Aplicación de técnicas nucleares para estimar la degradación de suelos por erosión, en cultivos bajo medidas de conservación

Introducción

En la actualidad los cambios climáticos que se están produciendo en el planeta, con periodos de intensas lluvias y de extremas sequías, han provocado una degradación de los suelos, tanto por la desecación de los suelos como por la erosión, que facilitan tanto la pérdida del espesor de los horizontes del mismo como también la pérdida de nutrientes de la primera capa de suelo, afectando de forma sistemática las tierras de cultivos y haciéndolas cada vez menos productivas.

La Estrategia Ambiental Cubana 2016-2020 [ 2 [2]. Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente (CITMA). Estrategia Ambiental Nacional 2016-2020.] en su capítulo II, epígrafe 2.2 establece siete problemas principales ambientales del país los cuales son, la degradación de los suelos, afectaciones a la cobertura forestal, contaminación, pérdida de la diversidad biológica y deterioro de los ecosistemas, carencia y dificultades con el manejo, la disponibilidad y calidad del agua, impactos del cambio climático, deterioro de la condición higiénica sanitaria en los asentamientos humanos.

De estos siete problemas antes mencionados cinco están vinculados al deterioro de los suelos, por lo que se hace necesario su cuidado y vigilancia ya que es un recurso importante para la sostenibilidad alimentaria del país. Siendo la degradación de los suelos uno de los problemas más serios que se presenta en la agricultura.

Materiales y métodos

La cuantificación de la redistribución de suelos es importante para la aplicación de estrategias de manejo sostenible de la tierra, con el objeto de apoyar el establecimiento de políticas para su conservación. Las técnicas nucleares que emplean el ¹³⁷Cs y otros radioisótopos han permitido evaluar las pérdidas y ganancias de suelo, siendo ampliamente empleadas a nivel internacional y en diferentes agrosistemas del país. Estas técnicas nucleares son herramientas que poseen ventajas sobre las tradicionales al ser aplicables a diferentes factores ambientales, con ellas se pueden estimar los niveles erosivos a corto, mediano y largo plazo, necesitando un mínimo de visitas al 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.

Teniendo en cuenta la topografía del área de estudio ( figura 3 ), y una variada información (meteorológica, geomorfológica, edafológica, geológica y de uso de la tierra, etc.), se desarrolla una estrategia de muestreo a través de varias transectas en el área demostrativa, siempre en cumplimiento de su representatividad espacial y en número, durante la colecta de las muestras. Las muestras colectadas fueron analizadas en el laboratorio, siendo medidas por un sistema gamma espectrométrico "Detector Systems GmbH (DSG)". En las mediciones fue usado un detector de germanio hiperpuro(HPGe) coaxial con ventana de carbono epóxico, tipo NGC3019, número de serie GI-886, criostato VD-SL, Deawar de 30 L, alto voltaje de 3000 V negativo, 30 % de eficiencia relativa y 1,9 keV de resolución (FWHM) para la energía de 1332,50 keV del Co-60. Para caracterizar el estado de la erosión del área de estudio se emplearon las metodologías de los modelos descritos de conversión. [ 1 [1]. AHMAD MA, RAFIQUE M, IQBAL N, et. al. Study of soil redistribution in cultivated fields using fallout cesium-137 at Fateh Jang, Attock, Pakistan. PINSTECH-214. Pakistan Institute of Nuclear Science and Technology, Islamabad, Pakistan, p 1-30. 2009. , 5 [5]. GIL R, PERALTA JL, CARRAZANA J, et. al. Aplicación de las determinaciones de 137Cs para evaluar niveles de erosión en suelos agrícolas del Occidente de Cuba. Nucleus. 2004; (36): 23-27.- 7 [7]. GUZMÁN G, QUINTON JN, NEARING MA, et. al. Sediment tracers in water erosion studies: current approaches and challenges. Journal of Soil and Sediments. 2013; (4): 816- 833., 9 [9]. LI HAO, ZHANG X; WANG K & WEN A. Assessment of sediment deposition rates in a karst depression of a small catchment in Huanjiang, Guangxi, southwest China, using the cesium-137 technique. Journal of Soil and Water Conservation. 2010; 65(4): 223-232.- 14 [14]. PSCHULLER P, CASTILLO A, WALLING D, IROUME A. Use of fallout caesium-137 and beryllium-7 to assess the effectiveness of changes in tillage systems in promoting soil conservation and environmental protection on agricultural land in Chile. In: Impact of soil conservation measures on erosion control and soil quality. IAEA-TECDOC 1665. Vienna: IAEA, 2011. p 241-257., 17 [17]. SIBELLO R, FEBLES J. Estudio de la erosión de los suelos en áreas protegidas de Cienfuegos, utilizando el cesio 137 como radiotrazador. Nucleus. 2011; (50): 31-35.- 18 [18]. WALLING D, ZHANG X, QUINE HE. Models for converting measurements of environmental radionuclide inventories (¹³⁷Cs, Excess ²¹⁰Pb, and ⁷Be) to estimates of soil erosion and deposition rates (Including Software for Model Implementation). Report to IAEA. EX4 4RJ U.K. Department of Geography. University of Exeter, Exeter, 2007. p1-182.].

Atendiendo al proceso de degradación de los suelos y cumplir con las exigencias de los protocolos de muestreo que dicta la técnica nuclear FRN se establece una secuencia de etapas para evaluar los niveles de redistribución de suelo en la zona de estudio.

Resultados y discusión

Los resultados de las mediciones de laboratorio para el ¹³⁷Cs y el ⁴⁰K se muestran en la tabla 1 , mostrando densidad másica de actividad (DMA) en Bq/kg para cada uno de los puntos muestreados.

Preliminarmente el comportamiento del ¹³⁷Cs y el ⁴⁰K puede ser correlacionado a lo largo de las transectas estudiadas. Se logran identificar similitudes en la distribución de ambos radionúclidos, llegando a ser su correlación significativa de 0.83 y 0.88 para la transecta C y el sitio R respectivamente. Los valores máximos de DMA de ambos radionúclidos en el punto C7 al final de la transecta C están claramente vinculados a la zona de deposición relativa en la parte más baja del área de estudio, similar análisis es válido para los resultados al final de la transecta A (puntos A5 y A6) ( figura 4 ). La transecta C ubicada en la cercanía del límite sur del Campo 2 registra los mayores niveles de pérdida en los puntos iniciales e intermedios y los menores niveles de erosión reportados en el estudio en el punto C7, donde también deposita el suelo del campo agrícola 3 no incorporado en el estudio. Los niveles de pérdida elevados de esta transecta se asocian a los elevados niveles de pendientes en la primera mitad de sus puntos.

Los resultados principales obtenidos de los tres modelos de conversión empleados (proporcional y de balance de masa I y II) para el sitio de estudio se resumen en la figura 5 , donde los valores negativos representan las pérdidas de suelo en t/ha.a. Como muestra la figura 5 , existen coincidencias cualitativas para los diferentes modelos; en ningún punto se estimó aportes de suelos y solo en el punto C7 son menores las pérdidas, con valores absolutos entre 2 a 4 t/ha.a.

Existen variaciones cuantitativas en la redistribución del suelo para los tres modelos evaluados. El MP va desde -4.11 a -33.73 t/ha.a siendo el de menor variación y el MBM I va desde -4.35 a -93.18 t/ha.a, la variación cuantitativa más grande. Por otro lado, el MBM II va desde -2.68 a -65.63 t/ha.a; estas diferencias se asocian a los diferentes procesos y premisas incorporados en los modelos.

Las estimaciones reportan total predominio de los fenómenos erosivos en las 3 transectas y el sitio R, los valores netos estimados de redistribución de suelo se muestra en la tabla 2 .

De forma general, en los 3 modelos evaluados, la transecta A posee las menores tasas de pérdidas de suelo y la transecta C las mayores. De todos los sitios estudiados, el sitio R posee valores máximos de tasas netas de redistribución de suelos, para los tres modelos analizados. Este resultado puede asociarse a la factibilidad de las medidas antierosivas implementadas (barreras vivas) en el sitio de cultivo donde se ubican las transectas en el polígono. Estas medidas permitieron, comparativamente, reducir los niveles erosivos por debajo de los del sitio R, aunque sin medidas antierosivas, por sus características (no cultivado, con cobertura vegetal y pendiente casi horizontal) debería poseer bajos valores erosivos.

Las figuras 6 , 7 y 8 muestran la tasa de redistribución de suelos sobre la topografía del sitio de estudio dada para cada uno de los modelos utilizados en la investigación. Todos los modelos de conversión empleados muestran un claro comportamiento de la erosión asociado a agrupamiento de niveles erosivos. Se identifican los valores menores de pérdidas de suelo en el entorno del punto C7 y en menor medida en el A6 relacionados en parte a la topografía por ser puntos de cotas bajas. Puntos a mayores alturas o medios (A3, A4, B4, C0, C1, C3, C4) poseen los niveles más altos de pérdidas de suelos.

Para interpretar resultados de laboratorio, se emplearon modelos de conversión, siendo el Modelo “Balance de Masa II” el que proporcionó mejores resultados al analizar la variación temporal del ¹³⁷Cs en su incorporación en la precipitación radiactiva (Fallout) y su distribución inicial en la superficie del suelo. Las concentraciones de ¹³⁷Cs, caracterizaron el estado de la erosión del suelo en el área de estudio a mediano plazo, confirmando deposición de suelo a causa de los beneficios de las medidas antierosivas implementadas al obtenerse valores altos de redistribución en esta área (-30.2 a 41.8) t/ha.a, en comparación con el sitio de referencia (-43.1 t/ha.a). El sitio de estudio, originalmente estaba fuertemente erosionado por las prácticas agrícolas pasadas y sus condiciones naturales (topografía, etc.). En el año 2010 se iniciaron en el polígono las prácticas actuales de agricultura conservacionista con buenos resultados, implementando medidas antierosivas, tales como, las barreras vivas y muertas, bordo de desagües, zanjas de infiltración, corrección de cárcavas, siembras en curvas del nivel. Estas medidas y otras permitieron la recuperación paulatina de los niveles de suelo y de producción en los sitios intervenidos dentro del polígono nacional [ 4 [4]. FUENTES A, ROSALES DEL TORO U, RODRÍGUEZ D, CASTELLANO N. Polígono Nacional de Conservación de Suelos, Agua y Bosques. Forma de adaptación a los cambios climáticos y de preservación del medio ambiente y los recursos naturales. La Habana: Editorial PALCOGRAF, 2019. ISBN 978-959-285-058-3., 16 [16]. RIVEROL M, PEÑA F, FUENTES A. Programa nacional de mejoramiento y conservación de suelos. Instituto de Suelo. Ministerio de la Agricultura. La Habana: Agrinfor, 2001. p. 1-40. ISBN 959-246-042-6.]. La técnica del ¹³⁷Cs hace estimaciones de redistribuciones de suelo a mediano plazo, tomando en cuenta el pico del fallout del año 1963, las tierras bajo estudio tuvieron un uso agrícola intensivo en los últimos 40 años, removiéndose gran parte de los inventarios del ¹³⁷Cs en el suelo, por esto, a pesar de la recuperación del suelo por las medidas, los modelos aplicados mostraron niveles de pérdidas relativas en el área de estudio.

Los resultados confirman la presencia de elevados niveles de pérdidas de suelos a mediano plazo (promedio para 55 años) asociados al área de estudio que afectan además zonas sin actividad agrícola, con cobertura vegetal perenne y baja pendiente. A su vez confirma la necesidad de continuar el programa de medidas de conservación de suelos que permita mitigar los impactos negativos de la erosión hídrica.

Conclusiones