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Características físico-químicas de suelos con
relación a su conformación estructural
Physical chemical properties of soils in relation
to their structural formation
recibido: 18 de abril de 2017, aceptado: 25 de julio de 2017
Como citar este artículo: C. Díaz, C. Herrera, y K. Prada, “Características físico químicas de suelos con relación a
su conformación estructural”,Investigación e Innovación en Ingenierias, vol. 6, n°. 1, pp. 58 - 69., 2018.
DOI: https://10.17081/invinno.6.1.2775
Palabras
Claves:
Suelo, estructural,
físico-química,
humedad, materia
orgánica.
Keywords:
Soil, structural,
ysicochemical,
organic matter,
humidity, unit
weight.
Claudia Díaz Mendoza
1
, Cristna Herrera Atencio
2
, Katerin Prada Sánchez
3
.
Resumen
Objetivo: identicar las características físico-químicas del suelo, así como relacionarlas con
su comportamiento estructural y las condiciones ambientales, a n de que sirvan de insumo en
diagnósticos ambientales de suelos.
Metodología: el método desarrollado partió de la extracción de muestras superciales de suelos
de manera aleatoria y con profundidades menores a 0.3 m. Las muestras fueron transportadas al
laboratorio, donde se les practicaron ensayos de humedad natural, materia orgánica, clasicación de
suelos y peso unitario. Luego se realizó un análisis estadístico.
Resultados y conclusiones: de acuerdo con el grupo de suelos identicados, cohesivos y granulares,
estos presentan condiciones que pueden incidir en comportamientos ambientales y susceptibilidad
en aspectos de fertilidad o eventuales casos de contaminación.
Abstract
Objective: to identify the physical-chemical characteristics of the soil, as well as to relate them
to their structural behavior and environmental conditions, in order to serve as an input in soil
environmental diagnostics.
Methodology: the developed method started from the extraction of supercial samples of soils in
a random way and with depths less than 0.3 m. The samples were transported to the laboratory,
where they were tested for natural moisture, organic matter, soil classication and unit weight. Then
a statistical analysis was performed.
Results and conclusions: according to the group of identied, cohesive and granular soils, these
present conditions that can affect environmental behaviors and susceptibility in aspects of fertility
or eventual cases of contamination.
1 Grupo de Investigación Ambiental
2 Autor de correspondencia, Fundación Universitaria Tecnológico Comfenalco Cartagena, Correo electronico:cdiaz@tecnologico-
comfenalco.edu.co
3 Fundación Universitaria Tecnológico Comfenalco. Cartagena, Colombia. Correo electronico: ltapia2@areandina.edu.co
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Como citar este artículo: C. Díaz, C. Herrera, y K. Prada, “Características físico químicas de suelos con relación
a su conformación estructural”,Investigación e Innovación en Ingenierias, vol. 6, n°. 1, pp. 58 - 69., 2018.
DOI: https://10.17081/invinno.6.1.2775
Introducción
Para realizar un diagnóstico ambiental, es necesario tener en cuenta los componentes de agua, aire y
suelo, entre otros aspectos. En el caso del suelo, gran parte de los diagnósticos que se realizan buscan
identicar la susceptibilidad a la contaminación, a procesos de desertización y degradación o, en
algunos casos, su estabilidad fértil en procesos de productividad.
En el proyecto realizado, se evalúan condiciones de humedad natural, granulometría, límites de
consistencia, material orgánico y peso unitario, para evaluar posibles comportamientos ambientales
derivados de sus características físico-químicas.
La materia orgánica presente en el suelo es considerada un indicador de salud del mismo y tiene
efectos positivos en la sostenibilidad del sistema productivo. Este nivel de materia orgánica depende
del clima, del suelo y del manejo del mismo [1]; en tanto que la heterogeneidad de sus propiedades
afecta la distribución del contenido de humedad, que se materializa en variaciones en la textura,
materia orgánica y estructura, propiedades todas que controlan el movimiento del ujo de agua en el
perl edáco. Como indican Hupet y Vanclooster [2], para algunos autores la textura es uno de los
factores que mayor control ejerce sobre la humedad del suelo. Esta inuencia varía según el contenido
de humedad y es más acusada conforme esta aumenta [3, 4, 5]. El peso unitario gravimétrico de un
sólido es denido como la masa de un suelo por unidad de volumen. Por su parte, el peso unitario del
suelo varía de acuerdo con el contenido de agua que tenga, clasicándose en: húmedo (no saturado),
saturado y seco.
En este proyecto se identicaron características propias del suelo a nivel físico-químico, relacionadas
con su comportamiento estructural y las condiciones ambientales.
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Metodología
Resultados
El proyecto se desarrolló por fases, así:
Fase I: En esta se realizó una revisión bibliográca en la temática especíca del proyecto; así como el
análisis y elección de los parámetros a estudiar.
Fase II: Incluyó la recuperación de muestras de suelo a nivel supercial y de manera aleatoria,
con profundidades menores a 0.30 m. Las muestras al laboratorio se trasladaron mediante cadena
de custodia y se realizaron ensayos de laboratorio a 60 muestras, de diferente conformación
estructural. Los parámetros evaluados fueron: humedad natural (INVIAS I.N.V. E–122–07), análisis
granulométricos (ASTM D422) y materia orgánica (MO) por calcinación. Este último es en sí un
método cuantitativo más conocido como pérdida por ignición, en el cual se cuantica directamente
el contenido de MO por medio de la pérdida de peso de una muestra de suelo al someterla a elevadas
temperaturas. En este caso, para estimar COT a partir de la MO también se debe utilizar el factor Van
Bemmelen [5], (I.N.V. E – 121 – 07; AASHTO T 267 – 86 (2004) y conocer el peso unitario o Densidad
Suelta (I.N.V. E – 217 – 07).
Fase III: Durante esta se realizó un análisis estadístico descriptivo multivariado de clasicación
(clúster), con el cual se determinó la correlación existente entre los parámetros analizados y la
estructura del suelo, a n de relacionarla con los posibles comportamientos ambientales, de modo
que pueden ser tratados como insumos en diagnósticos ambientales de suelos.
Se tomaron 120 muestras de suelos de manera aleatoria, las cuales se categorizaron bajo el sistema
de clasicación de suelos USCS, encontrándose que el mayor porcentaje de su composición
corresponde a arcillas de alta plasticidad (CH), tal como lo indica la Figura 1. Además, de acuerdo
con su naturaleza, el mayor porcentaje corresponde a suelos cohesivos, con un 77%, y granulares
(23%).
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suelos con relación a su conformación estructural”,Investigación e Innovación en Ingenierias,
vol. 6, n°. 1, pp. 58 - 69., 2018. DOI: https://10.17081/invinno.6.1.2775
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A las muestras se les realizaron también los análisis de humedad natural, peso unitario (densidad
real), materia orgánica y carbono orgánico, y se agruparon de acuerdo con la naturaleza de su
conformación y estructura USCS. Mediante un análisis estadístico descriptivo multivariado de
clasicación (clúster), se determinó la correlación por el método jerárquico de aglomeración que se
muestra en la Figura 2. En este contexto, donde las características físico-químicas son las variables de
agrupación, este tipo de representación resulta siendo una descripción sintética del comportamiento
sinérgico en el suelo de las características físico-químicas analizadas, y evidencia las relaciones de
cercanía y dependencia entre las variables de agrupación. Dicha cercanía estadística valida las
propiedades e interacciones que se encuentran en la literatura sobre las mismas.
Más concretamente, el dendrograma de la Figura 2 muestra la formación de tres clúster: uno
conformado por los porcentajes de Materia orgánica del suelo (MOS) y Carbono orgánico del suelo
(COS); otro que une el anterior con la característica de peso unitario: y un tercero que relaciona todos
los anteriores con la característica de porcentaje de humedad natural.
Las relaciones entre la materia orgánica, expresada como variables mediante el %MOS y %COS,
el peso unitario o densidad aparente y la humedad natural en el presente estudio, son explicadas
por Zambrano, Apráez y Navia [6], quienes encontraron en su estudio que los valores de densidad
aparente están directamente relacionados con los altos contenidos de MO, debido a que está última
hace disminuir la densidad al incrementar la estabilidad de los agregados del suelo y ocupa un
menor volumen en comparación con el mineral propio del suelo [7]; a su vez, lo anterior permite
una mayor retención de agua [6].
Figura 1.
Distribución porcentual
de muestras
estudiadas.
Fuente: Autor, 2016.
Figura 2.
Dendrograma de análisis
de clasificación (cluster)
por método jerárquico de
aglomeración, generado
mediante método de ward, con
métrica de distancia euclideana
y conglomerados a partir de las
características físico químicas
como variables.
Fuente: Autor, 2016.
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Al ser el primer eslabón de agrupación, el primer clúster formado, que relaciona los porcentajes de
MOS y COS, representa una marcada susceptibilidad a variables externas no evaluadas dentro del
análisis clúster, que en este caso reere a los factores ambientales propios del entorno natural y/o
antrópico de los suelos muestreados. Por ejemplo, si se considerara un suelo prístino, los niveles de
MOS serían regulados por el clima, pues este afecta las entradas y salidas del balance de carbono en
el suelo. Esto ha sido reportado por autores como Sainz Rozas, Echeverria y Angelini [1], al asociar
la caída de los niveles de MOS con la disminución de la precipitación media anual y el aumento de
la temperatura media; y su incremento, con el aumento de la proporción de arcilla en el suelo y con
la mayor disponibilidad de agua en el entorno.
Ello también representa una relación de homogeneidad, dado que el COS es el principal elemento de
la MOS, y cuando esta asociación se da, le proporciona al suelo coloides [8] que inuye directamente
en sus propiedades físicas, químicas y biológicas. Igualmente, hacen parte de sus propiedades bio-
orgánicas, y es tal su importancia en el comportamiento del mismo que son ampliamente tenidos en
cuenta en su clasicación taxonómica.
En cualquier caso, el aumento de la MOS en la estructura del suelo favorece su formación e incrementa
el tamaño y estabilidad de los agregados; también aumenta la cantidad de macroporos, el volumen
de aireación y la capacidad de retención de agua [9].
Asimismo, el COS es reconocido como uno de los principales indicadores de la calidad de suelo
[5], ya que favorece la agregación y distribución del espacio poroso, y condiciona directamente la
humedad aprovechable, la retención y el movimiento del agua, y la difusión de gases en el suelo,
todo lo cual aumenta la capacidad de intercambio catiónico (CIC), la capacidad buffer y la retención
de fosfatos [10].
Se espera entonces que la textura tenga un impacto directo en las entradas y salidas de MOS, e
indirecto sobre la productividad de la vegetación a través de la disponibilidad de agua y la fertilidad
del suelo. Todo esto ocurre gracias a la asociación coloidal de la MOS con las arcillas, que dene la
tasa de descomposición del Carbono orgánico del suelo (COS) [11,12].
Lo anterior se evidencia, por demás, en los comportamientos individuales de las muestras
recuperadas según la naturaleza de su conformación y estructura USCS en los ensayos realizados
(Figura 3). Por ello en estas muestras se encuentran valores de material orgánico promedio que
varían entre 6 y 34%, así como carbono orgánico con promedio, entre el 10 y 59%. De todos modos,
los suelos cohesivos presentan mayores contenidos de ambas características, dada su mayor
anidad al material orgánico (MOS y COS). Sin embargo este factor es susceptible a variación, pues
depende, como ya se ha mencionado, de otros factores ambientales como la presencia de vegetación,
características biológicas, variación de temperatura, entre otros.
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El segundo y tercer clúster por su parte representan una relación de dependencia con sus respectivos
predecesores que se explicará a continuación; y una relación de heterogeneidad entre sí, dado que
el primero signicó una agrupación de propiedades bio-orgánicas, mientras que la característica de
peso unitario hace parte de las propiedades físicas del suelo en su fase sólida y la característica de
humedad natural, de las propiedades físicas del suelo pero en su fase líquida, contrastando así total y
parcialmente con el primero y segundo clúster, respectivamente. Esto último se evidencia cuantitativa
y proporcionalmente en el rango de separación de la escala vertical representada en la Figura 2.
Sobre la característica de peso unitario o densidad aparente se sabe que la medición permite estimar
las condiciones de estructura del suelo, bien sea utilizándolo como un parámetro para estimar el grado
de compactación, toda vez que si esta condición se presenta la densidad aparente se incrementa,
o bien como un indicador del contenido de materia orgánica en el suelo, puesto que esta reduce
el valor de dicha densidad [9]; además esta situación da indicios sobre el tamaño de las fracciones
granulométricas presentes, pues los valores de densidad aparente guardan una relación inversa con el
tamaño de partícula del suelo [13]. Al respecto, [14] ya se había mencionado que la densidad aparente
podría ser evaluada como un indicador de la estructura y dureza del suelo para monitorear su calidad.
En general, tales condiciones se observan en los comportamientos individuales de las muestras
estudiadas de acuerdo con su conformación y estructura USCS para la característica de peso unitario
(Figura 4), para la cual se encontraron valores promedio entre 1 y 1.9 g/cc.
Figura 3.
Tendencia en
porcentaje de material
orgánico.
Fuente: Autor, 2016.
Figura 4.
Peso unitario
(densidad) promedio
de acuerdo a
clasificación USCS.
Fuente: Autor, 2016.
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Sobre esta uctuación de valores, Engaramo, Paz Ferreiro, Mirás Avalos y Vidal Vázquez [15]
maniestan que las mediciones de densidad aparente en el suelo son altamente variables y dependen
de factores como la textura, estructura, contenido de materia orgánica, arcilla y humedad, o del tipo de
manejo dado al suelo, lo que a su vez condiciona sus características de retracción, expansión, dureza
o resistencia mecánica y porosidad. Esto últimoes corroborado por Volverás Mambuscay, Amézquita
Collazos y Campo Quesada [16], los cuales, además de encontrar que los valores de densidad
aparente están directamente relacionados con los niveles de materia orgánica, evidenciaron que la
densidad aparente tiende a aumentar con el tiempo e intensidad de uso del suelo, ya que disminuye
la estabilidad estructural y genera pérdidas de partículas nas y volumen de suelo. es así como las
partículas removidas y sueltas se reacomoden y ocupan los espacios o poros ahora libres [17].
Ahora bien, la característica de humedad natural se ve mayormente inuenciada por el diámetro
de las partículas del suelo que por la fuente o yacimiento del sustrato, de manera que existe una
relación inversa entre el tamaño de las fracciones granulométricas y el contenido relativo de agua en
el suelo [13]. Asimismo, dicha humedad se relaciona con otras variables del suelo, como la textura
y la densidad aparente [18], en tanto sus propiedades físicas determinan el proceso de retención
agua; esto debido a que la textura relaciona el tamaño de las partículas del suelo y la supercie
especíca de reacción, en tanto que la densidad aparente se ve marcada por la cantidad de poros por
centímetro cúbico presentes en el suelo [7].
Para ambas propiedades, el efecto del agua en el suelo se da en su almacenamiento y movimiento
y depende de las proporciones de arcilla o arena [19, 20]. Aunque generalmente se mira a partir del
contenido de arcilla dado que estas partículas tienen mayor capacidad de retención y almacenamiento
de agua en comparación con los limos y las arenas [21, 22].
Lo anterior se conrmó con el comportamiento individual de las muestras para la característica de
humedad natural, que se muestra en la Figura 5. Al respecto, es preciso anotar que las muestras de
arena limo arcillosas no quedaron incluidas en la gura, pues corresponden a un caso frontera y
no hay sucientes muestras para que constituyan un aporte signicativo a la investigación y que la
clasicación de limos de alta y baja plasticidad representan suelos limosos con condiciones variables
y adicionales de partículas de arcilla en equilibrio estructural. Por esta razón se espera de ellas un
comportamiento superior al de las muestras de suelo netamente arcillosas.
Como se observa, los valores obtenidos van entre 15% y 39%, y los mayores porcentajes corresponden
a suelos de naturaleza cohesiva. Esto puede atribuirse a que el carácter cohesivo permite retener
mayor contenido de agua en su estructura, mientras que los suelos granulares propician mayor
inltración y menor retención de agua.
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Teniendo claridad sobre la inuencia de las características analizadas en los procesos evolutivos del
suelo, un análisis clúster, esta vez usando como elementos de agrupación la clasicación USCS de
las muestras a partir de sus características físico-químicas, evidenció la relación entre la génesis del
suelo, es decir, sus aspectos naturales de conformación y dichas características, como se muestra en
la Figura 6. Por su parte, esta representación da fe de las similitudes existentes entre las muestras de
suelo con base en sus características físico-químicas.
La agrupación observada muestra que las características naturales de conformación y estructura
USCS del suelo se derivan de sus características físico-químicas, de manera que las muestras
pertenecientes a un mismo grupo son semejantes entre sí. A esto se añade que las muestras
pertenecientes a grupos diferentes tienen un comportamiento distinto con respecto a las variables
analizadas, lo que se evidencia cuantitativa y proporcionalmente en el rango de separación de la
escala vertical de la misma Figura 6.
A tono con todo lo antes planteado, en el dendrograma de la Figura 6 se percibe una partición
en grupos o clúster en la que el primero reúne las muestras de naturaleza cohesiva (CH y CL); el
segundo, las granulares (SC, SM y SM-SC); y el tercero, la condición de frontera entre los anteriores
(ML). Al cruzar este resultado de agrupación y los de la clasicación (clúster) de las características
físico-químicas se inere que el criterio edáco que logró la agrupación más consistente es el
contenido de materia orgánica.
Figura 5.
Humedad natural
promedio de acuerdo
con la clasificación
USCS.
Fuente: Autor, 2016.
Figura 6.
Dendograma de análisis de
clasificación (cluster) por método
jerárquico de aglomeración,
generado mediante método de
ward, con métrica de distancia
euclideana y conglomerados a
partir de la clasificación USCS de
las muestras de suelo.
Fuente: Autor, 2016.
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suelos con relación a su conformación estructural”,Investigación e Innovación en Ingenierias,
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Esta tendencia de agrupación en función de las características físico-químicas coincide con la
trayectoria de desarrollo edáco encontrada en un estudio de correlación múltiple de diez
propiedades edáf icas cuantitativas, en el que se halló en concreto que la materia orgánica es un
atributo f ísico-químico que se correlaciona de manera positiva con los porcentajes de porosidad,
arcilla y humedad y en forma negativa con la densidad aparente y real; con los porcentajes de arena
y limo, así como con la compactación y los valores de pH [23]. En el estudio cuestión, las propiedades
edáf icas responsables de agruparse como sitios similares fueron la materia orgánica, la densidad
real, los porcentajes de porosidad y de arena, así como la densidad aparente.
Este análisis de agrupación (clúster) a partir de la clasicación USCS de las muestras de suelo también
muestra que las características físico-químicas analizadas inuyen en la distribución, cantidad y
tipo de partículas que conformarán la textura del suelo, dado que en la Figura 6 se evidencia una
agrupación más consistente cuando la presencia de texturas arcillosas es predominante. Lo contrario
ocurre cuando dominan texturas arenosas, lo cual es un indicador de disturbio debido a que se
alteran en mayor medida los patrones de distribución y agrupación de las muestras de suelo.
En este análisis no se mencionan las características del tercer clúster porque, como ya se había
mencionado, corresponde a una condición de frontera entre los otros dos, conformada sin una
dominancia marcada de texturas arcillosas o arenosas. No obstante, dada la separación vertical en el
dendograma, se esperaría que el comportamiento ambiental del tercer clúster tuviera más anidad
con el segundo que con el primero; en este sentido, se requieren estudios de campo más amplios y
detallados, que puedan marcar una tendencia con mayor precisión y exactitud. A pesar de todo, la
cercanía puede ser atribuida a las características estructurales y en términos de retención hídrica,
ya que en la ciencia del suelo el término arcilla tiene 2 signicados: 1) toda partícula del que tenga
un tamaño menor de 2 mm independientemente de su composición química, a veces incluyendo la
fracción limo entre 50 y 2 m; y 2) al mineral formado por la unión de 1 o 2 láminas tetraédricas con
un lámina octaédrica. Hoy en día también se consideran como arcillas los óxidos y oxi hidróxidos,
abundantes en suelos fuertemente meteorizados y los materiales “amorfos” conocidos como
minerales de corto rango de cristalinidad y que pueden tener varias formas: las alofanas son esferas
y las imogolitas son tubos, pero no dan señal en los difracto gramas de rayos X [24]. En este sentido,
numerosos trabajos han demostrado que la textura es una característica de los suelos que inuyen más
en su capacidad de retención hídrica. Asimismo la combinación de variables texturales, contenidos
en carbono orgánico y densidad aparente han proporcionado ecuaciones que predicen bastante bien
algunos puntos característicos de la curva de retención hídrica de los suelos [25]
.
De acuerdo con lo anterior, comparando el primer clúster, formado entre las muestras CH y CL,
con el segundo, formado entre las muestras de SC, SM y SM-SC, se esperaría como comportamiento
ambiental consecuente que los primeros sean un suelo de mayor dureza y resistencia, poca
inltración, mayor retención de la humedad, de agregados y estructura más estable, así como mayor
contenido de materia orgánica, con propensión a la retracción y expansión, y una mayor proporción
de material no.
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Conclusión
Basados en los resultados de la clasicación y agrupación de las muestras de suelo analizadas
conforme al sistema taxonómico USCS en función de las características físico-químicas estudiadas,
las agrupaciones reportadas corroboran la existencia de características físico-químicas del suelo que
permiten correlacionar comportamientos ambientales con condiciones edafogénicas.
Desde una valoración cuantitativa y estadística, esto sugiere la existencia de procesos edafogénicos
con trayectorias diferenciales atribuibles a características físico-químicas del suelo que dan lugar a
comportamientos ambientales particulares. En este sentido, es importante un análisis integral de las
características físico-químicas del suelo como criterios edácos para su clasicación para orientar su
ordenamiento ambiental respecto a su uso, manejo y ocupación, todo lo cual deberá ser coherente
con los comportamientos ambientales que dichas características denotan.
Además, de acuerdo con los ensayos realizados y el comportamiento correlacionado con las
características físico-químicas, los posibles cambios y comportamientos de las características
descritas, se inere la necesidad de implementar prácticas de manejo que preserven los procesos
edafogénicos para revertir y evitar procesos de degradación. En este contexto, la densidad aparente
o peso unitario, junto a la granulometría y retención de humedad resultan un parámetro útil para
estimar el deterioro del suelo, en tanto el contenido de materia orgánica es un criterio edáco para la
clasicación y agrupación de las muestras de suelo, dada su inuencia directa e indirecta sobre las
demás características físico-químicas del suelo.
Como citar este artículo: C. Díaz, C. Herrera, y K. Prada, “Características físico químicas de
suelos con relación a su conformación estructural”,Investigación e Innovación en Ingenierias,
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Referencias
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Como citar este artículo: C. Díaz, C. Herrera, y K. Prada, “Características físico químicas de
suelos con relación a su conformación estructural”,Investigación e Innovación en Ingenierias,
vol. 6, n°. 1, pp. 58 - 69., 2018. DOI: https://10.17081/invinno.6.1.2775