Nomenclatura  estandarizada

Nomenclatura  en  inglés

INTRODUCCIÓN

Los suelos utilizados para la construcción, de cualquier tipo de estructura, deben mantenerse secos y sin materia orgánica (suelos exánimes), para esto se utilizan muchos métodos; de otra forma, se tendría que profundizar más o crear estructuras subterráneas de aguante y soporte. La indexación de esos suelos está basada en que el suelo sea el basamento seguro para sostener peso a corto y a largo tiempo. En la agricultura, los suelos deben mantenerse vivos: húmedos y con materia orgánica y otros componentes

e  = V_v / V_s      (1)
n = V_v / V_t        (2)

que coadyuven la estructura fisicoquímica y biológica, que mantengan los procesos intrínsecos de auto generación del suelo. Esto infiere que la indexación de los suelos agrícolas debe ser modelada matemáticamente de una forma diferente que exprese mejor la realidad agrícola que es el objetivo de este artículo, en donde se introducen relaciones algebraicas nuevas y la adaptación de otras conocidas.

Se propone el uso de una nomenclatura estandarizada aprobada y el Sistema Internacional de Unidades SI, en donde la densidad se expresa en kg/m³ o kN/m³ para los ingenieros (Soane et al. 1980).

PROCEDIMIENTOS  Y  DISCUSIÓN

Relación de Solidez de un Suelo Agrícola

Revisando los parámetros conocidos como relación de vacío (e) y la porosidad (n) utilizados en el área agrícola, se obaserva que ellos vienen expresados ambos en función del volumen de vacíos (V_v), el cual es variable:

Estos índices no dan conocimiento en sí de la estructura del suelo en forma masiva (las partículas de suelo y el espacio poroso existentes al mismo tiempo); es decir, como está relacionado el volumen de las partículas con el volumen total del suelo con su condición de humedad, o cual espacio ocupan porcentualmente los sólidos del suelo, de tal forma de poder inferir conjeturando la estructura porosa, y que también puedan hacerse  correlaciones con la  densidad de los sólidos (densidades aparentes, real o gravedad específica), ver las Ecs. 7, 13 y 16. De acuerdo a Hillel (1985) la relación de vacío (e) muestra que, si hay un cambio en el volumen poroso sólo cambia el numerador; pero para la porosidad (n), cambia tanto el numerador como el denominador; ende,  Hillel (1985) considera que la relación de vacío (e) es un índice preferido por los ingenieros civiles y edáficos, en cambio porosidad (n) es más frecuentemente utilizado por los ingenieros agrícolas. Lambe et al. (1979) manifiestan que ambos términos  (e, y n) son utilizados en mecánica de suelo; pero, la relación de vacío es más útil, ya que durante un proceso de compresión, tanto el numerador como el denominador disminuyen en n; sin embargo, en  e  sólo el numerador decrece, este hecho hace a e más útil para estudiar el proceso de compresión de los suelos, de importancia en los estudios civiles. Hough, (1969) concluye que la relación de vacío (e) se debe descartar en agricultura ya que está intrínsecamente relacionado con suelos secos, y además, hay algunas dificultades prácticas para determinar la relación de vacío, una de las cuales es el problema envuelto en la determinación del volumen de los sólidos. Kézdi (1975) manifiesta que a veces es más conveniente emplear la relación de vacíos, debido a que en la definición de la porosidad el volumen de vacíos se compara con una cantidad que contiene al mismo. Debido a la gran influencia de la forma y el grado de uniformidad de las partículas en la porosidad (n), ésta no indica disgregación o apretamiento del suelo, Terzaghi y Peck (1967).

Considerando lo expuesto, en donde se observa mucha contradicción; en la agricultura, se necesita un índice que relacione el contenido fijo del volumen de partículas con respecto a la variación del volumen total del suelo; una representación más clara del estado poroso del suelo, y del espacio que ocupan los sólidos. Así se define el Índice de Relación de Solidez (i_s)   de los suelos:

Este índice representa al suelo húmedo y sólo cambia el denominador por la humedad y otros factores, compresibilidad, cambios de texturas, etc. dando una visión rápida y precisa de lo  solidificado en que el suelo se encuentra. Es un índice de compactación con mayor presencia física y concomita la imaginación. Este índice no puede ser utilizado por los ingenieros edáficos o civiles porque no  contempla el estado de sequedad del suelo. Cuando se determina por ejemplo que i_s tiene un valor de 0,63 significa que los sólidos ocupan el 63% del volumen total del suelo con presencia del contenido de humedad edáfica; es decir, expresa la solidez del suelo agrícola en estudio. El espacio poroso de un suelo típico está entre 40 y 60 por ciento del volumen total del suelo (Arkin and Taylor, 1981), esto produce una relación de solidez de 60 a 40 %. Espacios porosos con sólo un 12 % de aire (i_s  =  88 %) inhiben el desarrollo radical  (Arkin and Taylor, 1981). El índice i_s también muestra que para aumentar la porosidad es necesario y suficiente aumentar  a V_t.  La solidez de un suelo es altamente influenciada por la forma de los granos y el grado de uniformidad del tamizado. Kezdi (1975) manifiesta que un suelo en particular sea suelto o denso no puede ser juzgado sobre la base de la porosidad solamente. El grado de compactación se cuantifica comparando el valor de la solidez natural con su valor extremo.

El Cuadro 1 presenta las expresiones algebraicas de las relaciones entre los componentes del suelo en función de la relación de solidez en los diferentes estados. Esta información es normalmente presentada en función de la relación de vacío como lo hace Capper et al. (1969). El Cuadro 2 presenta algunos valores de la relación de solidez de la realidad agrícola y su comparación con la relación de vacíos y la porosidad.

Generalmente la porosidad varía entre 0,3 - 0,6; la relación de vacío varía entre 0,3 - 2,0 y la relación de solidez varía generalmente entre 0,30 - 1.0. Lambe et. al. (1979) reportan valores para e mayores de 25 y menor de 0,2, esto es debido al alto y bajo contenido de agua  (900% y 7%) respectivamente; el valor máximo último es difícil para los suelos agrícolas. La relación de solidez  i_s no debería ser siquiera cercana, mucho menos igual ni mayor que uno. Existe una relación directa entre la relación de solidez y la densidad seca o densidad húmeda lo cual aventaja el uso del índice de relación de solidez. De la Figura 1 se infiere, que el rango de valores para i_s debe estar entre 30 % y 65 %. Aplicando regresión lineal a los valores entre la densidad seca y la húmeda, máximas, con respecto a la relación de solidez máxima, se puede observar una relación directa entre r_s, r_N e i_s respectivamente para diferentes suelos texturales. Con una tendencia, al aumentar la relación de solidez, de acercamiento de las densidades aparentes.

i_s = n / e           (4)
i_s = (1 - n)        (5)
i_s = 1– (r_s/r_p)   (6)

La regresión lineal en los valores entre la densidad seca y la húmeda, mínima, con respecto a la relación de solidez mínima, Figura 2, se observa una relación directa entre r_S e i_s; sin embargo, se nota que no hay relación directa entre ρ_h y i_s, aunque hay una tendencia aumentativa.

Con una inclinación, al aumentar la relación de solidez, de acercamiento de las densidades aparentes, y los valores de r_s y r_N tienden a ser iguales para los suelos con texturas inarcillosas. La relación de solidez mínima posee mayor porosidad, lo cual influye en el arreglo partículas y posiblemente mayor humedad. En el Cuadro 3 se presentan algunos valores de la relación de solidez para cinco estados estructurales de diferentes texturas, en comparación con patrones. Se observa, que en condición de muy densa son pocas las condiciones texturales que alcanzan el 88 %, estado estructural que restringe la existencia de oxígeno en muchos suelos. 

La Figura 3 presenta la relación entre la relación de solidez mínima y la relación de solidez máxima de varias condiciones texturales en comparación con patrones. Se observa que muchos suelos tienen un rango de variación entre las relaciones de solidez algo pronunciadas; en especial para aquellos con contenidos de arcillas, limo, materia orgánica y arena fina.

Porosidad Aerífera

De acuerdo Sterling et al.(1972), la fracción del volumen total de suelo ocupada por aire se le denomina la porosidad aerífera y se denota por E_a, la cual se expresa:

E_a = 1- (i_s +θ_w)        (7)

Densidad Edáfica

La densidad aparente seca ρ_s definida como la fracción M_s/V_t, se expresa en función de i_s y de la gravedad específica G o de la densidad real r_p, en donde r_w es la densidad del agua a 4ºC, (1000 kg/m³):

ρ_s  =  M_s / V_t                  (8)
ρ_s  =  i_s * G *ρ_w            (9)
V_s  =   M_s / (G*r_w)    (10)

Es decir, conociendo la gravedad específica de los suelos se conoce la densidad aparente, dando cabida a un mejor entendimiento del estado friable y compactado del suelo, ver Ec 8. Un suelo  agrícola con una gravedad específica de 2,63 y una densidad aparente de aproximadamente 1325 kg/m³, tiene una relación de solidez de un 50 %. Pla Sentís (1993) manifiesta que la compactación del suelo son incrementos en la densidad seca y descenso en la porosidad sin considerar los efectos de la humedad. La densidad aparente de los suelos cambia con la humedad (Hossne, 1996a, 1997 y 2001a):

Generalmente, con muchas excepciones, las densidades aparentes de 1550, 1650, 1800 y 1850 kg/m³ severamente impiden el desarrollo radical en suelos franco arcillosos (i_S = 59,62), franco limosos, franco fino arenosos (i_S = 68,44) y fino areno francosos, respectivamente (Arkin and Taylor, 1981). Brady (1974) considera que los suelos arcillosos, franco arcillosos y franco limoso tienen una densidad aparente en el rango de 1000 kg/m³ a 1600 kg/m³, y los suelos arenosos y franco arenosos en el rango 1200 kg/m³ a 1800 kg/m³. Esto es irresoluto para un buen contenido de humedad edáfica (Hossne, 1996b, 1997 y 2001a). Densidad relativa (D_r) caracteriza la densidad granulada de un suelo en condiciones naturales, la cual aquí se define:

D_r  =  (i_s - i_smin) / (i_smax - i_smin)     (21)
i_s = (i_smax-i_smin)*Dr + i_smin                (22)

Humedad  Edáfica: Son muchas las formas en que se expresa el contenido de humedad de los suelos, Hillel  (1985) y muchos otros autores, las expresa así:

m= M_w / M_t          (23)
θ_w=  V_w  /  V_t      (24)
w=  M_w / M_s        (25)

El contenido de humedad en base húmeda (m). Brady, (1974) considera que no es un modelo adecuado dado que cambia con las fluctuaciones de humedad. Sin embargo, este método es utilizado en las evaluaciones de la humedad en los productos que son llevados a la agroindustria, considerando que fácilmente el contenido de humedad de los rubros recibidos por peso, se les calcula el contenido de agua. Se expresa así:

m + (M_s/M_t) =  1       (26)

La humedad volumétrica o volumen humectante (θ_w). Este método tiene la ventaja de dar una mejor descripción de la humedad disponible para las raíces para un volumen dado de suelo (Brady, 1974). Este método es mucho más adaptable para la computación de flujos y requerimientos de agua por el suelo para riego o lluvia, y las cantidades substraídas por el suelo y evapotranspiración o drenaje (Hillel, 1985). 

El método gravimétrico, o método en base seca (w). Es el más común, pero es sólo de interés para los ingenieros edáficos y civiles y no tienen aplicaciones en la agricultura, únicamente para referencia y su metodología no más que permite conocer la cantidad de agua de la muestra.  El grado de saturación (S). Expresa el volumen de agua presente en el suelo relativo al espacio poroso, se expresa matemáticamente por:

S = V_w/ V_v           (27)

La saturación varía en el rango   0 ≤ S <  1. En los suelos saturados muchas veces se le considera igual a uno, pero en la realidad siempre hay poros llenos de aire. No es un buen índice para suelos que se abotagan, en donde la porosidad cambia con la humedad (Hillel, 1985). Pero todo suelo se abotaga con la humedad.

θ_w = S * (1 - i_s)                                      (28)

q_w  =  S  * n                                           (29)

i_s* θ_w* V_t * G    =  S * M_s(1 - i_s)         (30)

En los cuadros 4 y 5 se muestra la información requerida en el ámbito de campo y de laboratorio, respectivamente, para calcular los índices edáficos del cuadro 6. Relación para el Equilibrio Indexar:

La relación para el equilibrio indexar de los suelos agrícolas es presentada aquí de la siguiente forma: Esta relación es de importancia en la comprobación de los cálculos indexares. Los cuadros 7 y 8 muestran la aplicación del procedimiento.

CONCLUSIONES

1. Es muy típico encontrar trabajos publicados en las áreas agrícolas, agronómicas y pecuarias, prácticamente todos, con análisis de toda forma, sin hacer referencia a la humedad edáfica del proceso. Cuando todo, es alterado por el agua. La humedad del suelo es el elemento fundamental de las funciones físicas, terramecánicas, biológica y química del suelo.

2. El índice introducido, relación de solidez, en este artículo demuestra ser la mejor forma de expresar algebraicamente la compactación del suelo, porosidad y disgregación de un suelo agrícola. Se debe utilizar en lugar de la relación de vacío y porosidad.

3. Se concluye que el cuadro 5 debe ser utilizado para representar indexadamente los suelos en estudios. Correlacionándolo con otros parámetros agronómicos como la biomasa, precipitación, rendimiento, etc.

4. La determinación de la humedad edáfica por el método volumétrico θ_w, o volumen humectante, es el más apropiado para uso agrícola al representar la condición en tiempo y lugar del agua en el suelo. Establece además la diferencia entre la densidad aparente y la humedad

5. En todo trabajo en donde se involucren los índices de suelos agrícolas, se debe utilizar la relación del equilibrio indexar, para garantizar la precisión y veracidad de los datos calculados. Es la identidad matemática del suelo.

6. Se debe estudiar la relación entre la densidad húmeda mínima y relación  de solidez mínima

LITERATURA CITADA

• American Society of Agricultural Engineering. 1971. Compaction of Agricultural Soils. ASAE Monograph.  2950 Niles Road, St. Joseph, Michigan 49085. 471 p.
• Arkin G. F., And Taylor H. M. 1981. Modifying the Root Environment to Reduce Crop Stress.  An ASAE Monograph, ASAE. 407 p.
• Berry, P. L. y Reid, D. 1998. Mecánica de suelos. McGraw-Hill. p 85.
• Brady, Nyle C. 1974. The Nature and Properties of Soil, Macmillan Publishing CO. New York. 8^th Edition. 639 p.
• Capper Leonard, P. and Cassie Fisher, W. 1969. The Mechanics of Engineering Soils. E. & F.N. Spon, London. Fifth Edition. 309 p.
• Hillel, D. 1985. Soil and Water. Academic Press, New York and London. 287 p.
• Hossne G., A. J. 1996a. Investigaciones sobre las Interrelaciones Terramecánicas entre la Densidad y Humedad de los Suelos Agrícolas. Resúmenes. III  Congreso Científico de la Universidad de Oriente. Vol. 8, Suplemento, Memorias 1996. Maturín, Estado Monagas, Venezuela. pp 272.
• Hossne G., A. J. 1996b. Investigaciones Terramecánicas en las Interfases Suelo-Apero Agrícola y suelo-Planta. 6tas Jornadas de Desarrollo Monagas Siglo XXI, Maturín, 6 de octubre de 1996. 25 p.
• Hossne G., A. J. 1997. La humedad del Suelo como Índice de Compactación de los suelos Agrícolas. Resúmenes, Jornadas Agronómicas del 28 de julio al 2 de agosto de 1997, Hotel Maracay, Maracay, Estado Aragua, Venezuela. pp 34-35.
• Hossne G., A. J. 2001a. Investigaciones de la inherencia de la humedad edáfica sobre la densidad aparente en los suelos agrícolas. IV  Congreso Científico de la Universidad de Oriente. Memorias en CD, trabajo completo. Cumaná del 3 al 7 de diciembre, Estado Sucre, Venezuela.
• Hossne G., A. J. 2001b. El muestreador Uhland en la determinación de la humedad de compactación de un suelo Ultisol de sabana del Estado Monagas. XVI Congreso Venezolano de la Ciencia del suelo. Efectuada del 24 al 27 de septiembre del 2001. En CD con posición FS-06.
• Hough, B. K. 1964. Basic Soils Engineering. The Ronald Press Company, New York, Second Edition. 634 p.
• Kézdi Árpád. 1975. Handbook of Soil Mechanics, Volume 1. Elsevier Scientific Publishing Company. 294 p.
• Lambe, T. W. and Whitman, R.V. 1979. Soil Mechanics, SI Version. John Wiley and Sons, New York. 553 p.
• Means, R. E. and Parcher, J. V. 1963. Physical Properties of Soils.  Charles E. Merril Publishing Co. Columbus, Ohio. 464 p.
• Pla Sentís, I. 1993. Labranza y propiedades físicas de los suelos. Efecto de los sistemas de labranza en la degradación y productividad de los suelos. Editores: Ildefonso Pla Sentís y Francisco Ovalles. Memorias de la segunda reunión bienal de la red latinoamericana de labranza conservacionista.. 14 al 19 de noviembre, Guanare, Acarigua, Venezuela. 26 p.
• Smith, G. N. 1981 Elements of Soil Mechanics for Civil and Mining Engineers. Granada, London, Fourth Edition. 420 p.
• Soane, B. D.; Blackwell, P. S., Dickson, J. W. and Painter, D. J. 1980. Compaction by Agricultural Vehicles: A Review, I Soil and Wheel Characteristics. Soil and Tillage Research, 201-237.
• Sterlin, A. T. and Gaylen, L. A. 1972. Physical Edaphology, The Physics of Irrigated and Nonirrigated Soils. W. H. Freeman. Pp 529.
• Terzaghi, K. and Peck, R. B. 1967. Soil Mchanics in Engineering Practice. John Wiley. Second edition. 729 p.