Utilización de técnicas nucleares para estimar la erosión hídrica en plantaciones de tabaco en Cuba

Utilization the nuclear techniques use to estimate the water erosion in tobacco plantations in Cuba

Reinaldo H. Gil,^I Dr.C. José L. Peralta,^I Ms.C. Jorge Carrazana,^I Dr.C. Mario Riverol,^II Ms.C. Yulaidis Aguilar,^II Dra.C. Yilian M. Morejón,^III Ms.C. Jorge Oliveira,^IV Ms.C. Gema Fleitas^I

^ICentro de Protección e Higiene de las Radiaciones, La Habana.
^IIInstituto de Suelos, La Habana.
^IIIDirección Provincial de Suelos, Pinar del Río.
^IVInstituto de Geofísica y Astronomía, La Habana.

RESUMEN

La erosión del suelo es un elemento importante en la degradación de tierras, provocando impactos negativos a varios niveles (parcela, finca, cuenca, etc). El cultivo del tabaco en el occidente del país se ha visto negativamente afectado por la erosión hídrica asociado a factores naturales y antrópicos. Un elemento fundamental para implementar una estrategia de manejo sostenible de tierras es la cuantificación de las pérdidas de suelo, ya que permiten establecer políticas de conservación de suelos. Las técnicas nucleares en la evaluación de la erosión, poseen ventajas en comparación con los métodos tradicionales y han sido aplicadas en diferentes agrosistemas a nivel mundial. En la provincia Pinar del Río, los suelos dedicados al cultivo del tabaco, presentan elevados niveles erosivos, por lo que es importante utilizar técnicas que permitan la cuantificación de las tasas de erosión de suelos. El trabajo muestra el uso de la técnica del ¹³⁷Cs para caracterizar el estado de la erosión de suelos en dos sectores de una granja con plantaciones de tabaco, ubicadas en la Llanura Suroccidental de la provincia de Pinar del Río. La estrategia de muestreo incorporó la evaluación de transectas seleccionadas en dirección de la pendiente, siendo tomadas muestras de suelos que incluyeron todo el ¹³⁷Cs del perfil. Se emplearon varios modelos de conversión; el Modelo de Balance de Masa II proporcionó los mejores resultados, obteniéndose una tasa de redistribución de suelos con valores de -18,28 a 8,15 t ha^-1año^-1.

Palabras clave: conservación de suelos, radioisótopos, degradación de tierras.

ABSTRACT

Soil erosion is a relevant factor in land degradation, causing several negative impacts to different levels in the environment, agriculture, etc. The tobacco plantations in the western part of the country have been negatively affected by the water erosion due to natural and human factors. For the implementation of a strategy for sustainable land management a key element is to quantify the soil losses in order to establish policies for soil conservation. The nuclear techniques have advantages in comparison with the traditional methods to assess soil erosion and have been applied in different agricultural settings worldwide. The tobacco cultivation in Pinar del Río is placed on soils with high erosion levels, therefore is important to apply techniques which support the soil erosion rate quantification. This work shows the use of ¹³⁷Cs technique to characterize the soil erosion status in two sectors in a farm with tobacco plantations located in the south-western plain of Pinar del Rio province. The sampling strategy included the evaluation of selected transects in the slope direction for the studied site. The soil samples were collected in order to incorporate the whole ¹³⁷Cs profile. Different conversion models were applied and the Mass Balance Model II provided the more representative results, estimating the soil erosion rate from –18,28 to 8,15 t ha^-1año^-1.

Key words: soil conservation, radioisotopes, land degradation.

INTRODUCCIÓN

La erosión del suelo como factor importante en la degradación de la tierra, causa impactos negativos en el ambiente, repercutiendo desde la disminución de los rendimientos de la cosecha hasta fenómenos de eutroficación y asolvamiento en cuerpos de agua superficiales. En el caso de Cuba, la degradación de la tierra es uno de los principales problemas medioambientales en el que causas, tanto naturales como antrópicas, han provocado un acelerado proceso de erosión que afecta aproximadamente al 43 % de las tierras cultivables del país (1).

En la provincia de Pinar del Río, el mayor por ciento de las áreas dedicadas al cultivo del tabaco presentan una topografía ondulada, además de estar expuesta a la ocurrencia reiterada de eventos meteorológicos extremos e incorrectos manejos de uso del suelo, causas que han facilitado altos niveles de erosión hídrica y a su vez un alto impacto potencial negativo, en la economía nacional^A.

Para la aplicación de una estrategia de manejo sostenible de la tierra, es necesario cuantificar las pérdidas de este recurso natural con el objeto de apoyar el establecimiento de políticas para la conservación del suelo. Las técnicas nucleares han demostrado ser muy eficientes como herramienta de cálculo de esta redistribución de suelo, siendo ampliamente empleadas a nivel internacional y tambien con varias experiencias exitosas en diferentes agrosistemas del país (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14). Estas herramientas poseen varias ventajas al ser aplicables a diferentes ambientes (agrosistemas) (2); con ellas se pueden estimar los niveles erosivos a corto, mediano y largo plazos y se necesita un mínimo de visitas de campo para poder obtener resultados. Sus estimaciones se pueden asociar espacialmente (por puntos de muestreo), lo que facilita su incorporación en mapas y sistemas de información geográficos.

Con el propósito de cuantificar los niveles de redistribución de suelo (erosión/deposición) se aplicó la técnica del ¹³⁷Cs en un área de una cooperativa dedicada a la producción de tabaco, localizada en la llanura suroccidental de Pinar en la provincia Pinar del Río.

MATERIALES Y MÉTODOS

Ubicación, sitio experimental

En el marco del Proyecto Nacional^B se seleccionó un área en un ecosistema altamente degradado, con suelos de tipo Alíticos de bajo contenido arcilloso (Plinthustalf, Soil Taxonomy), en la cooperativa de producción agropecuaria “Jesús Suárez Soca” en el municipio de Consolacion del Sur, provincia de Pinar del Río (coordenadas centrales N 22^o30’46.1” y W 83^o28’22.8”).

El 42 % (113,79 ha) del área total está afectada por la erosión del suelo, problemática en la que tiene una marcada incidencia la influencia de variados eventos meteorológicos extremos (lluvias intensas, huracanes, etc).

Para estimar la erosión del suelo mediante la aplicación de la técnica de radionúclidos ambientales (¹³⁷Cs) proveniente de la precipitación radiactiva “fallout”, fue seleccionado un sitio cultivado con tabaco, dividido en dos sectores (Norte-Sur) de relieve ligeramente ondulado, pero con manifestaciones de niveles de redistribución de suelo diferentes.

Adicionalmente, se evaluó la información (meteorológica, geomorfológica, edafológica y de uso de la tierra), lo cual permitió la selección de un sitio de referencia y dos sectores de estudio con una dimensión de 4 ha, específicamente en el caso del sector Norte es donde se destacan los niveles más altos.

Tomando en cuenta la topografía del sitio y los volúmenes de puntos a muestrear, la estrategia de muestreo se llevó a cabo a través de varias transectas en el área demostrativa y las muestras fueron medidas con un detector de espectrometría gamma. Se dispuso de las metodologías (2, 3) y de los modelos descritos por otros investigadores para caracterizar el estado de la erosión del suelo en el área^C (3, 7, 9, 10, 11, 13, 14).

Estrategía de muestreo de suelo

En el sitio de referencia se determinó el valor promedio de la densidad areal de actividad para el ¹³⁷Cs, permitiendo así la aplicación de los modelos de conversión, el mismo cumplió como requisitos indispensables la ausencia de erosión del suelo; la cercanía a los sectores de estudio; el bajo nivel de pendiente; la ausencia de uso del suelo desde los años 50 y una cubierta vegetal perenne. Se ubicaron los puntos en una red uniforme con espaciamiento entre puntos cada 5 m como se recomienda en estudios anteriores (8, 9, 13) para poder evaluar el comportamiento de la variable de referencia. La profundidad del muestreo permitió incluir todo el inventario de ¹³⁷Cs presente en el suelo.

Los sectores de estudio se evaluaron mediante ocho transectas en las direcciones de máxima pendiente, la distancia entre puntos fue variable y tomada de acuerdo a las características topográficas del área, variando entre 15 y 40 m. El muestreo se llevó a cabo mediante un muestreador de núcleo, hasta los 40 cm de profundidad (ubicación del ¹³⁷Cs en el perfil del suelo).

En cada punto, se tomaron cuatro muestras para conformar una muestra compuesta, para un total de 104. En el sitio de referencia las muestras se obtuvieron mediante un muestreo a diferentes profundidades (cada 10 cm), para evaluar el comportamiento de la distribución del ¹³⁷Cs en profundidad.

Pretratamiento de las muestras

El objetivo de esta etapa fue preparar las muestras de suelo para las mediciones espectrométricas de los niveles de¹³⁷Cs en el laboratorio. Esto se realizó acorde al procedimiento PR/LVRA/03 (Tratamiento de las Muestras del Laboratorio de Vigilancia Radiológica Ambiental). El suelo fue desagregado mecánicamente para su homogenización, secado y tamizado a 2 mm, posteriormente se hicieron mediciones de pesos de las distintas fracciones y la menor de 2 mm se ubicó en beakers Marinelli de 500 mL para la realización de las mediciones espectrométricas.

Mediciones de ¹³⁷Cs por espectrometría gamma

La densidad másica de actividad del ¹³⁷Cs en las muestras de suelo, fueron medidas por un sistema gamma espectrométrico “Silena”, usando un detector de germanio hiperpuro (Tipo P) de 21 % de eficiencia relativa.

La geometría seleccionada para las muestras de suelo fueron los beakers Marinnelli de 500 mL. El detector se calibró con un estandar de suelo disponible en los registros del laboratorio (PAT/LVRA/09) y el espectro se analizó mediante el software EMCAPLUS versión 2.00.5.

Acorde a los niveles de ¹³⁷Cs en el suelo, el tiempo de conteo para las muestras se fijó en 60 000 s que permitió un límite de detección de aproximadamente 0,2 Bq kg^-1. La densidad másica de actividad (Bq kg^-1) para cada muestra se convirtió a la densidad areal de actividad (Bq m^-2) para poder aplicar los modelos de conversión para estimar la tasa de redistribución de suelo (t ha^-1año^-1).

Para el desarrollo de las mediciones de las muestras de suelo se empleó la cadena espectrométrica SILENA compuesta por los siguientes elementos:

• Fuente de bajo voltaje NIM POWER SUPPLY UNIT MOD. PS01-B
• Amplificador espectrométrico MOD. 7611/L
• Fuente de alto voltaje MOD. 7715
• Detector Coaxial de Germanio Intrínseco (HpGe) Tipo-p

Las características de operación del detector HpGe durante la medición de las muestras, se mantuvieron invariables. Las principales características se relacionan a continuación:

• Voltaje de trabajo: + 3500 Volts DC
• Shaping time: 6 µsec
• Ajuste de ganancia: 25
• Resolución promedio (FWHM): 3 keV en el segundo pico del Co-60 (1332.5 keV)
• Posición promedio del segundo pico del Co-60: 1332 keV

Para la calibración en eficiencia del sistema de medición se empleó el patrón de suelo PAT/LVRA/09. La actividad del patrón y otras características de interés se pueden encontrar en el Registro de Patrones del Laboratorio RNP/PRA/LVRA/22.

El valor de eficiencia obtenido para la energía del ¹³⁷Cs (662 keV) fue de 0.008. Este valor de eficiencia, producto de la nueva calibración, se comparó con la calibración anterior (código: 110ML2000 en el software EMCAPLUS versión 2.00.5) y se observó que los resultados coincidían.

Modelos de conversión empleados

Las tasas de redistribución de suelo fueron estimadas mediante la aplicación de tres modelos de conversión^C; el Modelo Proporcional (PM), el Modelo de Balance de Masa I (MBM I) y Modelo de Balance de Masa II (MBM II).

El Modelo Proporcional ha sido ampliamente empleado para los suelos cultivados (2, 3, 5, 9, 10), se basa en la premisa de que las precipitaciones de ¹³⁷Cs se mezclan completamente en la capa de cultivo o de arado y la pérdida de suelo es directamente proporcional al monto de Cesio removido.

La ventaja principal de este modelo es la poca información necesaria para utilizarlo, su mayor desventaja es que si hubo remoción selectiva de la fracción fina del suelo, las tasas de redistribución serán sobrestimadas, pues el ¹³⁷Cs se asocia con la fracción fina del suelo.

El Modelo de Balance de Masa I toma en cuenta los ingresos o pérdidas de ¹³⁷Cs del perfil de suelo, en el período en que se estableció la precipitación del Cesio. Evaluándose la progresiva reducción de la concentración ¹³⁷Cs dentro de la capa de cultivo, debido a la incorporación de suelo conteniendo poco ¹³⁷Cs proveniente debajo de la capa original de cultivo. Su principal desventaja es que no incorpora la remoción del ¹³⁷Cs fresco proveniente de las precipitaciones atmosféricas, antes de ser incorporado a la capa de suelo mediante cultivo debido a las lluvias.

El Modelo de Balance de Masa II incorpora la distribución de suelos debido a la labranza, la cual redistribuye también el contenido del ¹³⁷Cs en el suelo. Este modelo supera las limitaciones de los anteriores, aunque es necesario conocer más parámetros, complicando su empleo.

Los resultados de la aplicación de los modelos se compararon con la estimación de la erosión potencial mediante la evaluación directa de los sectores del estudio (los horizontes guías de suelo, material orgánico, la textura y otras características edafológicas). Un software (Complemento de MSExcell) se empleó para la aplicación de los modelos en la evaluación de la redistribución de suelo en los sectores del estudio^C. Los principales parámetros utilizados se resumen en la Tabla I, los que se obtuvieron de mediciones del suelo en condiciones de cultivo; los datos de lluvia anual se obtuvieron de la Estación Meteorológica más cercana y otras fueron suministradas por los productores.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados principales, obtenidos de los tres modelos para ambos sectores de estudio, se resumen en las Figuras 1 y 2, donde los valores positivos y negativos representan la ganancia y la pérdida de tierra respectivamente.

Existe coincidencia cualitativa para los diferentes modelos; a pesar de que existen variaciones cuantitativas en la redistribución del suelo para los tres modelos evaluados, estos identificaron de igual forma la erosión y la deposición para ambos sectores. El MP (-28,80 a 15,71 t ha^-1año^-1) y el MBM I (-41,27 a 18,2 t ha^-1año^-1) la variación cuantitativa más grande. Por otro lado, el MBM II tiene la variación más pequeña (-18,28 a 8,15 t ha^-1año^-1), estas diferencias se asocian a los diferentes procesos y premisas incorporados en los modelos.

Los resultados muestran un predominio de los fenómenos erosivos en los sectores del estudio (80 %), en la mayoría de los puntos evaluados las proporciones de redistribución estimadas son negativas. De los estudios anteriores en el área^A, la tasa de redistribución del suelo debe variar de 7,0 a -20,0 t ha^-1año^-1.

El MBM II mantuvo los resultados más cerca de los valores esperados para este tipo de suelo, topografía y cosechas; los valores variaron de 8,15 a 18,9 t ha^-1año^-1. Este modelo es el más completo comparado con los otros dos (PM y MBM I), ya que toma en cuenta además la variación temporal del ¹³⁷Cs por su incorporación en la precipitación radiactiva y la distribución inicial de esta precipitación radiactiva en la superficie del suelo.

Para el análisis de los resultados se calculó un grupo de parámetros para los dos sectores del área, aplicando los modelos anteriormente explicados (MP, MBM I y MBM II); los cuales permitieron completar, de forma integrada, el análisis cuantitativo de la redistribución de suelos en el área de estudio. La mayoría de estos parámetros son calculados automáticamente por los softwares empleados (Tabla II).

Aunque en ambos sectores, bajo cultivo de tabaco, predominan los procesos erosivos, los resultados muestran que el sector Norte es el más afectado. La erosión neta y la razón de pérdida de sedimento son mayores que en el sector Sur. También se muestra que los valores de deposición son más bajos en el sector Norte. La diferencia podría estar asociada parcialmente a las caraterísticas de la topografía; la pendiente media en el sector Norte es más grande (3,8 grados) comparado con el sector Sur (1,6 grados).

Para el MBM II, la Figura 3 muestra una representación espacial de la redistribución de suelo (incluyendo la topografía en el área del estudio), siendo identificada una estrecha relación con las formas del suelo. Los modelos indican una asociación entre la erosión hídrica y la topografía, existiendo deposición en las áreas con las cotas cercanas al cero y la erosión se asocia a otra forma de suelo con las cotas más altas.

La aplicación de esta técnica nuclear mediante el uso del ¹³⁷Cs en el área de estudio, permite caracterizar, de manera eficiente, la proporción de redistribución de suelo. La investigación preliminar confirmó la relevancia de los procesos de erosión hidrica en los sectores del estudio y la diferencia identificada entre ambos sectores. También se identificaron algunos modelos de distribución espacial de erosión hidrica en el sitio de estudio.

Los resultados confirman la presencia de elevados niveles de pérdidas de suelos asociados a las áreas con cultivo de tabaco evaluadas en el estudio y la necesidad de implementar un programa de medidas antierosivas que permita preveer y mitigar los impactos negativos. La relación identificada entre los niveles de redistribución del suelo y la topografía permiten recomendar la incorporación, entre otras acciones correctivas, de la siembra en contornos, el uso de barreras vivas y muertas como acciones para reducir el nivel de la erosión hídrica.

CONCLUSIONES

• La aplicación de la técnica nuclear con el uso del ¹³⁷Cs permitió la caracterización efectiva del estado de erosión del suelo en el área de estudio con plantación de tabaco, siendo el Modelo de Balance de Masa II el que mostró los resultados más representativos.

• Se identificaron las distintas tasas de redistribución de suelo entre los dos sectores, siendo el sector Norte el más afectado por los procesos de erosión del suelo; lo cual se debió, en parte, a su topografía y pendiente.

• El sitio de estudio es vulnerable a la erosión, supera en gran parte las 5 t ha-1 año-1 que se consideran dentro del límite permisible para estos tipos de suelos y los resultados preliminares muestran el comportamiento espacial de las tasas de redistribución del suelo.

• Los estudios confirman los niveles elevados de erosión hídrica existentes en áreas de plantaciones de tabaco del occidente del país, mostrando la necesidad de acciones urgentes para revertir esta situación.

RECOMENDACIONES

Deben realizarse estudios suplementarios para obtener resultados más detallados sobre la erosión hídrica en el área de estudio, necesitando el uso de otros radionuclidos (210Pb, 7Be).

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Recibido: 14 de enero de 2014
Aceptado: 12 de diciembre de 2014

Reinaldo H. Gil, Centro de Protección e Higiene de las Radiaciones, La Habana. Email: cphrgil@ceniai.inf.cu