las etapas para la caracterización del Perfil de Humedad son las siguientes: 1) Retirar la parte superior del simulador y la parcela de erosión, ó el cilindro, luego del ensayo. 2) En la parte central del suelo húmedo efectuar un corte vertical con una pala hasta una

profundidad que supere en 0,20 cm al límite inferior de la zona húmeda (Frente de humedad). Con esto se tendrá una visión general del perfil de humedad en ancho y en profundidad.

3) Descripción general de la zona húmeda: a) Forma, ancho y profundidad, b) Nitidez del Frente de humedad: abrupto (neto), suave (gradual), c) Forma del Frente de humedad: recto, horizontal, chorreado.

4) Toma de muestras de suelo para determinación de humedad. Muestreo cada 5 cm hasta el límite inferior de la zona húmeda.

5) Descripción cualitativa de la distribución de raíces en función de la profundidad. Densidad: alta, media, baja.

Registrar en las planillas toda la información recogida.

5.3 Ajuste Horton

La velocidad de infiltración del agua en un suelo no saturado es máxima inicialmente y luego decrece a medida que el mismo se humedece, hasta alcanzar un valor constante llamado infiltración básica (Ib). Esta última coincide con la conductividad hidráulica a saturación del horizonte menos permeable del suelo. Horton (1938) desarrolló la siguiente ecuación de infiltración:

kt

tiempo Ib)e-Ii(IbI −

+=

Donde Itiempo es la tasa de infiltración en función del tiempo; Ib es el valor de equilibrio de infiltración, Ii es el valor de infiltración al tiempo t=0, y k es el factor de caída de la infiltración. La ecuación es derivada del supuesto simple que la capacidad de reducción de la infiltración durante la lluvia es directamente proporcional a la tasa de infiltración y es aplicable solo cuando la intensidad de lluvia efectiva es mayor que la Ib. Para aplicaciones de campo, los parámetros del modelo son generalmente estimados por ajuste empírico (Mishra et al., 2003). Este modelo tiene como ventajas que, a t = 0, la capacidad de infiltración no es infinita, sino que toma valores finitos de infiltración inicial. Además, a medida que t se hace infinito, la capacidad de infiltración se aproxima a un valor mínimo constante de Ib distinto de cero (Turner, 2006).

0

25

50

75

100

125

150

175

200

0 10 20 30 40 50 60 70Tiempo (min)

Infi

ltra

ció

n I

nsta

ntá

nea (

mm

h-1

)

RI RII RIII RIV Horton

V(t)=32.43+(257.03-32.43)*EXP(-0.14*t)

5.4 Comparación de métodos de infiltración

Infiltrómetro de anillo simple

Simulador de lluvias Infiltrómetro de disco

Con carga hidráulica. Sin carga hidráulica. Con impacto de gota.

Con/Sin carga hidráulica. Sin impacto de gota.

Sencillo y operativo Requiere más tiempo

operativo. Sencillo y operativo.

Infiltración instantánea y acumulada.

Infiltración instantánea y acumulada.

Información sobre estado físico del suelo.

Escurrimiento e Índice de Erosión

Infiltración instantánea y acumulada. Macro porosidad

Ambiente natural. Con y sin rastrojos.

Ambiente natural. Con y sin rastrojos.

Con planta de cultivo Ambiente modificado.

Posibilidad de muchas repeticiones.

Posibilidad de pocas repeticiones.

Posibilidad de muchas repeticiones.

Construcción sencilla. Construcción compleja. Construcción sencilla. Bajo costo. Alto costo. Bajo costo.

6. Penetrometría

6. 1. Penetrómetro de golpes

Instrumental: 1) Penetrómetro de golpes 2) Planilla para toma de datos

Procedimiento: 1) Ubicar el penetrómetro verticalmente en un sitio representativo de la situación a evaluar. 2) Levantar la pesa móvil de manera delicada hasta el tope superior. 3) Dejar caer la pesa sin imprimirle aceleración. 4) Repetir la operación hasta alcanzar la profundidad de 5 cm contabilizando la cantidad de golpes

necesarios para alcanzar cada profundidad. 5) Registrar en las planillas la cantidad de golpes cada 5 cm de profundidad. 6) Transformar la cantidad de golpes en energía.

Golpes Joules/cm kg/ cm2 Mpa

1 1.96 2.759 0.28

Profundidad Nº de golpes(cm) Joules/cm Kg/cm2 MPa0-55-1010-1515-2020-2525-3030-3535-4040-4545-50

Resistencia a la penetración (RP)

ENERGIA POR GOLPE

6. 2. Penetrómetro digital

Instrumental: 1) Penetrómetro digital 2) Planilla para toma de datos

Procedimiento: 1) Ubicar el penetrómetro verticalmente en un sitio representativo de la situación a evaluar. 2) Debido a que cada aparato tiene características propias de uso se deberán seguir las

instrucciones del manual de cada penetrómetro digital. 3) Realizar la descarga de los datos en la PC.

7. Estabilidad de los agregados por el cambio en el diámetro de peso medio (De Leenheer–De Boodt)

Fundamento del método: El índice de estabilidad está dado por la diferencia que existe entre el diámetro de peso medio de los agregados secados al aire y el mismo luego de ser humedecidos, incubados y tamizados en agua. Instrumental:

1) Tamizado en seco: Juego de tamices de abertura 8 mm, 4.75 mm, 3.36 mm y 2 mm para suelos

francos y se agrega 1mm en suelos arenosos. 2) Tamizado en húmedo: Varios juegos de tamices de abertura 4.75 mm, 3.36 mm, 2 mm, 1mm,

0.5 mm, y 0.3 mm. 3) Equipo para tamizado en húmedo, que costa de 3 bateas cilíndricas de aluminio de 20 cm de

diámetro y 40 cm de altura. Y un motor eléctrico. 4) Estufa (105ºC) 5) Platos de aluminio 6) Bureta graduada, a la cual se le corta el extremo inferior para que se formen gotas más grandes. 7) Cámara húmeda. 8) Cristalizadores de 8 cm de diámetro y 5 cm de altura.

Procedimiento:

1) Tamizar en seco aproximadamente 2 Kg de muestra por malla de 1 cm, descartando terrones, pedregullo, raíces, etc. El resto de muestra se tamiza con el juego de tamices para tamizado en seco (8 mm, 4.75 mm, 3.36 mm y 2 mm para suelos francos y se agrega 1mm en suelos arenosos).

2) Las fracciones que quedan en cada tamiz se pesan por separado y se colocan en envases para posterior utilización. Considerando el peso total obtenido como el 100% se calcula el porcentaje correspondiente a cada fracción. Se pesan por separado esas cantidades y se colocan en los cristalizadores.

3) Humedecimiento: Se van rotando los cristalizadores debajo de la bureta que está a 30 cm de altura, de tal manera que se humedezcan todos los agregados.

4) Incubación: se colocan los cristalizadores con las distintas fracciones ya humedecidas, en una cámara saturada de humedad, a unos 20ºC durante 24 horas con el fin de hidratar la materia orgánica, la arcilla y restablecer la actividad microbiana.

5) Tamizado en húmedo, ésta técnica se lleva a cabo con el fin de provocar la dispersión de los agregados. Se emplean los juegos de tamices de abertura 4.75 mm, 3.36 mm, 2 mm, 1mm, 0.5 mm, y 0.3 mm. Que se colocan en el equipo para tamizado en húmedo previamente lleno de agua y se hace oscilar durante 5 minutos.

6) Retirar los tamices del agua, dejarlos drenar inclinándolos unos minutos, se separan los tamices y se colocan sobre los paltos de aluminio llevándolos a estufa a 105ºC hasta peso constante. Una vez secas las fracciones se pesan por separado y se calcula lo que falta para llegar a los 100gr. que es el material que se perdió o pasó al otros tamices.

7) Cada fracción es secada en estufa con circulación forzada de aire a 105 ºC y pesada. Se determina el diámetro de peso medio (DPM, mm) de los agregados para cada tamizado (seco y en agua) y por diferencia entre ambos se determina el cambio en él (CDPM, mm). El DPM se calcula según:

DPM1

∑=

=

n

ii

wi

x

donde i es cada fracción de agregados, n es el número total de fracciones de agregados incluyendo la que pasa a través del tamiz más fino, xi es el diámetro promedio de cada fracción i (mm), calculado como la media aritmética de la apertura de malla de dos tamices consecutivos y wi es la proporción del peso de cada fracción i respecto de la muestra total tamizada (g g-1).

Estructura CDPM Muy bien estructurado Menos de 2 mm

Medianamente estructurado 2 a 2.5 mm Estructura deficiente Más de 2.5 mm

Anexo. Para conocer en forma rápida e integrada el estado de degradación ó la salud del suelo se han

establecido Índices, denominados Índice de Erosión (IE) e Índice de Sellado (IS). Extraído de Michelena, R. y C. Irurtia. 2003. Índices para conocer el estado de degradación y la salud de los suelos. Revista PROCAMPO. Año XII Nº 68. Buenos Aires.

Índice se Erosión Se estableció un índice para caracterizar el estado físico hídrico de suelos de la Región Pampeana,

sometidos a distintos usos y manejos (niveles de degradación), en base a la respuesta a la aplicación de una lluvia simulada, midiendo la infiltración, el escurrimiento y la pérdida de suelo. El Índice de Erosión (IE) mide la cantidad de gramos de suelo perdido por erosión por cada mm de lluvia (ó por KJoule de energía).

En distintos suelos de la Región Pampeana, clasificados previamente según su nivel de degradación, se realizan determinaciones a campo utilizando un microsimulador de lluvia, de 1,50 m de altura donde se aplica una lluvia y se miden la infiltración, el escurrimiento y la pérdida de suelo.

En investigaciones previas se determinó que los suelos “vírgenes” ó muy poco alterados presentan una relación alta de infiltración /escurrimiento, sin ó con muy baja pérdida de suelo, con IE inferiores a 100 . Por el contrario, un suelo muy degradado con 40 años de agricultura continua (soja, maní) presenta un IE de 1.005

Se ha establecido una valoración del IE para suelos de la Región Pampeana que presentan distintos niveles de degradación. Las tierras vírgenes ó muy poco alteradas presentan un IE entre 0 y 100; los suelos con bajo nivel de degradación tienen IE de 100 a 200. Los suelos con mediana y alta degradación presentan un IE de 200-300 y 300-400, respectivamente. Los suelos con muy alto nivel de degradación tienen un IE superior a 400 y en algunos casos el índice puede ser de 1.000 ó superior.

El IE refleja muy bien el estado físico hídrico y nivel de degradación de los suelos estudiados y se encuentra muy relacionado con la relación infiltración /escurrimiento.

Índice de Sellado El impacto de las gotas de lluvia sobre el suelo desnudo produce la rotura de los agregados del

suelo y la separación de las partículas del mismo (arena, limo y arcilla). Las partículas mas finas van obturando los poros de la superficie del suelo y formando lo que se denomina sello ó piel del suelo. Este sello reduce considerablemente la infiltración del agua, aumentando el escurrimiento y la erosión.

Los suelos presentan distinta capacidad para formar el sello, según el contenido de materia orgánica, limo, arena y arcillas. Aquellos suelos que tengan bajos contenidos de materia orgánica y arcillas y altos contenidos de limos, formarán rápidamente sellos, alterando la relación infiltración/escurrimiento. Para conocer la capacidad de formar sello de los suelos se estableció el Índice de Sellado.

El índice de sellado (IS) de una muestra de suelo se determina en el laboratorio y es la relación entre la permeabilidad (facilidad con que el agua pasa a través de esa muestra) con y sin impacto directo de la gota de lluvia. Para esto se somete la muestra de suelo a la lluvia sin protección (desnudo) y luego con protección de rastrojo. En el suelo desnudo se formará el sello y la permeabilidad será muy baja.

El IS mide la capacidad que tiene un suelo de formar un sello y el efecto de este sello sobre la reducción de la infiltración y la permeabilidad del agua en el suelo. Integra parámetros del suelo tales como: contenido de materia orgánica, textura, estructura y estabilidad de agregados, entre otros. Su valor es superior a 1 y será mayor cuando mas degradado está el suelo y menos resistencia ofrezca a formar el sello.