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19 EROSIÓN EÓLICA: PROCESOS Y PREDICCIÓN Introducción ............................................................................................................... La movilización de las partículas del suelo .......................................................... El transporte de las partículas del suelo .............................................................. Efectos del movimiento de partículas .................................................................. La predicción de la erosión eólica ......................................................................... La Ecuación de Erosión Eólica (Wind Erosion Equation, WEQ) .............. La Ecuación Revisada de Erosión Eólica (RIVEQ) ....................................... Bibliografía ................................................................................................................ 21 22 23 24 25 25 27 30 20 21 2. EROSIÓN EOLICA: PROCESOS Y PREDICCION Daniel E. Buschiazzo & Silvia B. Aimar Introducción La erosión del suelo es un proceso geológico normal de la evolución del paisaje que se mani- fiesta con mayor intensidad en ambientes áridos y semiáridos. Sin embargo, su magnitud puede incrementarse drásticamente por acción antrópica, produciendo fuertes perjuicios para el medioambiente. Se estima que aproximadamente el 30 % de la superficie del planeta se encuentra afectada por erosión acelerada, desencadenada por el hombre (Lal, 1991). Este tipo de erosión es 2.5 veces ma- yor que la natural o geológica y alcanza magnitu- des de 26 billones de toneladas de suelo por año. Los suelos de las regiones áridas y semiáridas, y principalmente aquellos bajo uso agrícola tienen mas susceptibilidad a erosionarse eólicamente da- das sus características: son generalmente son poco desarrollados, de textura gruesa y poco estructurados. Las condiciones climáticas de éstas regiones están principalmente caracterizadas por precipitaciones concentradas en períodos cortos de tiempo, vientos de gran intensidad coincidentes con períodos secos, altas temperaturas y altas ta- sas de evapotranspiración; la escasa cobertura ve- getal y el uso de una tecnología no adecuada para la zona, aumentan la peligrosidad a la erosión. Está comprobado que el manejo y las distintas prácti- cas de labranza pueden producir efectos diferen- ciales en la cobertura vegetal y otros factores que influyen en la erosión eólica (contenido de hume- dad, estabilidad de agregados, entre otros) (Black & Siddoway, 1979). Por otra parte diferentes prác- ticas realizadas sobre el mismo suelo modificarán la tasa de erosión y afectarán la distribución del sedimento en función de la altura (Zobeck et al., 1989). Se puede definir a la erosión eólica como el evento mediante el cual se produce la remoción del material superficial, la selección y el transporte por medio del viento. El conocer el proceso, cuan- tificarlo y realizar predicciones respecto a sus efec- tos, pueden ser los caminos para lograr un control adecuado y evitar la degradación de los suelos. La erosión eólica provoca un efecto “in situ” y otro en regiones aledañas. El efecto in situ esta- ría relacionado con la degradación producida en el mismo suelo, o en la cobertura vegetal como cultivos o pasturas implantadas. La productividad del suelo se verá reducida por pérdidas en la ferti- lidad física como reducción en la profundidad efec- tiva, cambio en la granulometría, degradación de la estructura y en la fertilidad química, como dis- minución en el contenido de materia orgánica o pérdida de nutrimentos (Lyles & Tatarko, 1986; Buschiazzo & Taylor, 1993; Gabel, 1993). Respec- to a la cobertura vegetal, la erosión eólica produ- ce una disminución en el rendimiento (Lyles, 1975) y reducción en la emergencia de las plántulas (Woodruff, 1965; Armbrust, 1984). Los efectos en las regiones aledañas son aque- llos que se producen en ciudades donde la presen- cia de polvo atmosférico trae como consecuencia enfermedades respiratorias (ya que las partículas menores a 0.5 µm de diámetro se alojan irreversi- blemente en el sistema respiratorio), polución ambiental e intransitabilidad de caminos, que re- sultan en pérdidas económicamente superiores a las que se producen en la zona rural. Huszar & Piper (1986) estimaron en Nueva México pérdidas por un costo de 466 millones de U$S por año. Casi un 75% de la superficie de Argentina posee áreas altamente susceptibles a sufrir este proceso de degradación, ya que gran parte de sus suelos evolucionan sobre materiales loésicos que, por su origen eólico, poseen alta susceptibilidad a ser retransportados por el viento. La erosión eólica es un proceso degrada-tivo irreversible de los suelos de la región semiárida argentina, ya que produce pérdidas de las fraccio- nes texturales finas (Buschiazzo & Taylor, 1993) que, en gran medida, determinan los procesos de humificación y la tasa de acumulación de la mate- ria orgánica (Buschiazzo et al., 1991). En nuestro país se han realizado pocos estu- dios sobre este proceso. Sólo se cuenta con esti- maciones de la superficie afectada por erosión eólica y mediciones de los efectos que la misma ha producido sobre el suelo (Torres & Fernández, 1996; Covas & Glave, 1988; Michelena & Irurtia, 1995; Zanotti & Buschiazzo, 1997). También se han cuantificado las tasas máximas de erosión ocurri- das en dos suelos de La Pampa (Aimar et al., 1996), se ha determinado el grado de error que produce la variación de la dirección del viento cuando ocu- rre durante mediciones de campo (Buschiazzo et al., 1999a) y se han llevado a cabo algunos ajustes metodológicos relacionados con las diferentes can- tidades de material recolactado a diferentes altu- ras (Buschiazzo et al., 1999b). 22 La movilización de las partículas del suelo La erosión eólica del suelo involucra la movi- lización (o deflación), el transporte, la abrasión, la selección y la deposición de agregados o partícu- las individuales. En este capítulo se hablará de “par- tículas” en forma genérica, asumiendo que este término involucra también a los agregados del suelo. La movilización de partículas se produce so- lamente cuando las fuerzas aerodinámicas (desestabilizadoras) superan la magnitud de las fuerzas estáticas, que mantienen a las partículas agrupadas y adheridas a la superficie del suelo. Una vez que el proceso de erosión comienza, las partículas que permanecen en el suelo también pueden ser movilizadas por la colisión de otras que, una vez puestas en movimiento, impactan sobre la superficie del suelo. Un parámetro muy importante que determi- na la ocurrencia de la deflación es la velocidad umbral de transporte frecuentemente también de- nominada umbral de deflación. Esta es la veloci- dad mínima requerida para iniciar el proceso. La velocidad umbral de deflación puede ser estimada por medio de modelos matemáticos sim- ples. Uno de ellos fue desarrollado por Bagnold (1941), quien estableció que el movimiento del aire provoca una fuerza de arrastre horizontal F sobre la partícula, que es proporcional a una fuerza de resistencia y a la superficie expuesta de la partícu- la. La ecuación que explica esta relación es la si- guiente: F = β r d2 = β ρ u2 d2 donde: β es una constante. r es la fuerza de tensión producida por el movimiento turbulento del aire. d el diámetro de la partícula, u la velocidad del viento. ρ la densidad de la partícula. En esencia las fuerzas que definen la movili- zación de las partículas según Bagnold son las que se representan en la Figura 2.1. Chepil (1961) agregó una fuerza vertical as- cendente al modelo de Bagnold, similar a la fuer- za de succión de Bernoulli. El modelo de Chepil establece que la incidencia de un flujo de aire so- bre una partícula produce diferencias de presión debajo y encima de la partícula. Como la diferen- cia de presión es mayor cerca de la superficie del suelo, la fuerza ascendente es también mayor en esa posición. En resumen, las fuerzas actuantes sobre una partícula son, según Chepil, la horizon- tal de traccióny dos fuerzas verticales opuestas: F g Figura 2.1. Representación esquemática de las fuerzas actuantes sobre una partícula de suelo que determi- nan su movilización por el viento según Bagnold. F – p = (G – L) q L F G Figura 2.2. Representación esquemática de las fuerzas actuantes sobre una partícula de suelo que determi- nan su movilización por el viento según Chepil (1961). En la década del 70 y 80, estudios llevados a cabo en la NASA con motivo de los programas de exploración de Marte y Venus, permitieron a Iverson et al. (1976) mejorar los modelos de Bagnold y de Chepìl, quienes habían trabajado con partículas de tamaño arena, con diámetros de más de 200 µm y 150 µm, respectivamente. Estos inves- tigadores trabajaron con particulas de menor diá- metro y comprobaron que, además de las fuerzas descriptas anteriormente por Bagnold y por Chepil, existe una fuerza entre partículas (Lp) que se agre- ga a las de gravedad G y se opone a la fuerza de arrastre del viento F y a la fuerza ascendente de succión L. La ecuación que describe esta relación una descendente, la de gravedad (G) y otra ascen- dente de succión (L) (Figura 2.2). La ecuación que explica esta relación es la siguiente: 23 es la siguiente: F p M = (G – L) q + Ip r donde: Ip = intensidad de turbulencia del viento. La representación gráfica de este modelo se muestra en la Figura 2.3. q= d sin 2 r = d sin 2 p= d con 2 M F G L Ip Figura 2.3. Fuerzas actuantes sobre una partícula en equilibrio (Iverson et al., 1976). El transporte de las partículas del suelo Una vez puestas en movimiento por el vien- to, las partículas son transportadas y nuevamente sedimentadas a mayor o menor distancia. De acuer- do a su diámetro pueden ser transportadas por rodadura, saltación o suspensión (Figura 2.4). Saltación: Es el tipo inicial de transporte de las partículas luego de que las mismas han sido movilizadas desde la superficie del suelo. Solamente aquellas partículas que posean parte de su masa expuesta al movimiento turbulento del aire (ver Capítulo I de este libro), serán movilizadas por el viento. Estas partículas, obviamente, deberán te- ner un diámetro definido. Si son muy pequeñas se ubicarán sobre la superficie del suelo pero por debajo de la capa límite, zona que posee un movi- miento laminar del aire que no producirá su movi- lización. Si por el contrario, si son muy grandes y pesadas, las velocidades del viento no serán sufi- cientes para elevarlas y solamente se podrán mo- ver por rodadura. Por esta razón, las partículas transportadas por saltación poseen un diámetro definido, que oscila entre 50 y 500 µm. Debe con- perfil del viento Suspensión Saltación Rodadura Figura 2.4. Los tres tipos de transporte eólico de partí- culas. siderarse que, una vez en movimiento en el flujo del aire, las partículas transportadas de esta forma pueden disminuir su tamaño por efectos de la abrasión y pasar a ser transportadas por suspen- sión. El movimiento de salto es regular y asimétrico (Figura 2.5). h s Figura 2.5. Trayectoria del movimiento de saltación. La fuerza ascendente de succión produce una movilización casi vertical de la partícula que gene- ralmente recorre el espacio con un ángulo de 75 a 90º. Debido al gradiente de velocidad existente cerca de la superficie del suelo, la partícula es movilizada hasta una cierta distancia a la cual al- canza la máxima altura h. A partir de la misma comienza a caer, describiendo un recorrido prácti- camente linear, con un ángulo de 6 a 12º, depen- diendo del tamaño del grano. Las partículas movilizadas por saltación impactan en el suelo y transfieren un momento de salto a las que se encuentran en la superficie. En general, 60% del material se moviliza por salta- ción a una altura menor a 5 cm, 90% a una altura menor a 30 cm y sólo un 1% supera el metro de altura. La distancia recorrida varía entre 12 a 25 veces la altura máxima alcanzada (Cooke et al., 1993). El impacto de una partícula en el suelo con- sume un 60% de energía para el rebote de la mis- ma partícula, un 40% para deformar y reacomodar otras partículas y sólo 1% para movilizarlas (aproxi- madamente diez). Saltación es por lejos la forma de transporte de las partículas más importante, ya que no sólo 24 provoca los movimientos de suspensión y rodadura, sino que también representa el 50 al 75% del total de material transportado por el viento y es el prin- cipal causante del proceso de abrasión y rompi- miento de agregados del suelo. Rodadura: Es el transporte de partículas que se realiza sin un despegue de las mismas de la su- perficie del suelo. Solamente las de un diámetro mayor a 500 µm se movilizan de esta forma. Un 5 a un 25% de las partículas se transportan por rodadura (Chepil, 1945). Las partículas transportadas de esta forma aparentan formar parte de un proceso pasivo de erosión, de relativa baja magnitud, de corto reco- rrido y poca influencia destructiva. Sin embargo, estas partículas también pueden producir abrasión, corroyendo agregados del suelo u otros elemen- tos como rocas y construcciones, pueden transfor- marse en partículas o agregados más pequeños y ser transportados por saltación, e incrementar de esta forma su poder destructivo. Suspensión: Es el transporte por flotación en el aire de partículas pequeñas (< 100 µm) que se genera por el impacto de otras movilizadas por saltación sobre la superficie del suelo. El transpor- te de las partículas movilizadas por suspensión puede alcanzar algunos km de altura y varios cen- tenares de km de distancia. Si la turbulencia del viento es suficientemente elevada, las partículas transportadas de esta forma pueden llegar a for- mar las tormentas de polvo. En general, aproxima- damente un 3 a un 40% de las partículas son trans- portadas en suspensión (Chepil, 1945). Efectos del movimiento de partículas Abrasión: La susceptibilidad a la abrasión de un material puede definirse como la masa de ese material abrasada por unidad de masa de partícu- las que impactan sobre el mismo. Los trabajos de Hagen (1984) indican que el factor de abrasión w está definido por una relación del siguiente tipo: w = f (V a , α, d a , S t , S a , ρ a ) donde: V a = velocidad media de las partículas impactantes. α = ángulo de impacto de esas partículas con el plano de la superficie. d a = diámetro medio de las partículas abrasivas. S t y S a = la estabilidad mecánica de las partículas abrasivas y de la superficie abrasada, respectivamente. ρ a = densidad del abrasivo. La abrasión se manifiesta con mayor magni- tud en ambientes sedimentarios, por ejemplo en el Valle de la Luna, donde el viento ha corroído la Figura 2.6. Efecto abrasivo del viento en el ambiente sedimentario del Valle de la Luna, San Juan, Argentina. base de restos sedimentarios, formando seudocolumnas como las que se muestra en la Fi- gura 2.6. La abrasión también afecta al sistema suelo, modificando la distribución del tamaño de agregados y su acomodamiento espacial. Selección: El viento produce una remoción selectiva de partículas del suelo debido a que las mismas se mueven de diferente forma en las dife- rentes condiciones de flujo del aire. Su magnitud depende de la variabilidad del tamaño, la forma y la densidad de las partículas del suelo. Cuanto más homogéneas sean éstas, menor probabilidad exis- tirá de que se produzca el proceso. Buschiazzo & Taylor (1993) comprobaron que el viento produce un transporte diferencial de par- tículas con diferente densidad en suelos de la re- gión semiárida pampeana de Argentina. Estos au- tores demostraron que la proporción entre mine- rales livianos (cuarzo) y pesados (opacos) fue ma- yor en pedones levemente erosionados que en aquellos fuertemente erosionados y que ese co- ciente fue mayor en un suelo de textura mas grue- sa que sufrió, comparativamente, mayor erosión (Figura 2.7). Estos resultado son producto de un transporte selectivo del cuarzo, más liviano, y la acumulación residual de los opacos, más pesados. 25 0 20 40 60 80100 80 100 FUERTEMENTE EROSIONADO LEVEMENTE EROSIONADO FRANCO-ARENOSO FRANCO-ARENOSO 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 Q/O Q/O Figura 2.7. Cocientes entre los minerales cuarzo y opa- cos (Q/O) en la fracción arena muy fina (74-100 µm) de pedones levemente y fuertemente erosionados de dos suelos texturalmente diferentes de la region semiárida pampeana (extraída de Buschiazzo & Taylor, 1993). La selección es un proceso de degradación de suelos tan importante como la pérdida de masa total de suelo. Esto se debe a que este proceso ocasiona un cambio en la textura del suelo, al trans- portar las partículas más finas y acumular residualmente las más gruesas en el suelo. En los suelos de la región semiárida Argentina se ha com- probado que los suelos se vuelven más arenosos al erosionarse porque pierden las partículas y agre- gados finos que son más livianos (Buschiazzo & Taylor, 1993). Este cambio textural altera, entre otras características, a la capacidad del suelo para acumular materia orgánica (MO) y disminuye la proporción de varios elementos que tienden a acu- mularse en las fracciones más finas, siendo el fós- foro uno de los más afectados (Buschiazzo et al., 1999a). En la Figura 2.8 se muestra el patrón de dis- minución de los contenidos de materia orgánica de un suelo, desde su estado inicial virgen bajo monte de caldén (Prosopis caldenia Burk.). Una vez roturado y puesto en producción, el suelo co- mienza a perder MO, lo que en la Figura 2.8 está representado por la flecha descendente vertical. Cuando el suelo ha perdido un contenido determi- nado de MO y llega a aproximadamente un 3%, el suelo pierde estabilidad estructural y se torna más susceptible a la erosión. Por debajo de este valor límite de 3% puede producirse, además de mayo- res disminuciones de MO, el transporte de las par- tículas más finas del suelo por parte del viento. Esto produce un cambio textural en el suelo, que se torna más arenoso. De esa manera, la capaci- dad del suelo para acumular MO disminuye (fle- cha ascendente en la Figura 2.8) lo que demuestra que el proceso de selección de partículas por par- te del viento ocasiona sobre el suelo una degrada- ción irreversible. SUELOS VIRGENES (caldenal) SUELOS AGRICOLAS MO (%) LIMO + ARCILLA (%) Figura 2.8. Esquema de pérdidas de materia orgánica de suelos de la región semiárida Pampeana en función de los contenidos de limo + arcilla (Buschiazzo et al., 1991). La predicción de la erosión eólica De acuerdo a lo expresado anteriormente, la erosión eólica puede ocasionar procesos degra- dativos irreversibles sobre el suelo y el medio am- biente en general. Es por eso que se hace necesa- ria su predicción. La potencialidad de un suelo a sufrir erosión eólica puede ser diagnosticada utilizando mode- los de simulación. Esencialmente se describirán en este capítulo la Ecuación de Erosión Eólica (WEQ) y su nueva versión revisada (RWEQ). La Ecuación de Erosión Eólica (Wind Erosion Equation, WEQ) La WEQ, desarrollada por Woodruff & Siddoway (1965), es un modelo empírico que per- mite estimar tasas anuales de pérdidas de suelo por erosión eólica, determinar la cantidad de co- bertura vegetal necesaria para lograr una pérdida tolerable de suelo, establecer un ancho de faja adecuado para el control de la erosión o comparar la eficacia de manejos alternativos para controlar el proceso. Las relaciones matemáticas de la WEQ son complicadas, pero la adopción se intensificó me- diante el uso de nomogramas y programas com- putados. Este modelo, si bien ha sido muy difundi- do y mejorado (Skidmore et al., 1970; Skidmore, 26 1987) cuenta con algunas limitaciones, dado que sólo es factible realizar estimaciones anuales y no para determinadas épocas del año. Por otra parte, considera valores únicos para variables del suelo muy dinámicas, como humedad, y no tiene en cuen- ta otras, como la formación de costras superficia- les. Para efectuar cualquiera de esos cálculos es necesario ajustar los factores que la componen, que son: E = f (I’,K’,C’,L’,V) donde: E = erosión potencial medida en tn/ha.año. I’= índice de erodabilidad del suelo. K’= factor de rugosidad. C’= factor climático local. L’= longitud del terreno en la dirección prevaleciente de los vientos. V = el equivalente de cobertura de vegetación medida en kg.ha-1. El índice I, que es la máxima erosión que pue- de sufrir un suelo en base a sus características, se mide en tn/ha.año y está determinado por la can- tidad de agregados menores a 0.84 mm de diáme- tro de la capa superficial del suelo. El estado y estabilidad de las unidades es- tructurales, responsables de la erodabilidad de los suelos, dependen a su vez de los contenidos de humedad (Chepil, 1956) y el efecto de las gotas de lluvia, del material orgánico y de los microorganismos y sus productos de descomposi- ción, de cementantes inorgánicos, de la textura del suelo y de la naturaleza de la fracción coloidal (Chepil, 1953b). Los contenidos de CaCO 3 y la descomposición de la materia orgánica incrementan la proporción de los agregados estables > a 0.84 mm de diáme- tro (Chepil, 1954), los que no pueden ser trans- portados por el viento (Chepil, 1945). La estabili- dad de las partículas entre 0.02 y 0.05 mm de diá- metro y entre 0.42 y 0.84 mm tienden a reducir la erodabilidad por viento. Generalmente los suelos con texturas gruesas y muy finas son más fácilmen- te erosionables que aquellos con texturas medias y con un mejor desarrollo de la estructura. Un suelo con arenas finas y muy finas incrementa apreciablemente la erodabilidad del mismo; mientras que con gravas y arenas gruesas ésta se reduce, dependiendo del peso relativo de estas fracciones (Chepil, 1953a). La distribución por tamaño de agregados en seco en la superficie del suelo tiene un efecto sig- nificativo en la cantidad e intensidad de la erosión (Zobeck & Popham, 1990). Estos autores encon- traron un modelo de regresión que puede expli- car hasta el 80% de la variación de la distribución de agregados en seco, usando la densidad apa- rente de la superficie (la cual varía según el tipo de labranza) y la precipitación acumulativa como variable independiente. El factor K se refiere a la rugosidad natural o artificial de la superficie del suelo, expresado en términos de alturas de las crestas. Este factor no depende solamente de la altura de la cresta sino también de su naturaleza y frecuencia lateral (Chepil & Milne, 1941). El efecto de la rugosidad respecto a la erosibilidad del viento fue estudiado en laborato- rio mediante túneles de viento y a campo (Zingg, 1953, citado por Fryrear et al., 1998). Las crestas de 5.1 y 10.2 cm de altura disminuyen la eroda- bilidad del suelo por entrampamiento de las partí- culas y la disminución de la velocidad del viento (Arnbrust et al., 1964). La rugosidad de la superficie del suelo redu- ce el movimiento de partículas por viento en un 90 %, siempre que el suelo no sea de textura grue- sa o de grano simple (Fryrear, 1990). El factor V es el equivalente de cobertura de vegetación medida en kg/ha. La erosión eólica puede ser minimizada o prevenida con cobertura de residuos en pie o resi- duos muertos. Una cobertura del 30% de residuos puede reducir las pérdidas en un 80% (Fryrear, 1990), y sólo con un 4% de cobertura en el suelo, las pérdidas por erosión eólica se reducen en un 15% en comparación con un suelo desnudo (Fryrear, 1995). Mediante una ecuación matemática puede determinarse la tasa de pérdidas de suelo (SLR: pérdida de material en el suelo protegido/pérdida de material en suelo desnudo) según el porcenta- je de cobertura: SLR = exp (-0.0438 * psc) donde: psc es el porcentaje de suelo cubierto por mate- rial no erosionable. Al tratarse de residuos en pie, la siguiente ecuación explicaría el 95% de la variabilidad del SLR: SLR = exp (-28.49 * S0.6413/ V2.423 ) donde V es la velocidad del viento y S es el produc-to de la altura del tallo, el diámetro y la densidad del tallo (Bilbro & Fryrear, 1994). El factor C define las condiciones del clima de una localidad standard de Kansas (Garden City), y puede ser determinado para cualquier localidad teniendo en cuenta los factores climáticos veloci- dad de viento, precipitación y evapotranspiración, entre otros. 27 La Ecuación Revisada de Erosión Eólica (RWEQ) Actualmente, el Agricultural Research Service (ARS) está desarrollando un nuevo modelo para predir la erosión eólica, la Ecuación Revisada de Erosión Eólica (RWEQ), que salvará las limitacio- nes de la WEQ (predicciones anuales, baja preci- sión en función de las variables relacionadas con el manejo, particularmente cobertura con residuos y canopeo). Las propiedades usadas en la RWEQ para caracterizar los suelos pueden dividirse en dos amplios rangos: a) propiedades intrínsecas: que son más o menos estáticas y que cambian muy lentamente a través del tiempo (Ej: materia orgánica, propor- ción de arcillas). b) propiedades temporales dinámicas: que cambian rápidamente en respuesta al manejo o influencias climáticas. (Ej: densidad aparente, dis- tribución de agregados), con la RWEQ podrían es- timarse a diario las pérdidas debidas a erosión eólica, como así también la variabilidad a campo en tiempo y espacio definidos. Por lo tanto, las subrutinas de la RWEQ esti- marían cambios temporales de las propiedades de los suelos. Dentro del submodelo MANEJO se tie- nen en cuenta tipo de labranzas, cambios en las condiciones superficiales del suelo y niveles de re- siduos luego de la práctica. También se evalúa el tamaño, forma y orientación del potrero, la vege- tación y las barreras. FACTOR CARACTERISTICA CLIMATICO Viento f(velocidad del viento) Dirección del viento Temperaturas medias del aire T°C máx. y mín. diarias Radiación solar Valores acumulados p/período. Precipitaciones Pptac. totales por período SUELO Fracción erodable <0.84mm, f(Text., MO, CaCO3) Factor de encostramiento f(arcilla) Humedad f(ETP, P, tiempo) Rugosidad Congelamiento/derretimiento en desarrollo TERRENO Forma rectangular o circular IRRIGACION En desarrollo CULTIVO Residuos planos f(cobertura y descomposición) Residuos erectos f(silueta) Canopeo f(plantas emergentes) Barreras eólicas f(densidad, altura) Tabla 2.1. Factores de la erosión eólica considerados en la Ecuación Revisada de Erosión Eólica (RWEQ, Fryrear et al., 1994). Dentro del modelo SUELO se tienen en cuen- ta propiedades como porcentajes de arena, limo y arcilla, carbono orgánico, carbonato de calcio y superficie del suelo con rocas y otros parámetros como la fracción erodible, costra del suelo y rugo- sidad. Mediante el submodelo TIEMPO se conside- ra la magnitud y la dirección del viento, la densi- dad del aire, las temperaturas máximas y mínimas del aire, la radiación solar, los días de lluvia e in- tensidad de las precipitaciones (Zobeck, 1991). En la Tabla 2.1 se consignan los factores con- siderados en la RWEQ. Las ecuaciones de transporte de masa han sido desarrolladas para la aplicación al movimien- to de suelos agrícolas o arenas del desierto. El trans- porte de masa a través de una superficie erodable fue medida por Bagnold (1941), Chepil (1945) y Stout (1990), entre otros. La ecuación básica que define la distribución horizontal de la masa trans- portada es: b(x) ((dQ(x): dx) + Q (x) – Q max (x) + S r (x) = 0 donde: Q (x) = máximo transporte en la distancia x, en kg/m de ancho. Q max (x) = transporte máximo, kg/m de ancho. S r (x) = coeficiente de retención superficial. x = distancia desde el borde del potrero, m. b(x) = escala de longitud del potrero, m. 28 El parámetro de viento es básico en la RWEQ. Para estimar la erosión del suelo son fundamenta- les los datos exactos del viento. Bagnold (1943) y Zingg (1953, citado por Fryrear et al., 1998) usa- ron el cubo de la velocidad de fricción para descri- bir la relación entre la velocidad del viento y el transporte de masa. Para computar la velocidad de fricción, debe ser descripta la rugosidad de la superficie. Tanto la rugosidad del suelo, los niveles de residuo, las barreras eólicas y la textura del suelo son altamente variables, por lo que fue usada una referencia de la velocidad del viento sobre la su- perficie limite. Las medidas de campo son hechas desde superficies relativamente lisas, sin embargo la referencia del instrumental se toma desde una altura de 2 metros. La RWEQ expresa el valor viento usando la velocidad del viento menos la velocidad umbral. La ecuación para calcular el factor viento es: N W = Σ U 2 ( U 2 – U t )2 i=1 donde: W = valor del viento (m/seg)3. U 2 = velocidad del viento a 2 metros, m/seg. U t = velocidad umbral del viento a 2 metros (se asume 5 m/seg). N = número de observaciones de velocidad del viento (i) en un período de tiempo de 1-15 días. Esta ecuación ha sido seleccionada para apli- car a la RWEQ, debido a que ofrece el más amplio rango de valores de viento (W), cuando U 2 varía desde 6 a 20 m/seg. Esto surgió luego de analizar- se distintas combinaciones entre la velocidad del viento y la velocidad umbral, utilizándose además las expresiones: U 2 2 ( U 2 – U t ), U 2 ( U 2 2 – U t 2), y ( U 2 – U t ) U t 2 Para obtener el factor viento (Wf) de la ecua- ción puede utilizarse el procedimiento descripto por Skidmore & Tatarko (1990) reuniendo en la RWEQ, más de 600 archivos de datos climáticos. En estos archivos el viento es descripto con los co- eficientes k y c de Weibull, porcentaje de calma, y distribución de la probabilidad acumulativa. Las velocidades de viento obtenidas a 10 metros de altura son convertidas en velocidades a 2 m y lue- go es computado el factor viento. El factor viento (Wf) se determina dividien- do el valor total del viento para cada período por 500 y se multiplica luego por el número de días del período considerado. Wf = (W/500) * N d donde: Wf = factor viento (m/seg)3. W = valor viento (m/seg)3. N d = número de días en el período. Factor Tiempo (WF) WF = Wf (ρ/g) (SW) SD donde: WF = factor tiempo, kg/m. Wf = factor viento, (m/seg) 3. ρ = densidad del aire, kg/m3. g = aceleración de la gravedad, m/seg2. SW = humedad del suelo, adimensional. SD = factor cobertura. En la WEQ el WF tuvo el mismo término como factor climático, en cambio en la RWEQ el factor WF también contiene términos de velocidad um- bral y cobertura lisa. La humedad de la superficie tiene influencia en la velocidad del viento requerida para erodar el suelo. La permanencia de la humedad en la su- perficie del suelo depende de la demanda de eva- poración por parte de la atmósfera, siendo el fac- tor: SW = ((ET p – (R + I) (R d /N d ))/ET p donde: SW = factor humedad de suelo. ET p = evapotranspiración potencial relativa, mm. R d = número de días con lluvia y/o núme ro de días con riego. R + I = lluvias e irrigación, mm. N d = número de días (normalmente 15). La ecuación de ET p obtenida por Samani & Pessarakli (1986) es: ET p = 0.0162 * (SR/58.5) (DT + 17.8) donde: SR = radiación solar total para el período considerado, cal/cm2. DT = temperatura promedio, ºC. La humedad del suelo incrementa la resisten- cia del mismo a la erosión. Cuando llueve o se apli- ca riego, el factor humedad es cero y por lo tanto no hay erosión en ese período, caso contrario el factor a considerar sería 1. En el año 1990 se evaluó la influencia de la humedad en un suelo franco arenoso fino de Big Spring. Hubo 30 eventos de lluvia que humedecie- ron la superficie del suelo y 33 eventos erosivos. 29 En el período considerado se calculó mediante mediciones directas una pérdida de suelo de 18,6 kg.m-2, y la estimación mediante la RWEQ arrojó valores de 17,1 kg.m-2. Si el cálculo se hubiese efec- tuado sin las correcciones por el factor humedad, se hubiera estimado una pérdida de 20.0 kg.m-2. Si el suelo está cubierto con nieve no hay ero- sión entonces el factor Cobertura con Nieve (SD)es cero. Si en un mes, el 50 % del tiempo el suelo está cubierto con nieve, se considera que el SD vale 0.5. La fracción erodable del suelo (EF) está cons- tituida por los agregados menores a 0.84 mm de diámetro, que se encuentra en los 25 mm superfi- ciales del suelo y que puede ser determinada me- diante tamiz rotativo (Chepil, 1962). La metodolo- gía consiste en tomar una muestra por mes, du- rante tres años, y tamizarla. Fryrear et al. (1994) correlacionó el valor de EF mas alto hallado en un año, con propiedades físicas y químicas del suelo, dando como resultado: EF = (29.09+0.31Sa+ 0.17Si+0.33Sa/Cl – 2.590MO – 0.95 CaCO 3 )/100 donde: Sa = contenido de arenas, % (de 5.5 a 93.6). Si = contenido de limo, % (de 0.5 a 69.5). Sa/Cl = relación entre arena y arcilla (de 1.2 a 53.0). MO = materia orgánica, % (de 0.18 a 4.79) CaCO 3 = carbonato de calcio, % (de 0.0 a 25.2). La ecuación citada precedentemente fue ve- rificada para suelos con características físicas y químicas citadas entre paréntesis. El impacto de las gotas de lluvia en la super- ficie del suelo, provocan una redistribución de las partículas y la formación de una costra superficial, la cual puede ser extremadamente dura o muy frá- gil y de esta forma decrecer o incrementar la ero- sión eólica potencial. Woodruff & Siddoway (1965) consideraban en la WEQ que, en un suelo encostrado, las pérdidas de suelo eran un sexto de aquellas de un suelo no encostrado. Esta relación es observada con texturas franco limosas pero no se ajusta a suelos arenosos fácilmente erodibles. Este factor fue desarrollado en laboratorio, utilizando túnel de viento, siendo la ecuación: SCF = 1/(1 + 0.0066 (Cl)2 + 0.021 (MO)2) donde: Cl = contenido de arcilla, % (de 5.0 a 39.3). MO = materia orgánica, % (de 0.32 a 4.74). La ecuación es válida con suelos con conteni- dos de arcilla y MO citados entre paréntesis. En la RWEQ se computa el factor encostra- miento (SCF) cuando las lluvias acumuladas son iguales o superiores a 12 mm. Cuando el conteni- do de arcillas es inferior al 5 % o después de una labranza, el SCF es uno. La cantidad y orientación de los residuos tie- ne un significativo impacto en la erosión de suelos por el viento. Se han realizado ensayos en túnel de viento donde fueron evaluados el impacto del crecimiento de los cultivos, la presencia de residuos, la silueta de las plantas y el canopeo de los culti- vos (Bilbro & Fryrear, 1994). Mediante una ecuación matemática, desarro- llada a partir de estudios con túnel de viento en laboratorio y en el campo, puede determinarse la tasa de pérdidas de suelo, con el efecto de los re- siduos planos (SLR f ). En este caso es mas impor- tante la información del porcentaje de cobertura que los test de diámetro, densidad o tipo de plan- tas (Bilbro & Fryrear, 1994). SLR f = e-0.0438 (SC) donde: SLR f = coeficiente de pérdida de suelo con cobertura de residuos planos. SC = superficie del suelo cubierta con residuos planos. Si hay cobertura rocosa, ésta será adicionada a la cobertura de residuos planos. Residuos en pie (SLR s ): Los residuos en pie reducen la velocidad del viento cerca de la superfi- cie del suelo. Al tratarse de residuos en pie, Bilbro & Fryrear (1994) desarrollaron una ecuación de pérdida de suelos cuyo coeficiente fue ajustado teniendo en cuenta el número, altura y diámetro del material en pie. SLR S = e – 0.0344 (SA EXP (0.6413)) donde: SLR S = tasa de pérdida de suelo teniendo en cuenta la silueta de las plantas. SA = área de la silueta de una planta multiplicada por su densidad referida a 1 m2, diámetro y altura (en cm). Tanto los residuos de cultivo planos como en pie, son descompuestos con diferentes coeficien- tes. La temperatura y el número de días con lluvia pueden ser computados en la descomposición de residuos de plantas. El porcentaje de cobertura (SC) se calcula en este caso teniendo en cuenta la masa de residuos planos (M f ) y el factor de conversión de cobertura de masa (mcf). SC = 100 (-e mcf ( Mf)) 30 Los coeficientes de descomposición están ajustados para diferentes cultivos. Las emergencia de las plántulas y el subse- cuente aumento de tamaño de las plantas mejora la cobertura espacial por canopeo. Para convertir la influencia del canopeo de los cultivos en pérdi- da de suelo se utiliza la siguiente ecuación: SLRc = e – 5.614 ( cc EXP (0.7366)) donde: SLRc = tasa de pérdida de suelo teniendo en cuenta el canopeo de los cultivos en crecimiento. cc = fracción de la superficie del suelo cubierto por el cultivo. La estimación de la erosión del suelo requie- re de descripciones precisas de las condiciones de la rugosidad producidas por las labranzas, y de- gradadas por el tiempo. Fryrear (1984) y Saleh & Fryrear (1997, cita- do por Fryrear et al., 1998) desarrollaron para la RWEQ ecuaciones para computar el efecto de la rugosidad que dejan las labranzas. La rugosidad del suelo debido a los agrega- dos puede ser medida utilizando un perfilómetro de agujas (Potter et al., 1990) o el método de la cadena (Saleh, 1993) y determinar así el índice de rugosidad (RR). La siguiente ecuación es utilizada en la RWEQ con el fin de convertir el RR en pulga- das, conociendo la medida de rugosidad median- te el método de la cadena (C rr ). C rr = 17.46 RR 0.738 Zingg & Woodruff (1951), calcularon la ru- gosidad de las crestas del suelo con la siguiente ecuación: K r = 4 ((RH)2 / (RS)) donde: Kr = rugosidad de las crestas del suelo, cm. RH = altura de la cresta, cm. RS = espaciamiento entre crestas, cm. Degradación de la rugosidad del suelo Saleh desarrolló ecuaciones para estimar este parámetro usando el porcentaje de arcillas, las llu- vias acumuladas y el índice acumulado de la erosividad de las tormentas, de la siguiente forma: ORR = e (DF(-0.025(CUMEI EXP(0.31)) – (CUMR EXP(0.567)))) donde: ORR = relación entre el Kr después de la lluvia con el Kr previo a la lluvia. CUMEI = índice acumulado de la erosividad de las tormentas, MJ-mm/ha-h. CUMR = lluvias acumuladas, mm. siendo DF = factor de degradación, como sigue: DF = e EXP (0.943 – 0.07Cl + 0.0011 (Cl2) – 0.674 MO + 0.12 (MO2)) En la RWEQ la ecuación utilizada para la de- gradación de la rugosidad es: RRR = e (DF (-0.0009 CUMEI – 0.0007 CUMR)) donde: RRR = relación entre el Crr antes de la lluvia y el Crr luego de la lluvia. Se había asumido en la RWEQ que una ba- rrera eólica, (una cortina de árboles o herbácea), podía proteger una distancia igual a 10 veces su altura. Sin embargo, posteriormente se desarrolla- ron ecuaciones que tienen en cuenta la densidad óptica, la velocidad del viento, y la distancia a so- tavento. En la RWEQ se utiliza: PUV = 100 e EXP – (OD) 0.423 (DD) –1.098 donde: PUV = porcentaje de velocidad erosiva. OD = densidad óptica (rango de 28 a 100 %). DFD = distancia a sotavento entre barreras. Estudios comparativos de la RWEQ y la WEQ realizados por Fryrear et al. (1999), demostraron, en suelos de 16 localidades de 7 estados en EEUU, que las tasas de erosión calculadas en ensayos con cortinas de árboles, arrojaron valores inferiores con la RWEQ que aquellos estimados con la WEQ, de- bido a que en el primer caso se tienen en cuenta la densidad de la cortina y las condiciones de la superficie del suelo en el período considerado, en cambio la WEQ asume solamente que la zona pro- tegida es igual a 10 veces la altura de la cortina. El conocimiento de la cantidad y calidad de suelo que se erosiona eólicamente, y el ajuste de los parámetros citados en la RWEQ, permitirán plantearse estrategias de manejo adecuadas a cada zona. BIBLIOGRAFÍA AIMAR S.B.; D.E. BUSCHIAZZO & G. CASAGRANDE. 1996. Cuantificaciones de campo de la erosión eólica en suelos de la región semiárida pampeana Central Ar- gentina. Actas del XV Congreso Argentino de la Cien- cia del Suelo, Santa Rosa. 31 ARMBRUST, D.V. 1984. Wind sandblast injury to field crops: effects on plant age. 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