Mecanismos de emisión de partículas finas (PM_10) por erosión eólica en suelos agrícolas de Argentina

Abstract

La erosión eólica es uno de los procesos de degradación del suelo más importante en ambientes áridos y semiáridos de todo el mundo, incluyendo la pampa semiárida Argentina. El proceso de erosión involucra, al menos, dos mecanismos de transporte de material: saltación, que representa más del 85% de la erosión total del suelo, y suspensión, que forma plumas de polvo. Existe una interacción entre ambos procesos, ya que la suspensión depende, en gran medida, de la magnitud de la saltación porque ésta define la energía con la cual las partículas transportadas impactan sobre el suelo y, por ende, la magnitud de la emisión. La mayoría de los estudios que analizan la relación entre ambos tipos de transporte se han desarrollado considerando materiales de saltación únicos, generalmente granos de arena de tamaños uniformes. Existe poca información acerca de los mecanismos de transporte en suelos, en los cuales la composición de la fracción de saltación puede ser variable (desde granos minerales individuales a agregados), modificándose, por ende, sus efectos sobre la suspensión. Esto involucra el interrogante de cómo es la evolución de ambos procesos en función de la distancia recorrida por el viento. A fin de responder este interrogante se desarrollaron estudios en condiciones controladas de túnel de viento en suelos de texturas contrastantes, en los que se evaluó el efecto de la composición de la fracción de cada suelo sobre los transportes de saltación y suspensión. La suspensión se midió a través de la emisión de PM10 (partículas con tamaños ≤10 μm). Adicionalmente, la relación entre ambos transportes se analizó a partir de estudios desarrollados en condiciones de campo en los que se registraron eventos de erosión eólica, en dos suelos texturalmente distintos. Los resultados indican que la erosión aumentó al incrementarse la energía de impacto de las partículas en saltación y al disminuir la tasa de agregación de la fracción de saltación, es decir en suelos arenosos, cuya fracción de saltación estaba formada principalmente por granos de arena. En suelos texturalmente finos, con una fracción de saltación compuesta predominantemente por agregados, se produjo menor erosión debido a su menor energía de saltación. La erosión relativa (ER, cociente entre la erosión con y sin saltación) fue mayor en suelos de textura fina que en suelos arenosos, indicando que el proceso de saltación tuvo mayor efecto relativo en suelos texturalmente finos que en arenosos, en los cuales la erosión se debió, mayormente, a la alta susceptibilidad natural de los suelos a erosionarse. En los suelos texturalmente finos la erosión se debió, mayormente, a la fragmentación de agregados. La eficiencia de saltación, parámetro que describe la capacidad que tienen los suelos para emitir partículas finas (PM10), fue explicada satisfactoriamente por las características intrínsecas de la fracción de saltación y de la superficie de cada suelo. La combinación de parámetros que relacionaron tales características (energía de abrasión, estado de agregación, proporción relativa de PM10 y de partículas potencialmente movilizadas por saltación) resultaron ser buenos indicadores del potencial de los suelos para emitir PM10. Suelos de textura fina, con mayores grados de agregación y de contenidos de PM10, presentaron mayor capacidad de emitir PM10 que suelos de texturas intermedias y arenosas, debido a su alta proporción de agregados en su fracción de saltación. El principal mecanismo de emisión de PM10 de los suelos finos fue la fragmentación y destrucción de los agregados movilizados por saltación, mientras que en suelos arenosos, lo fue la liberación de partículas de material fino adheridas a los granos de arena (LPA) y la movilización de material fino yacente sobre la superficie del suelo. En suelos de textura intermedia ocurre un solapamiento de ambos mecanismos. La emisión total de PM10 se incrementó en función de la distancia en los tramos iniciales de su recorrido (50 m) en mayor medida en el suelo arenoso que en el franco debido al alto flujo de material transportado por saltación. La alta energía de impacto de las partículas en saltación produjo un mayor rompimiento de agregados en el suelo arenoso, con mayor susceptibilidad a ser erosionado. Hubo cambios en la composición del material movilizado por saltación en función de la distancia recorrida en los distintos suelos. En el suelo franco, la proporción de agregados disminuyó con la distancia recorrida debido a la destrucción progresiva de los agregados. Hubo un aumento sostenido de la cantidad de material transportado por saltación con la distancia, indicando que la destrucción de los agregados provocó altas tasas de emisión de PM10. En el suelo arenoso estos cambios fueron menos evidentes, indicando que la liberación de PM10 por destrucción de agregados fue menor. Las variables meteorológicas afectaron de forma diferencial, en los distintos suelos, a las emisiones de PM10. Sin embargo, se comprobó que la velocidad máxima del viento (ráfagas) y la humedad relativa del aire fueron las variables meteorológicas que afectaron de forma más significativa los procesos de emisión de PM10 en ambos suelos. La influencia de dichas variables estuvo condicionada por factores edáficos como textura y condiciones de la superficie al momento de producirse el evento erosivo.

Wind erosion is one of the processes of soil degradation more important in arid and semi-arid environments around the world, including the semiarid pampa of Argentina. The erosion process involves, at least, two mechanisms for transport of material: saltation, representing more than 85% of the total erosion of soil, and suspension, which forms dust clouds. There is an interaction between both processes, suspension depends, largely, of the magnitude of the saltation because this defines the energy with which transported particles have an impact on the soil and, hence, the magnitude of the emission. Most of the studies that analyse the relationship between the two types of transport have been developed considering saltation materials as singles, usually sand grains of uniform sizes. There is little information about the transport mechanisms in soils, in which the composition of the saltation fraction can be variable (from individual mineral grains to aggregates), changing, therefore, their effects on the suspension. This involves the question of how it is the evolution of both processes according to the distance covered by the wind. In order to answer this question were developed studies in controlled conditions of wind tunnel in soils of contrasting textures, in which it was evaluated the effect of the composition of the saltation fraction of each soil on the transport of saltation and suspension. The suspension was measured through the emission of PM10 (particles with sizes ≤10 μm). In addition, the relationship between the two transport was analyzed from studies developed in field conditions where wind erosion events were registered in two different textured soils. The results indicate that erosion increased with increasing impact energy of particles in saltation and decrease the rate of aggregation of the saltation fraction, ie in sandy soils, which fraction saltation was composed mainly of sand grains. In fine textural soils, with a saltation fraction composed predominantly of aggregates, there was less erosion due to its lower energy saltation. The relative erosion (ER, ratio between erosion with and without saltation) was higher in fine-textured soils than in sandy soils, indicating that the process of saltation had greater relative effect on fine textural soils than in sandy soils, where erosion it is, mainly, due to high natural susceptibility of soils to wind erosion. In fine soils, the erosion was, mostly, due to the fragmentation of aggregates. The saltation efficiency, parameter that describes the capacity of the soil to emit fine particles (PM10), was explained satisfactorily by the intrinsic characteristics of the saltation fraction and of the surface of each soil. The combination of parameters that related such characteristics (abrasion energy, state of aggregation, relative proportion of PM10 and particles potentially mobilized by saltation) proved to be good indicators of the potential of the soil to emit PM10. Fine textured soils, with higher levels of aggregation and content of PM10, presented a higher capacity to emit PM10 that intermediate and sandy soils, due to its high proportion of aggregates in the saltation fraction. The main mechanism of PM10 emission in the fine textured soils was the fragmentation and destruction of the aggregates mobilized by saltation, while in sandy soils, it was the release of particles of fine material adhering to the sand grains (LPA) and mobilization of fine material lying on the soil surface. In intermediate textured soils occurs an overlap of both mechanisms. The total emission of PM10 increased according to the distance in the initial stretches of its trip (50 m) to a greater extent in the sandy that in the loam soil due to the high flow of material transported by saltation. The high impact energy of the particles in saltation produced a greater breakdown of aggregates in sandy soil, with greater susceptibility to be eroded. There were changes in the composition of the material mobilized by saltation depending on the distance travelled in the different soils. In the loamy soil, the proportion of aggregates decreased with distance due to the progressive destruction of the aggregates. There was a sustained increase in the amount of material transported by saltation with the distance, indicating that the destruction of aggregates caused high rates PM10 emission. In the sandy soil these changes were less evident, indicating that the release of PM10 by destruction of aggregates was lower. The meteorological variables affected differentially, in different soils, the PM10 emissions. However, it was found that the maximum wind speed (gusts) and air relative humidity were the meteorological variables that affected more significantly the PM10 emission processes in both soils. The influence of these variables was conditioned by edaphics factors such as soil texture and a surface condition at the time of the erosive event occurs.