ARTÍCULO ORIGINAL

Determinación de tasas de erosión neta de suelo utilizando ¹³⁷Cs en un agroecosistema de ladera

PhD. Alonso David Ojeda-Falcón^{I  *} 

PhD. Olgioly Domínguez-Quintero^II 

^IUniversidad Central de Venezuela, Facultad de Ciencias, Instituto de Zoología y Ecología Tropical, Centro de Ecología Aplicada, Laboratorio de Agroecología, Caracas, Venezuela.

^IIUniversidad Central de Venezuela, Facultad de Ingeniería, Escuela Básica, Laboratorio de Investigación, Caracas, Venezuela.

RESUMEN

La erosión severa y moderada de los suelos ha ocasionado la degradación de un 80% de las tierras agrícolas del planeta. La agricultura en pendiente, sin medidas de conservación de suelos, unida a la ocurrencia de eventos climáticos extremos, cada vez más frecuentes, como consecuencia del cambio climático, han acelerado estos fenómenos, a tasas de 5-7 millones de hectáreas degradadas/año. En este trabajo se utilizó la espectroscopía gamma para determinar la actividad del ¹³⁷Cs, un radionúclido ambiental de origen antrópico, para estimar las tasas de erosión de suelo, en un agroecosistema de hortalizas, ubicado en el Parque Nacional Waraira Repano, estado Vargas, Venezuela. Con este objetivo, se extrajeron tres núcleos de suelo, seccionados a las profundidades: 0-20; 20-40 y 40-60 cm, en cada uno los 26 y 28 vértices equi distante, distribuidos en los sitios de estudio y referencia, respectivamente. La actividad del ¹³⁷Cs determinada en cada profundidad, permitió establecer patrones contrastantes de su distribución en los perfiles; y sirvió para estimar las tasas de erosión, mediante los modelos de conversión, Proporcional y de Balance de Masas I, que arrojaron tasas de erosión bruta y neta de: 24,7 y 39,7; y 19,8 y 29,3, Mg ha^-1 año^-1, respectivamente. Los beneficios de las técnicas nucleares, permiten además, determinar la redistribución de los suelos; y prever prospectiva y retrospectivamente, la vulnerabilidad de la capacidad productiva de los suelos, que compromete la sustentabilidad de la agricultura, particularmente en suelos muy susceptibles a la erosión, al sobrepasar su grado de saturación hídrica.

Palabras clave: degradación; conservación de suelos; modelos de conversión; espectroscopía gamma

INTRODUCCIÓN

La degradación de los suelos ha afectado más de 1,9 billones de hectáreas de las tierras cultivadas del mundo, debido a fenómenos de erosión, severa-moderada, originada por la acción hídrica-superficial (^{Mabit et al., 2014}). Esto, a su vez, genera impactos ecológicos y socio-económicos, asociados a la reducción de la productividad de los suelos, a la contaminación de las aguas y a los fenómenos de sedimentación de embalses y ríos. De allí, que las técnicas para determinar tasas de erosión, que ofrezcan practicidad, certidumbre; y, permitan una valoración prospectiva y retrospectiva, tienen una alta significación para decisores en materia de políticas públicas en agricultura y ambiente.

Los radionúclidos ambientales, antrópicos y naturales pueden ser utilizados como trazadores debido a que, son depositados en los suelos desde la atmósfera mediante precipitación, sufriendo posteriormente la misma redistribución debido a los diferentes factores de erosión a los cuales están sometidos los suelos a los que se adhieren. Los principales radionúclidos utilizados para este tipo de estudio son: ⁷Be de origen cosmogénico; ¹³⁷Cs de origen antropogénico, generados por pruebas de armas termonucleares y accidentes en reactores nucleares (Chernobyl, Fukushima y otros a menor escala); ²¹⁰Pb de origen natural, proveniente del decaimiento del ²²²Rn de la serie de decaimiento del ²³⁸U, parte del ²²²Rn se difunden a través del subsuelo hacia la atmósfera donde decae a ²¹⁰Pb y eventualmente precipita y se redistribuye en los suelos. Midiendo la actividad del ²¹⁰Pb y del padre ²²⁶Ra es posible determinar el ²¹⁰Pb_exceso que se encuentra fuera de equilibrio con el ²²⁶Ra (^{Zapata, 2002}).

Es así que, midiendo la actividad, por espectroscopia Gamma, de ¹³⁷Cs, ²¹⁰Pb_exc y ⁷Be, depositados en el suelo, aun en cantidades muy bajas, se puede determinar información para generar patrones de distribución, tasas de erosión y sedimentación, en distintas escalas temporales. Dependiendo del radionúclido utilizado, se pueden integrar lapsos temporales diferentes, desde un evento singular hasta un lapso de tres meses con las medidas de la actividad del ⁷Be, hasta periodos que van desde 30 años en el caso del ¹³⁷C (antropogénico) hasta 100 años con ²¹⁰Pb_exceso.

Las estimaciones de erosión con técnicas nucleares, son retrospectivas, pueden obtenerse oportunamente, realizando un solo muestreo en los sitios de estudio, sin intervenir en las operaciones normales de cultivo; las mediciones, pueden escalarse desde parcelas hasta cuencas hidrográficas, sin ninguna otra consecuencia que el incremento del número de muestras a ser analizadas; y a su vez, las tasas de redistribución de los suelos, representan los efectos integrados del movimiento del material particularizado, bajo los usos y manejos singulares de los ecosistemas. Por estas razones, las técnicas nucleares mediante el uso de radionúclidos ambientales han comenzado a ser ampliamente utilizadas con estos fines (^{Ritchie y McHenry, 1990}; ^{Zapata, 2002}; ^{Mabit et al., 2014}).

El ¹³⁷Cs es un radionúclido de origen antrópico, que circula en la atmósfera terrestre, a raíz de las explosiones y accidentes nucleares ocurridos a partir de 1950. Este radionúclido entra a los suelos mediante precipitación atmosférica y es fuertemente retenido en el complejo orgánico-mineral de las capas más superficiales de los suelos según ^{Mabit et al. (2002)} y su migración vertical es muy limitada (^{Bunzl et al., 1989}). El balance de redistribución o actividad total del radionúclido por unidad de área está basado en el inventario de ¹³⁷Cs, medido en un sitio de muestreo dado, comparado con un sitio de referencia que corresponde a un inventario de acumulación de las entradas, tomando en cuenta la diferencia de comportamiento de los suelos cultivados (sitios de estudio) y no cultivados (sitio de referencia). La estimación cuantitativa de las tasas de erosión y sedimentación a partir de las mediciones de actividades del ¹³⁷Cs, requiere el uso de modelos de conversión que son desarrollados sobre la base de los procesos físicos que influencian las interrelaciones entre la magnitud de la reducción o incremento en el inventario de ¹³⁷Cs y la redistribución del suelo.

El objetivo principal de este trabajo es utilizar las mediciones de ¹³⁷Cs y los modelos de conversión, Proporcional y de Balance de Masa I, para estimar las tasas de erosión neta en un agroecosistema en pendiente cultivado con hortalizas.

MÉTODOS

El área de estudio, se identificó en el Parque Nacional Waraira Repano, Camino de Los Españoles, contiguo a El Valle de Caracas, de origen tectónico y rellenado con sedimentos del Terciario y el Cuaternario. Forma parte de la Cordillera de la Costa Central de Venezuela, de unos cuatrocientos kilómetros de longitud, que se extiende paralela a la costa en dirección este-oeste, desde la depresión del Unare hasta la depresión de Yaracuy.

TABLA 1 Coordenadas geográficas del área de referencia y los sitios de estudio, Parque Nacional Waraira Repano 

Longitud Oeste	Latitud Norte	Localidades	Áreas de referencia y sitios de estudio
66.95169	10.543487	El Fortín de La Cumbre, vertiente sur	Área de referencia (AR)
66.94493	10.549852	Unidad de Producción Hoyo de La Cumbre	Sitio de estudio, área de erosión (SE)
66.94467	10.549769	Unidad de Producción Hoyo de La Cumbre	Sitio de estudio, área de depósito (SD)

La Tabla 1, muestra las coordenadas geográficas del área de referencia y los sitios de estudio, que a continuación se describen:

• Área de referencia (A_R): Se localizó en El Fortín de La Cumbre, identificado como una y la mayor de una línea de pequeñas fortificaciones que guardaban el Camino de los Españoles; construida en 1 770, ubicada a 1 428 m.s.n.m., con una precipitación promedio anual de 774 mm de acuerdo al registro de la estación meteorológica, serial 5050.

• Sitios de estudio: Se encuentran ubicados en Hoyo de La Cumbre, que es una zona bajo fomento agrícola desde tiempos remotos. Se trata de un agroecosistema de hortalizas, localizado a 700 m del Fortín de La Cumbre (área de referencia) en la que se practica una agricultura en pendiente, con labranza de monocultivo, en extensiones de 2-3 ha; riego por aspersión y fertilización con fórmulas de NPK 12-24-12. La identificación del sitio de depósito (S_D) se realizó en una franja estrecha, próxima al talud de la vialidad, en la que se produce un cambio abrupto de la pendiente y se depositan los sedimentos (Figura 1).

FIGURA 1 Pendiente de orientación norte-sur y cambio de la pendiente en el S_D. 

En el S_D, las pruebas preliminares de campo permitieron determinar una profundidad efectiva del suelo de 80 cm, en contraste con la profundidad efectiva del suelo en el área de erosión (25-30 cm).

Muestreo de suelo: En el A_R se estableció un muestreo sistemático de distribución regular, 3 m x 5 m, que definió un total de 28 vértices en 7 puntos y 4 hileras. En el área de estudio se estableció un diseño de muestreo similar al del área de referencia, pero con distanciamientos de 10 m x 10 m y un total de 26 puntos. En cada punto central de muestreo, se tomaron 2 réplicas a una distancia de radio de 0,5 m, para un total de 3 sub-muestras para cada una de las profundidades de muestreo: 0-20; 20-40 y 40-60 cm, lo que permitió formar una muestra compuesta para cada vértice y profundidad de estudio. Sólo en el área de depósito, se obtuvieron muestras a las profundidades de 60-80 cm.

La Figura 1 muestra los cambios de relieve en el agroecosistema de hortalizas con dos planos de inclinación, que permitió identificar el sitio de erosión con pendiente de 25% y el sitio de depósito, donde se redistribuyeron los sedimentos provenientes de la escorrentía superficial por acción de la erosión hídrica. El plano más bajo, orientado al sur-este, se localizó a 1 264,5 msnm; mientras que el más alto, orientado al nor-oeste, se ubicó a 1 279,5 msnm, originando un desnivel total de 15 m separados por una distancia de 60 m entre ambos extremos altitudinales (Figuras 1 y 2).

FIGURA 2 Cambios de relieve en el agroecosistema de hortalizas localizado en Hoyo de La Cumbre. 

Los núcleos de suelo extraídos para cada profundidad: 0-20; 20-40, 40-60 y 60-80 cm, se secaron a temperatura ambiente, se homogenizaron, se pesaron y se tamizaron, a través de una criba de 2 mm. Las 3 sub-muestras de cada punto se mezclaron hasta formar una muestra compuesta de cada punto/profundidad.

En envases rotulados, tapados y sellados, se colocaron las muestras compuestas de masa conocida sobre el detector de Ge y se midieron por períodos de 48 y 72 horas. Para la determinación de la actividad de ¹³⁷Cs, se utilizó un espectrómetro gamma con detector coaxial de Germanio Hiperpuro de alta resolución, 30% de eficiencia relativa, marca Canberra y el programa Genie 2000 V3.1. Las actividades de ¹³⁷Cs, se midieron en la Unidad de Tecnología Nuclear del Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC). Una vez obtenidas estas actividades expresadas en Bq kg^-1, se procedió al cálculo de h₀ y la actividad de ¹³⁷Cs en el área de referencia, utilizando la ecuación (1):

$A^{\prime }\left(x\right)=A_{ref}(1-e^{-x/h_0})$ (1)

para suelos no perturbados ^{Zhang et al. (1990)} y ^{Walling y Quine (1990)},

donde:

A(x)	cantidad ^137Cs por encima de x, Bq m^-2;
A ref	^137Cs inventario de referencia, Bq m^-2;
x	profundidad másica del suelo, kg m^-2; y
h 0	profundidad másica de relajación, kg m^-2.

Se utilizó el programa Surfer 9.0, para mapear la topografía local y expresar las estimaciones de erosión y depósito, en iso-concentraciones asociadas a cada vértice de la malla de muestreo. Se utilizó una estación total ±(4 mm + 4 ppm) y el punto de la red geodésica ubicado en el vértice: Carlota, edo. Miranda, Datum: SIRGAS-REGVEN (10°29´19´´.3890 N y 66°50´56´´.5679 W).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El inventario de ¹³⁷Cs en el área de referencia, arrojó un valor promedio de 671,69 Bq m^-2. Esto nos permitió obtener los mapas geo-referenciados de las tasas de erosión neta y depósito de suelos, empleando los modelos de conversión de mediciones de ¹³⁷Cs a tasas de erosión neta de suelos: modelo Proporcional y modelo de Balance de Masas I (Fig. 3 y 4, respectivamente). En ambas figuras se presenta la distribución espacial del total de suelo erosionado (valores negativos) y depositado (valores positivos). En ambos modelos las máximas tasas de erosión y depósito, coincidieron con las áreas de mayor y menor pendiente, mayor y menor profundidad efectiva de los suelos, respectivamente. Los modelos de conversión, Proporcional y de Balance de Masas I, mostraron las máximas tasas de erosión en un orden de magnitud de 40-45 Mg ha^-1 año^-1 y 55-65 Mg ha^-1 año^-1, respectivamente. Por el contrario, el área de depósito, presentó tasas de acumulación de 5-45 Mg ha^-1 año^-1 y de 5-65 Mg ha^-1 año^-1, respectivamente, para ambos modelos. En el área próxima al talud o borde final del área de cultivo, se observa la forma cóncava, característica de la ganancia anual de suelo y sobre la cual, el productor admite, que obtiene mayores rendimientos, se conserva mayor la humedad del suelo y utiliza menos fertilizantes (Figura 1).

El orden de magnitud de las tasas máximas de erosión estimadas en este trabajo, coinciden con los resultados de la literatura utilizando técnicas nucleares (^{Schuller et al., 2003}) y (^{Brígido et al., 2006}). Para las condiciones del sur de Chile, por ejemplo, donde se estudiaron fenómenos de erosión utilizando ¹³⁷Cs, en un agroecosistema en pendiente (19%), cultivado y labrado intensamente todos los años, y se estimaron tasas de erosión entre 20-70 Mg ha^-1 año^-1 (^{Schuller et al., 2003}). Para las condiciones de Cuba en un agroecosistema llano-ondulado, con pendientes promedio de 2-5% y máximas de 10%, cultivado durante más de 30 años, se estimaron, empleando el modelo de Balance de Masas II y ¹³⁷Cs, una tasa de erosión neta de 12,2 Mg ha^-1 año^-1, para una profundidad de arado de 20 cm (^{Brígido et al., 2006}).

FIGURA 3 Tasas de erosión neta y redistribución de suelo, utilizando el Modelo de Conversión Proporcional (Mg ha^-1 año^-1). 

En Nicaragua, utilizando varilla con la cinta métrica, se determinaron tasas de erosión neta moderada de 28,3 Mg ha^-1 a^-1, en sistema de tala-quema y fomento agrícola maíz-fríjol, en suelos de origen volcánico, precipitaciones promedio anual de 1.500 mm y pendientes superiores al 26% (^{Avilés, 2016}). Resultados en estos órdenes de magnitud, fueron obtenidos en este trabajo, empleando los modelos de conversión, Proporcional y de Balance de Masas I, que permitieron estimar tasas de erosión neta de 19,8 y 29,3 Mg ha^-1 año^-1, respectivamente; y una velocidad de la sedimentación, que en ambos casos fue de 80%. ^{Silva (2014)}, en agroecosistemas de maíz, registró pérdidas mayores de suelo de 94 y 135 Mg ha^-1 en pendientes de 20 y 30%, respectivamente, utilizando colectores de sedimentos.

FIGURA 4 Tasas de erosión neta y redistribución de suelo, utilizando el Modelo de Conversión de Balance de Masas I (Mg ha^-1 año^-1) 

^{Brígido et al. (2006)}, al comparar los métodos para la estimación de las tasas de erosión neta, utilizando parcelas de escurrimiento y el uso de ¹³⁷Cs, empleando los modelos de conversión: Proporcional, Balance de Masas I y Balance de Masas II, encontraron resultados muy similares entre las estimaciones con parcelas de escurrimiento y el modelo Balance de Masas II, mientras que los modelos Proporcional y Balance de Masas I, arrojaron resultados que podrían sobreestimar las tasas de erosión neta.

Las ventajas y desventajas de los distintos modelos de conversión han sido ampliamente discutidas ^{Walling et al. (2014)} y advierten, que en el modelo Proporcional, se pueden sobreestimar las pérdidas de suelo, debido a la remoción previa del ¹³⁷Cs acumulado sobre la superficie, antes de su incorporación al perfil; y en el caso del modelo Balance de Masas I, al no considerar la remoción del ¹³⁷Cs recientemente precipitado durante los eventos de lluvias (que inducen escorrentía superficial y por consiguiente erosión), antes de su incorporación a la capa arable y la sobre simplificación de que todo el depósito de ¹³⁷Cs ocurrió en 1963, también induce una sobreestimación de las tasas de erosión.

Por estas razones, al utilizar los modelos de conversión, Proporcional y Balance de Masas I, es probable una sobreestimación de las tasas de erosión neta estimadas en este trabajo. Sin embargo, la baja precipitación promedio anual en Hoyo de La Cumbre (774 mm), el predominio de la fracción de arena en estos suelos, un valor promedio del pH (6,5) tanto en el área de referencia como en los sitios de estudio y las prácticas de manejo de la escorrentía superficial realizadas en el sitio de estudio, nos induce a pensar que las causas de estos fenómenos de erosión y el orden de magnitud de las tasas de erosión neta, están principalmente asociados al manejo de la agricultura en pendiente y no a los factores críticos de posible sobreestimación referidos en la literatura, cuando se emplean estos modelos de conversión.

CONCLUSIONES

Se introduce por primera vez en Venezuela la técnica de uso de ¹³⁷Cs, para determinar las tasas de erosión neta y redistribución de suelo, empleando los modelos de conversión Proporcional y Balance de Masas I. Los resultados confirman tasas de erosión neta moderadas asociadas a la agricultura intensiva de hortalizas, en laderas con pendiente de 25% y prácticas de manejo de las aguas de escorrentía superficial. Adicionalmente, se determinaron las superficies totales de erosión y depósito en el sitio de estudio, de acuerdo al orden de magnitud de cada una de las tasas de erosión neta y re-distribución de suelo, lo que permite una visión integrada de ambos fenómenos de particular importancia para la formulación, ejecución y evaluación de las políticas públicas, por parte de decisores privados y gubernamentales en materia ambiental, agrícola y soberanía alimentaria, que contribuyan a la preservación de los bienes comunes de suelos y aguas, al combinar los sistemas de información geográfica con las bondades de las técnicas nucleares en estudios de erosión y redistribución de suelo. Esta técnica permite identificar y evaluar el impacto de las medidas de conservación de suelos y aguas en las grandes extensiones de las cuencas hidrográficas, donde se ha generalizado la agricultura en laderas, que unida a los frecuentes eventos extremos debido al cambio climático, propicia significativos procesos de erosión y pérdida de la fertilidad de los suelos, lo que a su vez, induce al ciclo continuado de uso intensivo de altas dosis de fertilizantes que ocasionan también la contaminación de las aguas, por arrastre de sedimentos y de compuestos provenientes de agrotóxicos y fertilizantes solubles.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al programa de cooperación técnica de la OIEA a través del proyecto ARCAL 5/051, de igual manera al Centro de Higiene y Protección de las Radiaciones de Cuba y al Laboratorio de Física Nuclear de la Universidad Simón Bolívar por su contribución en la capacitación del talento humano de nuestro país. Así mismo, nuestro reconocimiento a las instituciones: INPARQUE, a la Unidad de Tecnología Nuclear del IVIC y al FONACIT, a través del financiamiento del proyecto N° 2011001061.

REFERENCIAS

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Recibido: 15 de Marzo de 2019; Aprobado: 19 de Diciembre de 2019

^*Author for correspondence: Alonso David Ojeda-Falcón, e-mail: [e-mail]