Paulina Schuller L.*, Alejandra Sepúlveda
V.*, Achim Ellies Sch.+ Alejandra Castillo S.*
* Instituto de Física, Facultad de Ciencias, Universidad Austral de Chile
Casilla 567. Valdivia. Chile.
+Instituto de Ingeniería Agraria y Suelos, Facultad de Ciencias Agrarias,
Universidad Austral de Chile - Casilla 567. Valdivia. Chile
1trabajo financiado
por proyectos FONDECYT 1970662 y OIEA CHi-8899
Recepción originales 4 de marzo de 1999
Use of 137Cs in quantitative evaluation of soil erosión and sedimentation in a Palehuniult, located at the 9th Región.
Key words: 137Cs technique, soil, erosión, sedimentation
The 137Cs technique used for estimating mean soil
redistribution rates is based on the uniform deposit of thiis anthropogenic
radionuclide in a climatic zone and its quick adsorption by clay particles.
In order to evaluate the potential use of 137Cs technique in soils
of South Chile, mean soil erosión and sedimentation rates and its spatial
distribution were determined in a Palehumult of the 9th Región,
based on tlie spatial distribution of the 137Cs inventory. For this
purpose models were adapted to the 137Cs-deposition pattem, and soil
and climatic conditions of the study área. The erosión/ sedimentation
rates and their spatial distribution obtained by three different models were
very similar. The highest erosión rates (10-30 t ha-1 y-1)
were determined at the zones of maximal slope of the landscape, and the highest
sedimentation (7-15 t ha-1 y-1) at footslope in water
flow concentration sites. The results obtained has been validated by pedological
observations and quantifícation of sediment flux in erosión plots.
These results suggest that the 137Cs technique is a good altemative
to determine soil redistribution rates under the soil and climatic conditions
selected.
La utilización del radionucleido antropogénico
137Cs en determinación de tasas de redistribución de
suelo se basa en que su depósito es uniforme en cada zona climática
y que es adsorbido rápidamente por el suelo.
En un Palehumult de la IX Región se utilizó la distribución
espacial del inventario de 137Cs para determinación de tasas
medias de erosión y sedimentación y su distribución espacial
con el objeto de evaluar el uso potencial de este método en suelos del
Sur de Chile. Para ello se adaptaron modelos matemáticos a las condiciones
de depósito de 137Cs y edafo-climáticas del lugar.
Los resultados obtenidos utilizando tres modelos matemáticos diferentes
muestran mínimas diferencias tanto en las tasas de redistribución
como en su distribución espacial. Las tasas más altas de erosión
se determinaron en zonas con máxima pendiente (10-30 t ha-1
a-1) y las de mayor sedimentación (7-15 t ha-1
a-1) en la base de éstas, donde converge el agua de escurrimimto.
Los resultados obtenidos son respaldados por observaciones pedológicas
y cuantificación de flujo de sedimentos en parcela de escunimiento. Ello
avala el potencial uso de esta técnica bajo las condiciones edafo-climáticas
seleccionadas.
La sustentabilidad del recurso suelo es necesaria para garantizar
la cobertura de una creciente demanda de alimentos y materias primas. Esto implica
evaluar el estado de deterioro y/o degradación del recurso ocurrida en
el pasado. Ello se traduce en la búsqueda de técnicas confiables
que permitan cuantificar tasas medias de erosión y sedimentación.
La presente investigación tiene por objeto implementar una técnica
de cuantifícación de procesos de erosión y de sedimentación
en Chile, en la cual se utiliza como trazador el 137Cs incorporado
en las ultimas décadas al suelo.
El 137Cs es un radionucleido antropogénico,
que ha sido inyectado a la atmósfera preferentemente a través
de ensayos nucleares. Desde allí se ha depositado lentamente, acumulándose
en el suelo debido a su larga vida media de 30.17 a. Con el advenimiento de
los ensayos termonucleares alta potencia en noviembre de 1952 el 137Cs
fue inyectado a la estratosfera, produciéndose una circulación
y depósito global (Ritchie y Ritchie,1995) que comenzó
a afectar también al hemisferio sur.
La actividad superficial de 137Cs, también llamada inventario
de 137Cs, es la actividad de este radionucleido en una zona en un
instante dado per unidad de área (Bq nr2). Es el resultado
de depósitos anteriores, redistribución y de la desintegración
radiactiva.
La utilización del 137Cs en la cuantifícación de tasas de redistribución de suelo se basa en que el depósito de este radionucleido es uniforme en cada zona climática y que es rápidamente adsorbido por el suelo (Ritchie y Ritchie, 1995; Walling y Quine, 1993). Ello permite asociar laTcdistribución del suelo con la de la actividad superficial de 137Cs, conocida la actividad superficial en un lugar de referencia no afecto a erosión ni sedimentación en las últimas cuatro décadas. Cuando el inventario de 137Cs en un punto de muestreo es menor que el inventario de referencia se asume que éste ba estado afecto a erosión; un inventario mayor que el de referencia indicaría sedimentación.
El objetivo del presente trabajo es cuantificar a través de la actividad superficial de 137Cs, la tasa media de erosión y sedimentación en los últimos 40 años y su distribución espacial en un Palebumult con sistema de explotación agropecuaria campesina. Para ello se adaptan modelos matemáticos a la evolución temporal del depósito de 137Cs y a condiciones edafoclimáticas del área seleccionada.
El estudio se realizó en una superficie de 2.2 ba de un Palebumult sometido a rotación de cultivos, situado en Epul (38°42'S, 72°26"W) en la IX Región. La selección del sitio se basó en la evidente erosión que presentan los suelos del sector. La alta retención de 137Cs en la estrata superficial en este tipo de suelo y la precipitación moderada en el lugar (1160 mm a-1) garantizan que el inventario de 137Cs se encuentre retenido en una profundidad reducida (Schuller et al. 1997). El sitio presenta en la parte alta una pendiente media de 14%, en la parte intermedia una pendiente más abrupta de aproximadamente 21% y en la parte baja sectores depresivos de acumulación de agua de escurrimiento rodeados por pendientes que fluctúan entre O y 6%. Para la determinación del inventario de referencia se seleccionaron dos sitios planos, con cubierta herbácea y escasa labranza, colindantes con la ladera del área en estudio.
Para determinar la profundidad media de arado y la de penetración del radionucleido se colectaron muestras en incrementos de profundidad en la parte alta, media y baja de la ladera y en los sitios de referencia.
Las muestras para determinación del inventario de 137Cs en los lugares de referencia y en cada punto de la ladera fueron extraídas con cilindros metálicos de 0.072 m de diámetro introducidos hasta profundidad de penetración del 137Cs. En los lugares de referencia se recolectaron en reticulado de 6x6 m y en el sitio en estudio en 16x20 m.
Se efectuó un levantamiento topográfico a escala
1:500 de la ladera, en el cual se ubicó cada uno de los puntos de recolección
de muestras.
La determinación de la actividad de 137Cs se realizó
por espectrometría gama de ¿uta resolución con un detector
de Ge hiper puro de 26% de eficiencia relativa asociado a un sistema analizador
Nuclear Data y programa AccuSpec B de evaluación de espectros.
Para el cálculo de tasas medias de erosión y sedimentación se utilizaron tres modelos matemáticos propuestos por Walling y He (1998), adaptándolos a las condiciones del sitio estudiado: Modelo Proporcional (MP) y los Modelos de Balance de Masas 2 y 3 (MBM2 y MBM3 respectivamente). Los modelos se basan en la hipótesis que el 137Cs ha sido homogéneamente mezclado hasta la profundidad de arado. En el MP se postula que la erosión y sedimentación son respectivamente proporcionales al déficit y exceso de 137Cs con respecto al inventario de referencia. En el MBM2 se incorpora la evolución temporal del depósito de 137Cs en el lugar y el movimiento superficial de la fracción de 137Cs recientemente depositada antes de ser mezclado por labranzas a profundidad de arado. El MBM3 se basa en los mismos postulados del modelo anterior y permite obtener adicionalmente, mediante la introducción de un parámetro de flujo anual de suelo por labranza, la redistribución del suelo debido a estas prácticas (Walling y He, 1998).
La estimación de la evolución temporal del depósito de 137Cs en el área estudiada se hizo en base a información del depósito anual de 90Sr reportada para el área más cercana ubicada en posición geográíica 41º26'S, 73º07'W (Larsen, 1985; Larsen y Juzdan, .1986; Juzdan, 1988; Monetti y Larsen, 1991; Health and Safety Laboratory, 1977; UNSCEAR, 1982). Para ello se consideró que la razón de actividad de 137Cs 90Sr en el depósito es globalmente constante, siendo aproximadamente igual a 1.6 (UNSCEAR, 1982). La distribución temporal del depósito de 137Cs se normalizó posteriormente al valor del inventario de referencia del área estudiada.
La validación del método se realizó por comparación de los resultados con los obtenidos mediante observaciones pedológicas, comparando el espesor del horizonte del sitio en que se supone hubo redistribución de suelo con otros de escasa intervención. Con el mismo propósito se instaló en la parte alta de la ladera una parcela de escurrimiento de 10 m2, en la cual se cuantificó el flujo de sedimento.
La profundidad de arado determinada fue de 12 cm y la de máxima penetración del 137Cs de 25 cm (Figura 1). En lugares donde el suelo es mezclado continuamente por labores agrícolas, la concentración de 137Cs es constante hasta la profundidad de arado, para luego decrecer exponencialmente.
En los lugares de referencia el inventario de 137Cs
resultó de (527 ± 16) Bq m-2(s =
87Bqm-2,n = 31).
La distribución espacial del inventario de 137Cs en función
de la topografía de la ladera se muestra en la Figura 2.
En la mayor paite de los puntos, el inventario de 137Cs es menor
que el inventario de referencia, lo que indica que el suelo estuvo sujeto preponderantemente
a procesos erosivos. El inventario resultó mínimo en el borde
superior de la ladera y en la zona de máxima pendiente; a continuación
de estas zonas se observa acumulación del radionucleido.
Las tasas de redistribución de suelo obtenidas a través del MP, MBM2 y MBM3 se muestran en las Figuras 3a, 3b y 3c respectivamente. Los valores positivos corresponden a tasas de sedimentación, en tanto los negativos a tasas de erosión. Las tasas de redistribución de suelo reflejan la misma tendencia descrita para la distribución espacial del inventario de 137Cs. En la zona de máxima pendiente la erosión varió entre 10 y 30 t ha-1 a-1 y en la base de la ladera la sedimentación entre 7 y 15 t ha-1 a-1.
Comparando el inventario de 137Cs determinado a lo largo de la ladera (Figura 2) con el inventario de referencia, se aprecia que paite importante del suelo se ha movilizado hacia sectores extemos al estudiado.
Un análisis comparativo de las Figuras 3a, 3b y 3c muestra que los resultados obtenidos a través de los diferentes modelos, presentan diferencias mínimas en los montos de las tasas de erosión/sedimentación y en su distribución espacial.
Figura 1 Distribución de la concentración de
137Cs en un perfil de suelo y determinación de las profundidades
de
arado y de penetración del 137 Cs.
Downward
distribution of the 137Cs concentration in the soil. Determination
of the plough depth and
137Cs
penetration depth.
Figura 2 Inventario de 137Cs en función de la topografía del lugar. 137Cs inventory as a function of the fields topography.
En el borde superior de la ladera la tasa de erosión es máxima.
La pérdida de suelo en este sector se debería a que está
limitado por arbustos que evitan la entrada de sedimentos desde sectores vecinos
y a que el suelo es invertido siempre en sentido descendente. Otra zona de alta
erosión (10-30 t ha-1 a-1) es la paite media de
la ladera, donde la pendiente es más pronunciada, lo que favorece el
escurrimiento superficial y con ello los procesos erosivos.
Las zonas de acumulación de sedimentos se encuentran en la base de la primera pendiente (1 a 3 t ha -1 a-1) y en la base inferior de la ladera (7 a 15 t ha-1 a-1) donde, debido a la confluencia del agua de escurrimiento, la acumulación de sedimentos es máxima.
La mayor diferencia en los resultados obtenidos a través de los modelos se observan en el borde superior de la ladera. Con el MP (Figura 3a) se obtienen en esta zona los valores más bajos de erosión, debido a que este modelo no considera los efectos de disminución de la concentración de 137Cs al ser incorporado mediante aradura a estratas más profundas como consecuencia de los procesos erosivos previos. Los MBM2 (Figura 3b) y MBM3 (Figura 3c) incorporan además de este efecto, el de redistribución del 137Cs antes de mezclarse en profundidad de arado, obteniéndose tasas de erosión más altas. A través del MBM3 se establece que en el borde superior de la ladera la erosión es causada principalmente por laboreo del suelo, a diferencia del resto del sitio donde se produce principalmente por acción hídrica.
Figura 3. Distribución espacial de las tasas medias
de erosión y sedimentación, determina-das a partir del Modelo
Proporcional (a), Modelo de Balance de Masas 2 (b) y Modelo de Balance de Masas
3 (c).
Spatial
distribution of the erosión and sedimentation rates, quantified using
the Proportional Model (a),
Mass Balance Model 2 (b) and Mass Balance Model 3 (c).
Las observaciones pedológicas (Figura 4) reflejan una tendencia en la redistribución del suelo muy similar a la obtenida a través de los modelos matemáticos. Sin embargo, los valores obtenidos con este método dependen de la estimación del intervalo de tiempo en que se ha cultivado el área y de la profundidad del horizonte utilizado como referencia. Por lo tanto, este método sólo entrega una estimación de la redistribución del suelo, que no tiene valor cuantitativo preciso.
La tasa media de flujo de sedimentos obtenida en los últimos tres años a partir de las mediciones efectuadas en la parcela de escurrimiento ubicada en la primera pendiente es cercana a 4 t ha-1 a-1. Este valor está en el rango de las tasas de erosión (0-5 t ha-1 a-1) calculadas con los tres modelos para el sector en que ésta está ubicada, lo que constituye una corroboración de los resultados obtenidos. Sin embargo, a través de parcelas de escurrimiento se obtienen sólo tasas anuales de escurrimiento de sedimentos, que dependen de la pluviosidad de los años en que se hacen las determinaciones. Las tasas de redistribución de suelo determinadas mediante la técnica del 137Cs representan en cambio valores medios de los últimos 40 años.
Considerando que la tendencia de distribución espacial de tasas de redistribución del suelo determinada con observaciones pedológicas y que la tasa puntual determinada con parcela de escurrimiento están dentro del rango de las tasas determinadas mediante los modelos utilizados, se infiere que los resultados obtenidos a través de estos modelos pueden ser considerados como representativos del área estudiada. Ello sugiere la potencial aplicabilidad del método para cuantificación de tasas de redistribución de suelo y su distribución espacial en suelos del Sur de Chile. Sin embargo, la aplicabilidad de la técnica de 137Cs debe ser estudiada en otras zonas climáticas y para otros tipos de suelo donde la erosión no es tan evidente.
Para una estimación rápida de tasas medias de redistribución de suelo el MP resultó ser una buena herramienta, debido a la simplicidad de su formulismo y a que requiere de parámetros de entrada fácilmente determinables. En caso se requiera de un estudio más acusioso de la distribución espacial de la tasa de redistribución de suelo puede emplearse el MBM2. La aplicación del modelo MBM3 es laboriosa debido a sus múltiples parámetros de entrada y sólo entregó información adicional a la del MBM2, respecto a erosión por labranza en el borde superior de la ladera.
Figura 4 Distribución espacial de las tasas de erosión
y sedimentación estimadas a partir de observaciones
pedológicas.
Spatial
distribution of the erosión and sedimeiitation rates, estimated using
pedological observations.
Con los tres modelos matemáticos utilizados se obtuvieron tasas de erosión y sedimentación similares para el Palehumult estudiado con igual tendencia en la distribución espacial.
La técnica del 137Cs se evidencia como un buen método para cuan tincar tasas medias de redistribución de suelo y su distribución espacial. Ello es respaldado por observaciones pedológicas y cuantificación de flujo de sedimentos en parcela de escurrimiento.
Es necesario estudiar la aplicabilidad del método en otras zonas climáticas y para otros tipos de suelos de Chile en los cuales la erosión no es tan evidente.
Finalmente, para hacer el uso del método más accesible a potenciales usuarios debe ser ajustado para optimizar costos y beneficios.
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