Compactación del suelo en los cultivos de café

La agricultura moderna es cada vez más competitiva y la busca por rentabilidad asociada a la sostenibilidad es constante. Por ello, con el fin de reducir los costos y mejorar la calidad final del producto, los agricultores siempre están buscando innovaciones tecnológicas y una de ellas es la intensificación de la mecanización.
En el cultivo de café, no es diferente, porque para reducir los costos de mano de obra y apoyar los aumentos en la productividad de los cultivos, es necesario intensificar el ingreso de máquinas en todas las etapas, es decir, desde la implementación hasta la cosecha. Por lo tanto, el tráfico de máquinas se produce en momentos inapropiados, a menudo independientemente de las condiciones del suelo y del clima, causando daños y cambios físicos en el suelo y, entre ellos, incluida la compactación (Kondo & Dias Júnior, 1999; Corrêa et al., 2001; Richart et al., 2005).
Algunos eventos pueden agravar o mitigar la compactación del suelo, incluyendo: tipo y frecuencia de carga aplicada; humedad y textura del suelo; estructura del suelo; contenido de materia orgánica, entre otros (Dias Júnior et al., 1994; Dias Junior et al., 1999; Richart et al., 2005).
En las plantas, la compactación causa daños irreversibles, entre los que se encuentran: reducción del tamaño de la planta, patrón de crecimiento irregular y un color de las hojas poco característico. En el sistema radicular, los principales síntomas observados serían raíces malformadas, con aspectos de engrosamiento y crecimiento horizontal pronunciado (Figura 1) (Queiroz-Voltan et al., 2000; Foloni et al., 2003; Rodrigues et al., 2018). Como consecuencia, habrá una reducción en la productividad y en la vida útil de los cultivos de café (Dias Júnior, 2000; Richart et al., 2005; Matiello et al., 2020).

Figura 1. Representación esquemática de una raíz que crece en el suelo bien manejado (izquierda) y otra, una raíz en ambiente compactado (derecha).

La compactación, como resultado de varias pasadas de las máquinas, aumenta la resistencia del suelo a la penetración, reduciendo el crecimiento y el alargamiento de las raíces. Las raíces, pivotantes o axiales se ven afectadas de diferentes maneras y cada una responde individualmente (Moraes et al. 2020). Según los autores, cuando la soja se cultivó en un latosol bajo un sistema de siembra directa con y sin compactación, el crecimiento de las raíces en profundidad se vio gravemente alterado cuando se aumentó el grado de compactación del suelo, especialmente en la capa de 0-20 cm (Figura 2).

Figura 2. Distribución de crecimiento de soja y volumen radicular (RLD) en 2D medido en campo (i) y calculado (ii) y arquitectura simulada (iii) en latosol de cultivo mínimo (a); sistema de siembra directa (b), sistema de siembra directa con 4 pasadas de tractor y ocho pasadas de la cosechadora de soja (d). Adaptado de Moraes et al. (2020).

Además, con la intensidad de compactación y con el aumento del tráfico en el área, la anatomía celular se ve aún más afectada al comparar los diferentes años de cultivo, como por ejemplo el primer año (Figura 3A) comparación con el segundo año (Figura 3B) (Moraes et al., 2020).

A)

B)

Figura 3. A) Anatomia de raízes de soja no primeiro ano de cultivo em sistema de plantio direto (a,b,c) e em solo compactado por colhedora (d,e,f) em um latossolo cultivado por um ano e, B) Anatomia de raízes de soja no primeiro ano de cultivo em sistema de plantio direto (a,b,c) e em solo compactado por colhedora (d,e,f) em um latossolo cultivado por dois anos. Adaptado de Moraes et al., (2020).

El cultivo de café brasileño es un escaparate mundial y lo que se hace aquí se copia en todo el mundo. Sin embargo, para respaldar los récords consecutivos de crecimiento de la productividad y las exportaciones, cada vez es más importante la supervisión de los factores de producción, y la compactación pasa a ser uno de ellos. Por lo tanto, el objetivo de este boletín es guiar, a través de conceptos y aspectos fundamentales de la física del suelo, algunos puntos que se pueden ajustar en el cultivo de café brasileño con el fin de minimizar los impactos de la compactación.

El suelo desde el punto de vista físico

El suelo es un sistema complejo formado por partículas de tamaño, forma y estructura diferentes y con partículas capaces de cubrir una gran área superficial. Según la Física del Suelo, el suelo se considera un sistema heterogéneo y poroso, constituido de 3 fases: fase sólida (mineral y orgánica), fase líquida y fase gaseosa. Cabe recordar que las proporciones de cada una de las fases varían constantemente y dependen de la vegetación, el manejo y el clima.
La fase sólida, en todo momento, está en interacción con el aire, el agua y los fluidos que penetran en los poros del suelo. Por lo tanto, este sistema difícilmente estará en equilibrio (Ferreira et al., 2002). Además, la respiración del sistema radicular de las plantas hace que el sistema suelo-planta sea aún más complejo.
En este boletín, se discutirán algunas características y propiedades que están estrechamente vinculadas a la compactación y que ayudarán en el manejo para minimizar sus efectos en el cultivo de café.

Textura del suelo

Es una de las características físicas más estables y corresponde a la distribución de las partículas en relación con el tamaño, y en este material, se separarán solo en arena, limo y arcilla. La fracción arcillosa es la que más afecta el comportamiento físico del suelo, ya que son las partículas más pequeñas y por lo tanto tienen cargas negativas y positivas, atrayendo así cationes y aniones que contribuyen a la formación y composición de la CTC y CTA del suelo (Ferreira et al., 2002).
La textura del suelo influye significativamente en el manejo de la fertilidad del suelo, ya que las aplicaciones de piedra calcáreo, fósforo, yeso y la subdivisión de las fertilizaciones con el objetivo de aumentar la eficiencia del uso de fertilizantes ocurren considerando esta característica del suelo (CFSEMG, 1999).
Otras formas de manejo, especialmente los manejos considerados conservacionistas y ampliamente usados en los cultivos de café, también se definen en función de la textura, entre las que podemos mencionar la construcción de terrazas, la separación entre líneas y las curvas de nivel (Ferreira et al., 2002).

Estructura del suelo

Se refiere a la disposición de las partículas del suelo y del espacio poroso entre ellas, incluida la forma, el tamaño y la disposición de los agregados formados cuando estas partículas se agrupan en unidades separables (Marshall, 1962). La estructura se puede cambiar si hay un cambio en la disposición de las partículas del suelo ya sea por manejo, actividad biológica o eventos climáticos (Hillel, 1982; Soane, 1990; Ferreira et al., 2002).
Entre algunas funciones, la estructura del suelo es responsable por el almacenamiento de agua, la aireación del suelo, la penetración de las raíces y el soporte de las plantas, el mantenimiento de la temperatura del suelo y, en consecuencia, la actividad biológica y la reserva de nutrientes. Por lo tanto, son necesarios estudios relacionados con la estructura del suelo para ayudar en el manejo y comprender algunas propiedades del suelo (Dias Junior et al., 2000; Ferreira et al., 2002).
Algunos factores pueden afectar la formación o incluso la degradación de los agregados, interfiriendo directamente en la estructura del suelo, entre ellos, podemos mencionar (Ferreira et al., 2002):
I) Cationes del suelo: que pueden causar floculación o dispersión;
II) Materia orgánica: Actúa como agente cementante contribuyendo a la agregación de partículas y que son muy importante para el mantenimiento de la estabilidad;
III) Microorganismos: además de la materia orgánica, actúan como agente cementante de los productos excretados;
IV) Sistema radicular de las plantas: las conformaciones del sistema radicular actúan de manera diferente, porque además de absorber agua del suelo y soportar la planta, las raíces ejercen presiones sobre el suelo que son capaces de abrir pequeñas fisuras y grietas. Además, los exudados radiculares y la muerte de raices promueven la actividad biológica que resulta en la producción de agentes cementantes;
V) Impacto de las gotas de lluvia: Puede hacer que las partículas se desintegren;
VI) Preparación excesiva: puede causar la pulverización del suelo e incluso la compactación;
VII) Temperatura: el aumento de la temperatura provocará la oxidación de la materia orgánica y la pérdida del poder de agregación.

Indicadores de la calidad física del suelo

Con el objetivo de la sostenibilidad agrícola, existe cada vez una creciente conciencia ecológica sobre la calidad del suelo. La capacidad del suelo para proporcionar al sistema radicular de las plantas condiciones favorables para su crecimiento y desarrollo se denomina calidad física del suelo. La estructura es la principal responsable de estas condiciones, siendo determinadas por la disponibilidad de agua, aireación, temperatura y resistencia que el suelo ofrece a la penetración de las raices (Letey, 1985). La condición estructural ideal del suelo es aquella que permita una gran área de contacto entre las raíces y el suelo, con suficiente espacio poroso para el movimiento del agua y la difusión de los gases y que no presente un impedimento mecánico a la penetración de las raíces (Kopi & Douglas, 1991). Y que, en cierto modo, la compactación actúa directa o indirectamente sobre todos estos atributos.
Los indicadores de calidad del suelo deben ser sensibles a las variaciones del clima y el manejo y permitir la supervisión de esas alteraciones a mediano y a largo plazo (Doran & Parkin, 1994). Los principales indicadores físicos a destacar son: densidad del suelo, resistencia a la penetración, porosidad, tasa de infiltración y disponibilidad de agua (Karlen & Stott, 1994).

Densidad del suelo

La densidad del suelo se refiere a la relación entre la masa del suelo secado en el horno y su volumen total respectivo. Es un atributo que refleja la disposición de las partículas del suelo, que a su vez define las características del sistema poroso (Ferreira, 2010), estando estrechamente relacionado con la calidad del sistema de producción (Karlen & Stott 1994). El crecimiento del sistema radicular de las plantas se puede reducir con el aumento de la densidad del suelo debido al impedimento mecánico y reducción de la porosidad resultante de este aumento.
La densidad del suelo y la porosidad total son los atributos físicos del suelo que se usan con frecuencia para caracterizar la compactación del suelo (Panayiotopoulos et al., 1994; Lipiec y Hatano, 2003). Para cada tipo de suelo, especialmente con diferentes texturas, existe una densidad crítica, a partir de la cual la resistencia a la penetración y aireación se vuelve restrictiva o impide el crecimiento de las raíces (Keller y Häkansson, 2010). Reichert et al. (2003) propuso una densidad crítica del suelo para algunas clases de textura: textura arcillosa de 1,30 a 1,40 Mg m-3; textura media de 1,40 a 1,50 Mg m-3; y textura arenosa de 1,70 a 1,80 Mg m-3.

Resistencia a la penetración

La fuerza requerida para empujar un dispositivo para dentro del suelo es una medida de la penetrabilidad del suelo (Lowery y Morrison, 2002). La medición de la penetrabilidad del suelo se realiza con un dispositivo llamado penetrómetro. Los datos obtenidos por el penetrómetro se informan típicamente como la resistencia a la penetración del suelo en términos de fuerza por unidad de área o resistencia a la presión, expresada como un índice de cono (Lowery y Morrison, 2002). Cuando no se dispone de mediciones directas de la resistencia de las raíces, la resistencia a la penetración (PR) usando un penetrómetro es el mejor método para estimar la resistencia al crecimiento de las raíces en el suelo, aunque está sujeto a muchas limitaciones (Bengough et al., 2011). Las investigaciones agrícolas que hacen uso de penetrómetros tradicionalmente involucraban la medición de la PR para evaluar la compactación del suelo y su relación con el crecimiento de las raíces y la productividad de los cultivos (Lowery y Morrison, 2002).
Muchos factores físicos de resistencia a la penetración del suelo influyen en la resistencia a la penetración, que incluyen el contenido de agua, la densidad del suelo, el tamaño de los poros, la estructura y el contenido de arcilla y arena (Taylor et al., 1966). De estos factores, el contenido de agua y la densidad del suelo se consideran críticos (Busscher, 1990; Reichert et al., 2010).
Los estudios han sugerido el uso de la resistencia a la penetración como herramienta para detectar las condiciones físicas del suelo y su relación con la productividad de los cultivos (Whalley et al., 2006; Bölenius et al., 2017). Sin embargo, el establecimiento de límites críticos para el crecimiento de las plantas sigue siendo divergente, especialmente debido a la influencia de la humedad del suelo en el momento de la evaluación y el historial de manejo del área. Moraes et al. (2014) estudiarón el efecto de la resistencia a la penetración en la productividad de la soja y el trigo, encontraron valores límite cercanos a 3,0 y 3,5 MPa para el suelo bajo preparación mínima (escarificación) y el sistema de siembra directa, respectivamente. Otros estudios consideraron el valor de 2,27 MPa (Beutler et al., 2006) y 2,15 MPa (Freddi et al., 2009) como un nivel crítico de PR para la soja. Para el cultivo de café, se ha usado el valor de 3,0 MPa como límite crítico (Serafim et al., 2013).
Con el fin de mejorar el diagnóstico de la compactación del suelo en sistemas agrícolas, Peixoto et al. (2019) proporcionarón una nueva metodología para evaluar el estado físico del suelo usando la resistencia a la penetración.. En esta metodología, no se utiliza ningún límite crítico para definir si un área está compactada o no. La definición es comparar las parcelas con sospecha de compactación con una parcela que sea de referencia. La parcela de referencia debe tener un suelo similar (principalmente en textura), alta productividad y no presentar problemas físicos del suelo. Se realizarán evaluaciones de resistencia a la penetración en la parcela de referencia y en las parcelas bajo sospecha, en un periodo de tiempo que no permita la variación de humedad entre las parcelas (preferencia en el mismo día). Con los resultados en mano, se comparará cada parcela sospechosa con la parcela de referencia. Cuanto más diferentes sean los resultados, más compactada estará la parcela.

Porosidad

La porosidad total del suelo es la porción del volumen del suelo no ocupada por sólidos y actualmente se puede clasificar en microporos (poros con diámetros de < 0,05 mm) y macroporos (poros con diámetros ≥ 0,5 mm) (Kiehl, 1979; Dias Júnior et al., 2000; Ferreira et al, 2002). Los macroporos son importantes para la aireación del suelo y la infiltración de agua, mientras que los microporos son responsables por la retención y el almacenamiento de agua para las plantas.
La compactación del suelo reduce la porosidad del suelo, especialmente los macroporos, causando problemas de aireación, infiltración y permeabilidad del agua en el perfil. La reducción de la aireación por debajo de los niveles críticos provoca una deficiencia en la difusión de gases a lo largo del sistema radicular de las plantas, teniendo un efecto negativo en su desarrollo (Stepniewski et al., 1994). Comúnmente, los valores inferiores a 0,10 m3 m-3 de porosidad de aireación imponen limitaciones al desarrollo completo del sistema radicular de las plantas (Erickson, 1982; Silva et al., 1994). Sin embargo, los estudios muestran que los suelos excesivamente porosos restringen la absorción de agua y nutrientes por las raíces, debido a un menor contacto suelo-raíz, que tiene un efecto negativo en el crecimiento y desarrollo de las plantas (Kooistra et al., 1992; Hakansson et al., 1998).
El manejo del suelo impacta la distribución de los poros por tamaño, afectando así la capacidad de almacenamiento y movimiento del agua en el suelo, el flujo y retención de calor, el desarrollo del sistema radicular, entre otros (Dias Júnior et al., 2000; Ferreira et al., 2002). Vale la pena recordar que la comparación entre suelos con respecto a la porosidad debe ser cuidadosa y siempre tener en cuenta la textura y la estructura de los suelos. Debido a que los suelos arenosos, en su mayor parte, tienen menos agregación, están compuestos predominantemente de macroporos (Ferreira et al., 2002).

Tasa de infiltración de agua y disponibilidad de agua
El proceso por el cual el agua entra en el suelo se llama infiltración. La velocidad con la que esta agua entra en el suelo se refleja en algunos parámetros como la escorrentía superficial y la erosión del suelo.
Muchos factores pueden influir en la velocidad de infiltración del agua en el suelo, tales como: la cubierta vegetal, la porosidad, la conductividad hidráulica del suelo y la humedad presente. Cabe recordar que en suelos secos la tasa de infiltración es mayor y disminuye a medida que se satura y la distribución de humedad en el perfil del suelo sigue un frente de humectación que disminuye a medida que se profundiza en el perfil del suelo (Figura 4) (Dias Junior et al., 2002)

Figura 4. Tasa de infiltración de agua en el suelo en función del tiempo (a) y la distribución de humedad en el perfil del suelo (b). Adaptado de Dias Junior et al. (2000).

Después del final de la lluvia o el riego, el proceso de infiltración de agua en el suelo termina, sin embargo, el movimiento de agua dentro del perfil del suelo no persiste y puede persistir durante mucho tiempo. Las capas superiores del suelo que se humedecieron durante la infiltración no pueden retener esta humedad y, debido a la gravedad, se mueven a las capas más profundas del suelo (Dias Junior et al., 2000).
La humedad del suelo después de este proceso de drenaje superficial se denomina capacidad de campo y depende de la textura, composición y estructura de cada perfil de suelo. Es una evaluación que debe realizarse en campo, ya que no existe un método de laboratorio que pueda reproducir las condiciones en campo. Sin embargo, se deben reconocer las limitaciones de este método. Por lo tanto, es evidente que la capacidad de almacenamiento de agua en el suelo no solo está relacionada con el tiempo, sino también con sus propiedades físicas y de textura (Dias Junior et al., 2000; Ferreira et al., 2002).
Las respuestas biológicas que se producen debido a las condiciones del suelo varían en función del contenido de agua. En el bajo contenido de agua, la disponibilidad de agua, el PR excesivo o el acceso reducido a los nutrientes son factores limitantes. En altos contenidos de agua, la limitación se produce debido a la reducida difusión de gases o aireación del suelo (Silva et al., 2010). El rango de contenido de agua en el suelo en el que son mínimas las limitaciones físicas para el crecimiento de las plantas en términos de disponibilidad de agua, aireación del suelo y resistencia a la penetración se conoce como el intervalo óptimo de agua.
La Figura 5 muestra la variación del intervalo óptimo de agua en función de la densidad del suelo. Se verifica que, para esta condición de un Latosol Rojo distrófico, los valores de densidad inferiores a 1,10 g cm-3 no presentan limitaciones físicas y que la densidad del suelo superior a 1,37 g cm-3 sería un obstáculo para el crecimiento de la raíz (Leão et al., 2004).

Figura 5. Intervalo óptimo de agua en función de la porosidad de aireación, capacidad de campo, punto de marchitamiento permanente y resistencia a la penetración (Sá & Santos Júnior, 2005).

¿Cómo se produce la compactación del suelo?

La compactación se define como la reducción del volumen de suelos np saturados después de la aplicación de una presión externa que cambia las propiedades físicas y mecánicas del suelo que reducen el intercambio de gases del suelo (&Camargo Alleoni, 1997; Lima, 2004). Después de la expulsión del aire, comienza la expulsión de agua de los poros del suelo y este fenómeno se denomina consolidación (Figura 2). La compactación del suelo es causada por el tráfico de máquinas y la gestión inadecuada, que culmina en procesos de degradación del suelo (Ferreira et al., 2002).
La revolución verde aumentó la productividad e intensificó el uso de la tierra y para que esto se hiciera realidad aumentó el uso de máquinas en los cultivos. Con eso también aumentó la compactación de los suelos cultivados, ya que las máquinas son cada vez más grandes y son los principales causantes de la compactación (Richart et al., 2005).
Como ya se discutió en este boletín, el tráfico de máquinas son los principales causantes de la compactación del suelo, incluso en el cultivo de café. La aplicación de cargas tanto dinámicas de las ruedas y como el arrastre causan tensiones en la interfaz suelo-implemento y suelo-neumático (Richart et al., 2005). Por lo tanto, el correcto dimensionamiento de las máquinas, tipos y presión de los neumáticos y, principalmente, entradas con suelo en condiciones ideales son fundamentales para reducir esos impactos. La Figura 6 ilustra algunos ejemplos de lo dicho anteriormente y sus impactos en las diversas capas del suelo.