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Aplicación en el suelo de restos vegetales y sus efectos sobre la agregación, materia orgánica e hidrofobia en cultivos leñosos mediterráneos Soriano, D. 1) , Molina, M. 2) , Roca, N 1) , García-España, L. 1) , Llinares, J. 3) 1) ETSMRE. Universidad Politécnica de Valencia, C/ Blasco Ibañez 10 46010 Valencia [email protected] 2) Centro de Investigaciones sobre desertificación- CIDE (CSIC-UV-GV, Camí de la Marjal s/n 46470 Albal 3) EPSG Universidad Politécnica de Valencia, Ctra. Nazaret-Oliva s/n 46730 Grao de Gandía (Valencia) RESUMEN Se estudia el efecto de la adición de restos vegetales sobre las propiedades del suelo utilizando diversas especies de cultivos mediterráneos: cítrico, madroño, olivo, vid y algarrobo. En el estudio se realiza el seguimiento del proceso de transformación, incorporación y estabilización en el suelo de restos vegetales de estas especies citadas, y su efecto en la formación de agregados estables y en la repelencia al agua El objetivo de este trabajo es relacionar en una experiencia de laboratorio el contenido, el tipo y la distribución de la materia orgánica del suelo con los cambios en la agregación y en la repelencia al agua ocasionada por la adición de residuos, que fueron sometidos durante un periodo de varios meses a ciclos alternantes de humectación y desecación con diferentes manejos que incluyen el mezclado o sólo superposición de los restos vegetales adicionados. La adición de restos vegetales produce un aumento de la estabilidad de los agregados y de la capacidad de retención de agua, y su relación es directa con la cantidad añadida al realizar el laboreo para integrar los restos al suelo. Los agregados del suelo tratado con la mayor dosis adicionada se relacionan con los valores más elevados de repelencia al agua. Mientras que la estabilidad de agregados se relaciona con la cantidad total de materia orgánica incorporada y el manejo del cultivo. Palabras clave: Experiencia de laboratorio, cultivos leñosos, propiedades físicas y químicas en suelos, hidrofobia. 1. INTRODUCCIÓN La incorporación en el suelo de restos vegetales produce la modificación de ciertas propiedades del suelo relacionadas con su actividad microbiana aumentando el contenido de C disponible que procede de los restos vegetales frescos, y dando como resultado la mejora de la estructura (Debano, 2000, Mataix et al, 2004, Chenu et al, 2000, Six et al, 2000). Al mismo tiempo, la repelencia al agua o hidrofobicidad de los suelos depende de una fuerte interacción entre las fracciones minerales y orgánicas. El contenido de materia orgánica condicionará de manera importante el valor de la repelencia, pero no todo el 1

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Aplicación en el suelo de restos vegetales y sus efectos sobre la agregación, materia orgánica e hidrofobia en cultivos leñosos mediterráneos

Soriano, D.1), Molina, M.2), Roca, N1), García-España, L.1), Llinares, J.3)

1) ETSMRE. Universidad Politécnica de Valencia, C/ Blasco Ibañez nº 10 46010 Valencia

[email protected] 2) Centro de Investigaciones sobre desertificación- CIDE (CSIC-UV-GV, Camí de la Marjal s/n 46470 Albal 3) EPSG Universidad Politécnica de Valencia, Ctra. Nazaret-Oliva s/n 46730 Grao de Gandía (Valencia)

RESUMEN Se estudia el efecto de la adición de restos vegetales sobre las propiedades del suelo utilizando diversas especies de cultivos mediterráneos: cítrico, madroño, olivo, vid y algarrobo.

En el estudio se realiza el seguimiento del proceso de transformación, incorporación y estabilización en el suelo de restos vegetales de estas especies citadas, y su efecto en la formación de agregados estables y en la repelencia al agua

El objetivo de este trabajo es relacionar en una experiencia de laboratorio el contenido, el tipo y la distribución de la materia orgánica del suelo con los cambios en la agregación y en la repelencia al agua ocasionada por la adición de residuos, que fueron sometidos durante un periodo de varios meses a ciclos alternantes de humectación y desecación con diferentes manejos que incluyen el mezclado o sólo superposición de los restos vegetales adicionados.

La adición de restos vegetales produce un aumento de la estabilidad de los agregados y de la capacidad de retención de agua, y su relación es directa con la cantidad añadida al realizar el laboreo para integrar los restos al suelo. Los agregados del suelo tratado con la mayor dosis adicionada se relacionan con los valores más elevados de repelencia al agua. Mientras que la estabilidad de agregados se relaciona con la cantidad total de materia orgánica incorporada y el manejo del cultivo.

Palabras clave: Experiencia de laboratorio, cultivos leñosos, propiedades físicas y

químicas en suelos, hidrofobia.

1. INTRODUCCIÓN La incorporación en el suelo de restos vegetales produce la modificación de ciertas propiedades del suelo relacionadas con su actividad microbiana aumentando el contenido de C disponible que procede de los restos vegetales frescos, y dando como resultado la mejora de la estructura (Debano, 2000, Mataix et al, 2004, Chenu et al, 2000, Six et al, 2000).

Al mismo tiempo, la repelencia al agua o hidrofobicidad de los suelos depende de una fuerte interacción entre las fracciones minerales y orgánicas. El contenido de materia orgánica condicionará de manera importante el valor de la repelencia, pero no todo el

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carbono orgánico es repelente, y en ocasiones influye en mayor manera más que la totalidad de compuestos orgánicos, sus características traducidas como calidad de materia orgánica, siendo este parámetro el que incidirá más directamente sobre el efecto de hidrofobicidad.

Doerr et al. (2000) reúnen los compuestos responsables de la repelencia al agua en el suelo en dos grandes grupos: El primero, compuesto por hidrocarburos alifáticos que son sustancias formadas por hidrógeno y carbono, con los carbonos distribuidos en cadenas largas. Estos compuestos son no polares y, en consecuencia, son casi insolubles en agua. El segundo grupo está formado por compuestos de estructura anfifílica, es decir que son compuestos que tienen una parte terminal polar y otra no polar. La parte terminal polar es hidrofílica, en tanto que la no polar es hidrofóbica. En este sentido la espectroscopia IR es una herramienta para predecir la composición orgánica y la consecuente respuesta hidrofóbica.

La bibliografía consultada indica que la repelencia se origina por los cambios en las magnitudes de las fuerzas intermoleculares eléctricas que actúan en la interfase de sólido-liquido-gas, y que existe una relación positiva entre el contenido y tipo de materia orgánica y la repelencia, así como con el tamaño de partículas mayoritario en los suelos, indicando que las fracciones más repelentes de los suelos son las más pequeñas, por lo que se apunta a una relación entre la repelencia del suelo y la estabilidad de sus agregados.

Otro factor que puede tenerse en cuenta es el manejo, el cual afecta a la repelencia, siendo esta menor cuando los efectos mecánicos debido al laboreo son más intensos.

Los objetivos del presente trabajo consisten en estudiar en una experiencia de laboratorio con remoción o sin ella, el efecto de la adición de restos vegetales de especies de cítrico, madroño, olivo, vid y algarrobo. Para ello estudiamos los cambios en la agregación, en la retención de agua, y realizando observaciones sobre la repelencia al agua, relacionando estas propiedades con el contenido de C orgánico del suelo enmendado con dosis crecientes de residuos vegetales triturados, que han sido sometidos a ciclos alternantes de humectación, desecación y mezclado o sólo deposición de la materia orgánica con la mineral durante un periodo de varios meses.

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2. METODOLOGÍA.

3. El trabajo se ha realizado utilizando un suelo con bajo contenido de materia orgánica y una textura arenoso franca, con bajo contenido en carbonatos. Al suelo colocado en macetas se le añadieron distintas proporciones de hoja triturada (5 y 10%) de las especies leñosas de cultivos mediterráneos: vid, olivo, cítrico, madroño y algarrobo. Se ha acelerado el proceso de descomposición de la materia orgánica e interacción con el suelo mediante ciclos de humectación-desecación en condiciones controladas de laboratorio. Se adiciona agua al 60-90% de su capacidad de retención (curvas humedad), evitando la lixiviación. Se realiza la desecación en estufa de aire a 30ºC. El diferente manejo de las muestras se obtiene con o sin remoción en la muestra seca cada vez que se saca de la estufa antes de la adición de agua (Peris et al., 2007).

Tras este proceso con una duración de 2 meses aproximadamente, las muestras de suelo son secadas al aire y tamizas a 2mm de diámetro. La materia orgánica se determina mediante el método de Walkey y Black (Walkey, 1934). en presencia de ácido sulfúrico, y valorando el exceso de dicromato con sulfato ferroso (Sal de Mohr). Como test de estabilidad de agregados se utiliza el drop test (Imeson y Vis, 1984). El test de repelencia al agua (Hidrofobicidad de la materia orgánica) consiste en calcular el tiempo que tarda el suelo con materia orgánica en absorber una gota de agua (WDPT) o de etanol a distintas concentraciones (MED) 3%, 6%, 12% y 24% (Doerr, 1988).

Para el fraccionamiento de la materia orgánica del suelo y de los residuos vegetales añadidos, las muestras se trataron con NaOH (0,1 M) en proporciones 1:10, en agitación continua durante 2 horas. El extracto (ácidos fúlvicos y húmicos) se obtuvo mediante centrifugación (30 minutos a 5000 rpm). El proceso se repitió varias veces. Los ácidos húmicos se separaron por acidificación a pH 1 con H2SO4, coagulación durante 24 horas a temperatura ambiente y posterior centrifugación.. El contenido de C orgánico total en el suelo y en cada fracción se determinó mediante el método de Walkley-Black. Por este mismo método se determinó el contenido de C en las huminas hidrolizadas en medio ácido (H2SO4 concentrado). Es estudio IR se realiza utilizando un Espectrómetro IR BRUKER Equins 55. El análisis cuantitativo se hace midiendo la absorbancia de ciertas bandas, y la mínima superposición con las bandas de otras especies que puedan estar presentes.

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. El suelo utilizado para la experiencia posee una textura arenoso franca, con pH neutro, escaso contenido en carbonatos, y bajos valores de capacidad de intercambio catiónico.

Los resultados de la experiencia respecto al contenido en materia orgánica indican que el tipo de tratamiento ejercido en el suelo funciona modificando los distintos aportes realizados. Tras los dos meses de riego y transformación de la materia orgánica en superficie, y considerando los resultados que se indican en la figura 1, se observa, que las hojas de algarrobo, madroño y cítrico son las que más materia orgánica aportan tras el tratamiento 10REM. Se observa en todos los casos que la cantidad de carbono se relaciona con el tratamiento realizado, y la dosis de hoja añadida en la proporción creciente 5REM, 10REM y 10NREM.

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1

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1 2 3tratamiento

% MO .

0

50

100

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Mediana estabilidad agregados

MO% olivo

MO% vidMO% algarrobo

MO% cítricoMO% madroño

Mediana olivoMediana vid

Mediana algarroboMediana citrico

Mediana madroño

Figura 1. Representación del contenido medio materia orgánica y de la mediana obtenida en la estabilidad de los agregados en el suelo adicionado de hojas de cítrico, madroño, olivo, vid y algarrobo tras los tratamientos 1) 5REM, 2) 10REM y 3) 10NREM.

Los resultados del test de la gota muestran diferencias en el suelo en función del tipo de aporte y el tratamiento recibido. En general, los restos de madroño, cítrico y vid son los que mejor estabilizan el suelo. En las muestras removidas a mayor adición de residuos mayor estabilidad de los agregados (10REM), principalmente en el suelo adicionado de restos de hojas de algarrobo con valores de la mediana 10 y 20 veces superiores al duplicar la adición de residuos.

5%REM

0

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0 20 40 60 80 100

%AGREG. SUPERVIVIENTES

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VID ALGARROBO OLIVO CITRICOS MADROÑO

10%REM

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50

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200

0 20 40 60 80 1

%AGREG. SUPERVIVIENTES

Nº I

MPA

CTO

S

.

00

VID ALGARROBO OLIVO CITRICOS MADROÑO

Figura 2. Representación de la estabilidad de agregados en la muestras adicionadas de hojas de cítrico, madroño, olivo, vid y algarrobo tras los tratamientos 5REM y10REM. Un aumento en el contenido de materia orgánica eleva en general los valores de estabilidad de agregados, pero se obtienen diferencias en función del tipo de manejo en el suelo, dado que la remoción hace que los agregados que se originan presenten diferente composición. En el caso del NREM su composición mayoritariamente está formada por restos de hoja triturada y transformada, mientras que en el caso del tratamiento REM, la materia orgánica transformada de la hoja se incorpora en mayor medida al suelo aumentando las fuerzas de unión que mantienen su estabilidad. Las correlaciones

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obtenidas presentan significación cuando se consideran sólo las muestras REM disminuyendo el valor de R2 cuando se consideran las muestras NREM (figura 3).

y = 26,831x - 37,185R2 = 0,6052

0

50

100

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200

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0 1 2 3 4 5 6 7 8% MO

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--- 5 10REM 10NREM 10REM

--- 5

Figura 3. Correlación entre el contenido de materia orgánica y los valores de la mediana en la estabilidad de agregados considerando o sin considerar las muestras NREM en el suelo adicionado de hojas de cítrico, madroño, olivo, vid y algarrobo.

En todas las muestras el aumento en la concentración de etanol disminuye el tiempo de absorción de la gota, siendo en el caso de los suelos adicionados de hojas romero aquellos en los que los valores de repelencia son más elevados (figura 4).

0

100

0 5 10 15 20 25 30

Concentración de etanol (% vol)

Tie

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5REM 10REM 10NREM

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Tie

mp

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eg

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5REM 10REM 10NREM

Vid

Figura 4. Correlación entre el tiempo de absorción (seg) y la concentración de etanol para las muestras %REM, 10REM y 10NREM en los suelos adicionados de hojas de olivo y vid.

En la experiencia podemos observar como la diferente naturaleza del material orgánico afecta a la respuesta, debido a que en algunas especies vegetales es posible encontrar componentes orgánicos de cadenas más largas que muestran propiedades hidrófobas mayores que otras, lo que permite hablar de “calidad” de materia orgánica desde el punto de vista de la hidrofobicidad.

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10000

20000

0 5 10 15 20 25 30

Concentración de etanol (% vol)

Tiem

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Concentración de etanol (% vol)

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5REM 10REM 10NREM 5REM 10REM 10NREM

Cítrico

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Concentración de etanol (% vol)

Tiem

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Madroño

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Figura 5. Correlación entre el tiempo de absorción (seg) y la concentración de etanol para las muestras %REM, 10REM y 10NREM en los suelos adicionados de hojas de algarrobo, cítrico y madroño.

Se han relacionado los valores de materia orgánica oxidable en los tres tratamientos frente a la respuesta hidrofóbica. Las correlaciones obtenidas en el estudio muestran en todos los casos, la relación directa con los datos obtenidos en el test de repelencia, observándose una mayor incorporación de materia orgánica en el caso de las muestras NREM, así como una misma pauta en los resultados obtenidos en las muestras REM, por lo que podemos decir que en los resultados se plasma tanto el efecto de la adición de residuos como el efecto del manejo, dado que al remover los restos vegetales se transforman e incorporan con mayor rapidez al suelo aumentando el contenido de materia orgánica, mientras que en los suelos sin remover las condiciones anaerobias disminuyen la transformación de la materia orgánica al suelo. La bibliografía consultada indica la existencia de una estrecha relación entre la estabilidad de los agregados y el potencial de humectación. Los suelos cuyo manejo mantiene la hidrofobicidad, presentan agregados estables. La figura 8 muestran los contenidos de humina, ácidos húmicos y ácidos fúlvicos en las muestras de suelo adicionadas con las hojas de las correspondientes plantas.

0

1

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OLIVO VID ALGARROBO CITRICO M ADROÑO

%C

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5% REM 10% REM N REM

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OLIVO VID ALGARROBO CITRICO MADROÑO

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FU

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5% REM 10% REM N REM

Figura 6. Valores del porcentaje de carbono obtenido por oxidación en la fracción humina, ácidos húmicos y ácidos fúlvicos en los respectivos tratamientos. La materia orgánica en las diferentes fracciones orgánicas aumenta en relación al contenido de materia orgànica total. Tanto para la fracción humina como para los ácidos húmicos, los contenidos más altos corresponden al tratamiento NREM, relacionándose directamente en los tratamientos REM con la cantidad de restos añadidos. Los valores más elevados de ambas fracciones de corresponden con la adición de hojas de madroño y cítrico. Estudio de la materia orgànica del suelo por medio de espectroscopia de infrarrojos. Comparando los espectros REM y NO REM se observa en estos últimos en general una menor intensidad de las bandas en conjunto, aúnque aparece en ellos una gran deformación en la región del 4000 al 2000 cm-1,debido a la formación de otras sustancias organicas a partir de sustancias simples que implican los grupos OH y NH con polisacáridos (señales al 2920 cm-1) y grupos C=O carbonilo de los ácidos y esteres alifáticos con señales a 1700 cm-1 , esto ocurre principalmente para los suelos con hojas de viña y algarrobo.

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10REM

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400100016002200280034004000Longitud de onda (nm)

Inte

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ALGARROBO CÍTRICO MADROÑO OLIVO VIÑA

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Longitud de onda (nm)

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.a.)

ALGARROBO CÍTRICO OLIVO VIÑA MADROÑO

Figura 7. Espectroscopía IR del suelo en las muestras adicionadas de restos vegetales de cultivos leñosos 5REM y 10REM. En las figuras 8 y 9 se muestran como ejemplos los espectros correspondientes a ácidos fúlvicos de las muestras de estudio. En cada uno de los gráficos se recogen los espectros correspondientes a las muestras a 5 y 10% de hoja adicionado con y sin remoción. Los espectros correspondientes a ácidos fúlvicos y húmicos indican que los grupos funcionales más abundantes en este tipo de sustancias húmicas solubles son aquellas que presentan las señales de absorción en la región centrada a 3400 cm-1(OH y NH) marcando bandas amplias tanto en ácidos húmicos como fúlvicos. A 1200 cm-1 aparece una señal intensa debido a esteres alifáticos y aromáticos. La presencia de grupos C=O carbonilo de los ácidos y esteres alifáticos y aromáticos se confirma con la señal a 1700 cm-1 siendo el suelo adicionado de hojas de viña los que presentan menor intensidad de esta señal.

Para los ácidos fúlvicos se observa una mayor intensidad y diferenciación de los picos característicos en la región de 1200 cm-1 a 900 cm-1 atribuida a compuestos con nucleos aromáticos y cadenas alifàticas enlazadas a los anteriores. Este resultado nos indica distinta composición de los àcidos fúlvicos y húmicos, probablemente estos últimos con estructuras más complejas formada por una mayor proporción de polisacáridos.

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Figuras 8 y 9. Espectros IR de la fracción ácidos fúlvicos de las muestras.

Figuras 10 y 11. Espectros IR de la fracción àcidos húmicos de las muestras.

Las huminas del suelo con hojas de olivo, viña y madroño contienen mayor proporción de derivados lignocelulósicos/arcilla que el resto indicando una menor transformación y utilización microbiana de la fracción orgànica más resistente a la degradación. En las muestras REM hay menos proporción de polisacáridos/arcilla y lignoderivados/arcilla que en la N REM posiblemente a causa del proceso de oxidación debido a la aireación después de la mezcla o de los compuestos orgánicos que están libres, y no forman un complejo arcillo-humico tan estable como en el REM. La mayor intensidad de la banda de los grupos carboxil-amida, puede estar indicando diferencias ligeramente más favorables en los procesos biológico-edáficos y de nitrógeno potencialmente disponible para las plantas en el caso de los suelos REM. La proporción de polisacàridos en las huminas de la adición 10% respecto de la proporción de grups OH es menor que en la 5% a causa de una mayor interacción microorganismos-arcilla pequeño, e indica mejores procesos de interacción entre coloides orgánicos e inorgánicos bajo el manejo REM frente del NO REM. DISCUSIÓN Relación entre estabilidad de los agregados, contenido de materia orgánica y repelencia inducida en los distintos tratamientos de manejo.

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El mayor grado de transformación de los restos vegetales y el mayor grado de humificación en la hoja transformada sobre la superficie del suelo, además de afectar al contenido y la estabilidad de la materia orgánica que se incorpora al suelo, también condicionará la respuesta hidrológica de éste. Entre estos parámetros podemos mencionar la repelencia al agua de algunos restos vegetales. Numerosos autores conocen el efecto de la repelencia que producen sobre el suelo distintas especies vegetales. La materia orgánica fresca procedente de los restos vegetales es, por naturaleza, hidrófoba. Su composición es uno de los parámetros que influyen en la hidrofobicidad. Otro de ellos es su grado de transformación (Ellies et al, 2003, Ellerbrock et al, 2005). Los resultados anteriores indican que la mayor transformación de los restos vegetales de las hojas producen en las muestras con menor aporte orgánico valores más bajos del contenido en materia orgánica. Hay que tener en cuenta que, una mayor hidrofobicidad de los restos en superficie unida a las características de drenaje del suelo puede modificar a largo plazo la respuesta del suelo enmendado con este tipo de materia orgánica. Comparando los resultados de los contenidos de materia orgánica obtenidos con la estabilidad de los agregados, se observa que la tendencia es directa entre ambos parámetros. Podemos indicar que en la estabilidad de los agregados influye el contenido en materia orgánica, el tipo de materia orgánica presente en las muestras, debido como se ha mencionado anteriormente a la diferente naturaleza de los agregados formados. Por otra parte es posible relacionar el contenido en materia orgánica con el factor manejo a nivel de tendencias, debido a los efectos mecánicos causados por el laboreo y su influencia sobre la estabilidad de los agregados (Puget, et al 2000). Si comparamos los tratamientos extremos observamos que los valores menores de repelencia, medidos por una menor concentración de alcohol para la que la muestra resulta mojable, se obtienen para el tratamiento 5REM (6% etanol) y se corresponden en general con los menores valores del test de estabilidad. El otro extremo es el tratamiento 10NREM, con una concentración de etanol de 24% para que la muestra sea mojable, y, por tanto mayor repelencia que en el tratamiento 5REM. De la misma forma, el número medio de gotas para las especies estudiadas es de 113, mucho mayor que el del tratamiento 5REM. El tratamiento intermedio 10REM, se sitúa en el extremo en cuanto a los test de repelencia y estabilidad. Es decir, existe una correspondencia entre la repelencia de las muestras al agua y la estabilidad de los agregados que indica que cuanto mayor es la cantidad de restos vegetales mayor es la repelencia y que es esta repelencia al agua la que impide la ruptura de los agregados al ser sometidos al impacto de la gota de lluvia. Estas relaciones indican que los tratamientos REM están relacionados en el mismo sentido con la repelencia, obteniéndose una relación materia orgánica-estabilidad de agregados-repelencia al agua ligada a distintos tipos de manejo. Los resultados obtenidos indican que los contenidos de materia orgánica más bajos son los del tratamiento 5REM (media 4.2%), es decir, con menor proporción de restos añadidos y mezcla y remoción de éstos que facilitan la oxidación y pérdida parcial de los restos de materia orgánica añadidos. Este resultado se corresponde con los valores del test de la gota más bajos y, por tanto, los agregados menos estables. Los valores de materia orgánica más altos obtenidos son los del tratamiento 10REM, que también se corresponden con el mayor valor medio para las tres especies de la mediana del número de gotas necesario para romper los agregados (165 gotas) y, indicando mayor estabilidad. En el tratamiento 10NREM, los contenidos de materia orgánica son los más elevados, pero la estabilidad de los agregados disminuye al cambiar la naturaleza de éstos (62 gotas).

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5. CONCLUSIONES

En el estudio de las propiedades del suelo adicionado con los restos vegetales de las especies de cultivos estudiados: madroño. vid, olivo, algarrobo y cítricos en diferentes condiciones de manejo los resultados del estudio de la estabilidad de agregados realizado en nuestras muestras indican que son los dos tratamientos extremos, es decir, los de menor proporción de restos añadidos y remoción con el suelo y los de mayor proporción y sin remoción, los que producen mayores diferencias en los valores de estabilidad de los agregados. Se relaciona la repelencia inducida por los restos vegetales, y el contenido de materia orgánica con la estabilidad de los agregados en las muestras estudiadas, Este resultado indicaría, por un lado, un efecto de la cantidad de restos añadidos, de forma que a mayor cantidad añadida mayor estabilidad, y, por otro, un efecto del manejo con y sin mezcla, con mayor efecto estabilizador en el segundo caso. Este último efecto podría ser considerado como el resultado indirecto de un aumento de la concentración de restos a causa de una menor pérdida de materia orgánica por oxidación y liberación de CO2, que se produce con más intensidad en el caso de remoción y mezcla.

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