ARTÍCULO ORIGINAL

Correlación entre densidad y resistencia mecánica del suelo obtenida con sondas de diferentes geometrías

Dr.C. Ernesto Ramos-Carbajal^{I  *}  , Dr.Cs. Arturo Martínez-Rodríguez^II  , Dr.C. Armando E. García de la Figal-Costales^II  , MSc. Geisy Hernández-Cuello^II 

^IUniversidad Autónoma de Chiapas (UNACH), Escuela de Estudios Agropecuarios de Mezcalapa, Copainala, Chiapas, México.

^IIUniversidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria, San José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba.

RESUMEN

Una variable importante del suelo es la resistencia mecánica, característica que interactúa con otras propiedades del suelo como la densidad aparente, la textura, el contenido de humedad y la porosidad. De aquí que un sin número de investigaciones experimentales han sido conducidas a la obtención de la sonda de mejor correlación con la densidad volumétrica y la resistencia a la penetración. No obstante, hasta el momento no se cuenta con información técnica precisa, sobre los requerimientos técnicos, para el diseño de sondas, siendo objetivo de la presente investigación determinar el tipo de sonda que asegure posibles niveles de correlación entre la densidad volumétrica y la resistencia a la penetración bajo diferentes condiciones de humedad para un suelo Ferralítico Rojo Lixiviado, típico de Cuba. Para cumplir este objetivo, se diseñaron, ocho tipos de sondas (cinco con forma de cono y tres con forma de cuña) con diferentes dimensiones geométricas y se ejecutó un diseño experimental de naturaleza factorial 2x3, fijándose dos niveles de humedad, intermedio (28%) y alto (35%), y tres niveles de densidad volumétrica (1; 1,1 y 1,2 g∙cm^-3). Como resultado de la experimentación se obtuvo que la sonda prismática en forma de cuña con 30^o y área de la base 520 mm², presentó los mayores niveles de correlación con el índice de cono ASAE (R² = 0,95) y la densidad volumétrica (R² = 0,84), para una humedad del 28%, resultando la forma geométrica más acertada para la estimación del grado de compactación del suelo.

Palabras-clave: Compactación; índice de cono; sensores; densidad volumétrica

INTRODUCCIÓN

En la actualidad el crecimiento de la agricultura ha intensificado el uso de los recursos naturales en general, y en particular ha acelerado muchos procesos de degradación de los suelos, lo que ha influido adversamente en los cultivos.

Dentro de los factores que mayor incidencia tienen en los rendimientos de los cultivos se destacan los relacionados con las propiedades del suelo. Una variable importante del suelo es la resistencia mecánica, característica que interactúa con otras propiedades del suelo como la densidad aparente, la textura, el contenido de humedad y la porosidad (^{Saffih et al., 2009}).

La compactación, medida a través de la resistencia mecánica que ofrece el suelo, es producida por el tráfico de los equipos agrícolas, así como por el manejo inadecuado de las operaciones de labranza y la propia acción de las precipitaciones sobre el suelo descubierto, entre otras causas, constituye un efecto perjudicial sobre los rendimientos agrícolas (^{Botta et al., 2002}, ²⁰⁰⁷; ^{Rodriguez y Valencia, 2012}; ^{Olivet y Cobas, 2013}).

^{Arvidsson et al. (2004)} sugieren que, dependiendo del tipo de suelo y textura, durante las labores agrícolas la humedad del suelo debe ser inferior al límite plástico (LP), coincidiendo con varios autores, ^{Mueller et al. (2003)} y ^{Barzegar et al. (2004)}, que el contenido de humedad más apropiado para la realización de labores agrícolas mecanizadas corresponde a 0,7 - 0,9 LP.

Numerosos investigadores y fabricantes han desarrollado sensores para la medición continua (On-the-Go) de las propiedades del suelo, (^{Adamchuk et al., 2004}; ^{Hall y Raper, 2005}; ^{Herrera et al., 2011}; ^{Hemmat et al., 2013}). En función de los métodos de medición se han desarrollado una gran variedad de prototipos de sondas, sin embargo, en todos los casos se han utilizado sondas de diferentes geometrías, sin referir cual es la óptima

Asimismo, han sido desarrollados diferentes modelos ^{Johnson (2003)}; ^{Chung et al. (2004)}; ^{Chung y Sudduth (2006)}; ^{Nader et al. (2013)}; de la interacción sonda-suelo, dirigidos a esclarecer este proceso de interacción y poder relacionar la lectura de las sondas con el nivel de compactación del suelo bajo diferentes condiciones de humedad. Algunos de estos modelos no han podido ser validados en condiciones de suelos diferentes y otros presentan el inconveniente que no tienen en cuenta algunos parámetros geométricos como la longitud y áreas de las caras laterales de las sondas.

Otras investigaciones han estado dirigidas a la detección del grado de compactación del suelo empleando métodos no invasivos, basados en la aplicación de campos electromagnéticos al suelo ^{Martínez et al. (2010}, ²⁰¹¹⁾, sin embargo, no han podido ser aplicados debido a la influencia simultánea de factores como la humedad y el contenido de materia orgánica del suelo.

En el caso particular que nos ocupa, un sin número de investigaciones experimentales han sido conducidas por ^{Chukwu y Bowers (2005)}; ^{Hall y Raper (2005)}; ^{Chung et al. (2006)}; ^{Chung y Sudduth (2006)}; ^{Sharifi y Mohsenimanesh (2012)}, con vistas a la obtención de la sonda de mejor correlación con la densidad aparente y la resistencia a la penetración. No obstante, hasta el momento no se cuenta con información técnica precisa, sobre los requerimientos técnicos, para el diseño de sondas, de aquí que el objetivo de la presente investigación fue determinar el tipo de sonda que asegure posibles niveles de correlación entre la densidad aparente y la resistencia a la penetración bajo diferentes condiciones de humedad para un suelo Ferralítico Rojo Lixiviado, típico de Cuba.

MÉTODOS

Las investigaciones experimentales se realizaron en el Laboratorio Canal de Suelos, del Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA) de la Facultad de Ciencias Técnicas de la Universidad Agraria de la Habana (UNAH), ubicado en el municipio de San José de la Lajas, provincia Mayabeque..

El suelo objeto de estudio es un suelo Ferralítico Rojo Lixiviado según la última clasificación vigente en el país ^{Hernández et al. (2015)}, proveniente de la zona agrícola de San José de las Lajas, en la Provincia de Mayabeque, Cuba, con un índice de plasticidad de 30,4%, limite plástico de 30,7% y 3,01% de materia orgánica (^{González, 2008}).

Diseño y construcción de sondas de diferente forma geométrica

Para la realización de los experimentos, se diseñaron, ocho tipos de sondas (cinco con forma de cono y tres con forma de cuña) con las características geométricas que se exponen en la Tabla 1.

En todos los casos se mantuvieron constantes las longitudes de la sonda y del vástago. El cono con ángulo de 30º y área de la base de 130 mm² se corresponde con el cono estándar de la Sociedad Americana de Ingeniería Agrícola y Biológica (ASABE). Como material para la construcción de las sondas se empleó acero 1045 según la norma del American Iron and Steel Institute (AISI) y se aplicó un acabado superficial de 0,32 µm.

TABLA 1 Características geométricas de las sondas objeto de experimentación 

Geometría	Ángulo (Grados)	Área de la base (mm^2)	Geometría	Ángulo (Grados)	Área de la base (mm^2)
	30°	130 mm^2		30°	130 mm^2
	30°	260 mm^2		30°	260 mm^2
	30°	520 mm^2		30°	520 mm^2
	45°	260 mm^2		60°	260 mm^2

Metodología para la determinación de la humedad y densidad del suelo

Preparación de las muestras y medición de la resistencia a la penetración, densidad y humedad del suelo

Las muestras de suelo para cada variante experimental fueron colocadas en siete cajas metálicas de dimensiones uniformes (Figura 1), siendo pesadas con vistas a lograr una cantidad de suelo uniforme en cada depósito.

FIGURA 1 Dimensiones de los depósitos de suelo. 

La determinación de la humedad y densidad aparente del suelo se realizó según la ^{NC 67: (2000)}. El pesaje de las muestras antes y después del secado, se realizó con una balanza electrónica marca College con precisión de 0,01 g. Además, se utilizó una rejilla cuadriculada (Figura 2) con el objetivo de unificar la toma de las muestras y se tomaron de cada recipiente tres muestras muestras de suelo con cilindros de Kopecki siguiendo la diagonal y alejado de los bordes.

El suelo previamente depositado en las cajas, era compactado con una prensa mecánica hasta que todas las cajas tuvieran similares niveles de humedad y densidad aparente. Las cajas fueron divididas en 25 cuadrantes para la toma de las muestras (Figura 2a). Los tres puntos rojos indican las cuadriculas para la toma de muestras de densidad aparente y contenido de humedad. En el resto de las cuadriculas se midió la resistencia a la penetración obtenida con el cono estándar ASABE (puntos verdes) y la resistencia a la penetración obtenida con las otras geometrías (puntos azules).

La resistencia a la penetración se determinó utilizando el durómetro CEMA-08 (Figura 2b), diseñado para soportar cargas hasta 3 kN con una apreciación de 2N. La resistencia a la penetración se calculó dividiendo la fuerza de penetración, observada en el indicador digital del durómetro, entre el área de la base del cono o la cuña sometidos a experimentación. Las dimensiones de la base del cono o la cuña fueron medidas con un micrómetro con apreciación hasta 0.01 mm.

La determinación del índice de cono (estándar ASABE) del suelo, se midió con un Penetrómetro digital FIELDSCOUT Modelo: SC 900 SN: 328, con una apreciación de ±1,25 cm, ±15 PSI (±103 kPa).

FIGURA 2 a) Esquema para la toma de muestras de resistencia a la penetración, densidad aparente y humedad. b) Durómetro CEMA-08. 

Diseño experimental

Como variables independientes fueron definidas la humedad y la densidad aparente del suelo, tomándose dos niveles de humedad: intermedio (28%) y alto (35%) y tres niveles de densidad aparente (1; 1,1 y 1,2 g∙cm^-3), resultando un diseño de naturaleza factorial 2x3 para un total de seis tratamientos a realizar durante las corridas experimentales.

Por cada tratamiento se realizaron tres repeticiones. Los niveles máximos y mínimos de densidad aparente se seleccionaron, a partir de un pre-experimento, con el fin de alcanzar valores de la resistencia a la penetración en un amplio rango entre 0,5 y 6 MPa. Como variable dependiente se estableció la resistencia a la penetración medida con las sondas de diferentes formas geométricas.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La Tabla 2 muestra los resultados de las investigaciones experimentales dirigidas a determinar las relaciones entre la resistencia a la penetración, medida con sondas de diferentes dimensiones geométricas, con el índice de cono ASABE y con la densidad aparente seca del suelo.

TABLA 2 Relación entre la resistencia a la penetración obtenida con sondas de diferente geometría con el índice de cono ASABE y la densidad aparente seca, para dos niveles de humedad 

Tipo de sonda	Hume-dad H (%)	Índice de cono ASABE IC(MPa)			Densidad Aparente Seca γ (g/cm^3)
		Ec. Regresión	R^2	Grado	Ec. Regresión	R^2	Grado
Cono ASABE 30^ox130	28				y = 11,874 x - 11,441	0,66	MF
	35				y = 1,4787x - 1,0815	0,16	D
Cono 30^ox260	28	y = 0,777 x - 0,0383	0,86	F*	y = 8,2556x - 7,8231	0,60	MF
	35	y = 0,585 x + 0,1098	0,88	F	y = 0,7504x - 0,4274	0,17	D
Cono 30^ox520	28	y = 0,5113x + 0,0123	0,93	FF	y = 5,4367x -5,1494	0,47	D
	35	y = 0,6191x + 0,0407	0,94	FF	y = 1,5109x -1,4257	0,70	MF
Cono 45^ox260	28	y = 1,0719x + 0,062	0,89	F	y = 14,566x - 14,104	0,33	D
	35	y = 0,903x + 0,1644	0,86	F	y = 1,8399x - 1,4692	0,33	D
Cono 60^ox260	28	y = 0,8931x + 0,605	0,94	FF	y = 13,807x - 13,307	0,81	F
	35	y = 0,3596x + 0,4221	0,20	D	y = 1,1293x - 0,7099	0,30	D
Cuña 30^ox130	28	y = 1,0121x + 0,0634	0,74	MF	y = 11,743 x -11,196	0,72	MF
	35	y = 0,8559x + 0,1698	0,87	F	y = 0,4806x + 0,2096	0,01	D
Cuña 30^ox260	28	y = 0,806 x - 0,04	0,94	FF	y = 9,0656 x -8,6795	0,75	MF
	35	y = 0,9892x + 0,0111	0,60	MF	y = 4,6887 x -4,6843	0,67	MF
Cuña 30^ox520	28	y = 0,8587x + 0,0456	0,93	FF	y = 10,914x -10,581	0,84	F
	35	y = 0,5995x + 0,1224	0,95	FF	y = 1,483x -1,138	0,33	D

*Leyenda para el grado de relación entre las variables: FF-significativamente fuerte (R² ≥ 0,90); F-fuerte (R² ≥ 0,80); MF- medianamente fuerte (R² ≥ 0,60); D- débil (R² ≤ 0,59).

* Legend for degree of correlation: FF-significantly strong (R² ≥ 0.90); F-strong (R² ≥ 0.80); moderately strong MF- (R² ≥ 0.60); D- weak (R² ≤ 0.59).

Según se aprecia en la Tabla anterior, la mayor parte de las geometrías ensayadas presentaron un fuerte grado de correlación con el índice de cono ASABE para los dos niveles de humedad experimentados, con la excepción de la cuña con área de la base de 260 mm² a humedad de 35% y la cuña de 130 mm² a humedad de 28%, que presentaron un grado de correlación medianamente fuerte. Constituyó asimismo una excepción, el cono de 60^o, cuyo grado de correlación resultó débil para una humedad del 35%.

En la Figura 3 se muestra el ploteo de los puntos experimentales, así como la línea de mejor ajuste para el caso del cono y la cuña con ángulos de 30º y área de la base 520 mm², para los cuales fueron obtenidos los grados más fuertes de correlación con el índice de cono ASABE, para ambos niveles de humedad, resultando coeficientes de determinación entre R²=0,93 y R²=0,95.

FIGURA 3 Ecuación de regresión y coeficiente de determinación entre el índice de cuña (IW) obtenido con una cuña de 30^ox520 mm² y el índice de cono (IC) ASABE para cada uno de los niveles de humedad en estudio. 

Los análisis de correlación entre la resistencia a la penetración, obtenida con las diferentes sondas, y la densidad aparente, presentaron un comportamiento más diferenciado, obteniéndose grados fuertes de correlación sólo en el caso de la cuña de 30^o x 520 mm² y el cono de 60^o x 260 mm², en los que el coeficiente de determinación R² resultó de 0,84 y 0,81 respectivamente, para el nivel de humedad de 28%. En los tratamientos con el nivel alto de humedad (35%), sólo se obtuvo grados de correlación medianamente fuertes con la densidad aparente para los casos del cono de 30^o x 520 mm² y la cuña de 30^o x 260 mm².

Con relación al índice de cono ASABE y su correlación con la densidad aparente, los resultados de los experimentos mostraron una débil correlación (R²=0,16) para el nivel alto de humedad y una correlación medianamente fuerte (R²=0,60) para la humedad de 28% (Figura 4). Resultados similares, fueron obtenidos por ^{Vega (2008)} durante la toma de muestras continuada del índice de cono en suelos Ferralíticos Rojos en áreas cañeras de la provincia Mayabeque, mientras que ^{Hall y Raper (2005)} reportan, un coeficiente de determinación similar entre el índice de cono y la densidad aparente (R²=0,55), pero para un suelo arenoso-limoso (71,6% arena; 17,4% limo; 11% arcilla).

FIGURE 4 Ecuación de regresión y coeficiente de determinación entre el índice de cono ASABE y la densidad aparente para cada uno de los niveles de humedad en estudio.  

Estos resultados contrastan con los obtenidos para otro tipo de suelo por ^{Ramírez y Salazar (2006)}, quienes reportan, para un Andisol (Marinilla-La Montañita, Colombia) una estrecha relación (R² = 0.95) de la densidad aparente con la resistencia a la penetración obtenida con un penetrómetro de cono de 30^o y 10 mm de diámetro en la base, dentro de un rango de experimentación con densidades entre 0,3 y 1,0 g∙cm^-3 y resistencia a la penetración entre 2,0 y 4,2 MPa.

Del mismo modo los resultados obtenidos muestran, que la resistencia a la penetración obtenida con la sonda prismática en forma de cuña de 30^o x 520 mm², presentó los mayores grados de correlación, tanto con el índice de cono ASABE, para ambos niveles de humedad, como con la densidad aparente para el nivel de humedad de 28% (Figura 5).

FIGURA 5 Ecuación de regresión y coeficiente de determinación entre el índice de cuña (IW) obtenido con una cuña de 30^ox520 mm²y la densidad aparente para cada uno de los niveles de humedad en estudio.  

Resultados similares, aunque en un tipo de suelo arenoso-limoso (71,6% arena; 17,4% limo; 11% arcilla), reportaron ^{Hall y Raper (2005)}, quienes obtuvieron mayores valores del coeficiente de determinación (R²=0,74) con una sonda prismática en forma de cuña de 30^o x 620 mm² de área de la base.

CONCLUSIONES

La sonda prismática en forma de cuña con ángulo de 30^o y área de la base de 520 mm², presentó los más altos niveles de correlación con el índice de cono ASABE (R² = 0,95) y la densidad aparente (R² = 0,84), para una humedad del 28%. De aquí que esta sonda presenta las mejores características para la detección de la resistencia a la penetración de un suelo Ferralítico Rojo Lixiviado, típico de Cuba, ya que brindaría información, no sólo relativa a la resistencia a la penetración, sino también relativa a la densidad aparente del suelo, en este caso efectuando la medición a niveles de humedad, alrededor del 28%.

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6The mention of trademarks of specific equipment, instruments or materials is for identification purposes, there being no promotional commitment in relation to them, neither by the authors nor by the publisher.

Recibido: 26 de Diciembre de 2019; Aprobado: 14 de Mayo de 2020

^* Autor para correspondencia: Ernesto Ramos Carbajal e-mail [e-mail]