Introducción

La distribución de tamaño de partículas (DTP) se refiere a la proporción relativa de las fracciones minerales del suelo (arcilla, limo, arena muy fina, arena fina, arena media, arena gruesa y arena muy gruesa), cuya combinación da origen a las clases texturales. Es una propiedad muy relevante, ya que de esta depende el comportamiento físico de los suelos. La permeabilidad, la consistencia, la capacidad de intercambio de iones, la retención de agua, la distribución de tamaño de poros, la infiltración y la estructura, son algunas de las características del suelo que en gran medida dependen de ella (^{Gabriels y Lobo, 2006}).

Cabe destacar que la distribución de las fracciones de partículas del suelo se ha utilizado para la estimación de otras propiedades mecánicas e hidráulicas de los suelos (^{Arya et al., 1981}; ^{Hwang y Powers, 2003}; ^{Nemes y Rawls, 2004}; ^{Salarashayeri y Siosemarde, 2012}).

^{Jensen et al. (2017)} destacan la importancia de realizar estimaciones confiables de las fracciones de partículas de los suelos, debido a que el uso de funciones de pedotransferencia es cada vez más abundante, para lo cual se usan valores de referencia del análisis convencional de la textura del suelo para predecir las características del agua del suelo, transporte de solutos y densidad de partículas. La distribución del tamaño de partículas (DTP) no es solo un parámetro clave de las funciones de pedotransferencia (PTF), sino que además es la base de la clasificación petrológica de los sedimentos sueltos (limos, arenas, gravas, etc.) (^{Kovács et al., 2006}).

Es importante tener en cuenta que los suelos pueden contener concentraciones importantes de agentes cementantes, los cuales llevan a la formación de microagregados que operan como partículas más gruesas (pseudolimos o pseudoarenas) que pudieran enmascarar la granulometría del suelo (^{La Manna et al., 2016}). Sin embargo, la distribución de tamaño de partículas, eliminando completamente estos agentes, supone un comportamiento diferente al que ocurre en la naturaleza, razón por la cual en estudios de física de suelos se prefiere no realizar la eliminación de tales agentes (^{Gabriels y Lobo, 2006}; ^{Pla, 2010})

La cuantificación de las partículas minerales puede realizarse mediante métodos basados en la sedimentación de las partículas (para partículas con diámetro equivalente menor de 50 μm), así como por el método de los tamices (para partículas con diámetro equivalente mayor de 50 μm). El método de sedimentación de las partículas se fundamenta en la Ley de Stokes para partículas sólidas que caen dentro de un fluido viscoso, cuya fórmula para calcular la velocidad de sedimentación de las partículas es la siguiente:

Donde v es la velocidad de sedimentación (cm/ seg); d es el diámetro de las partículas (cm); g es la aceleración de gravedad (cm/seg2); ρp y ρa son las densidades de las partículas sólidas y del líquido o agua, respectivamente (g/cm3); y η es la viscosidad del fluido (poise).

Los métodos tradicionales más conocidos para determinar la distribución de tamaños de partículas son ampliamente utilizados en los diferentes campos de interés: ciencias agrícolas, geotecnia, hidrología, etc. (^{Forsythe, 1985}; ^{Pla, 1983}; ^{Kovács et al., 2006}). Dentro de estos métodos se mencionan:

El método de la pipeta: Durante la prueba se toman varias veces, a una profundidad determinada, pequeñas cantidades de la suspensión de suelo (muestras) que se depositan en un cilindro con una pipeta especial (pipetas tipo Andreasen o Köhn). El contenido de sólidos de las muestras se mide después del secado. La distribución del tamaño de las partículas se calcula a partir del peso de las partículas en la serie de muestras tomadas (^{Day, 1965b}; ^{Gee y Bauder, 1986}).

El método del hidrómetro: Mediante el cual se mide la densidad promedio de las partículas en suspensión frente al tiempo durante el proceso de sedimentación con base en la Ley de Stokes (^{Day, 1965a}; ^{Gee y Bauder, 1986}).

^{Kovács et al. (2006)} también hacen referencia a los siguientes métodos:

Medición con escala de sedimentación: La báscula de sedimentación es una báscula especial con un plato hundido en la suspensión, que mide el peso de las partículas recién asentadas en el plato. La curva de DTP se calcula a partir de la serie de datos de peso vs. tiempo registrados.

Métodos de contracorriente: Están basados en sistemas de contracorriente. Algunos de ellos usan aire, y otros usan diferentes líquidos con velocidad de flujo variable contra la sedimentación de partículas. La separación de las fracciones de partículas se realiza utilizando diferentes velocidades de flujo; las partículas que tienen una velocidad de sedimentación más alta que la contracorriente se recogen y miden.

El método Bouyoucos como protocolo para determinar la textura, cuya última versión es de 1962 (^{Bouyoucos, 1962}), ha sido modificado desde su creación en 1927 por Bouyoucos en 1929, y también fue comparado en 1934, por el mismo autor, con el método de la pipeta (^{Bouyoucos, 1936}).

El método de la pipeta involucra una serie de pretratamientos (^{Day, 1965b}), tales como remoción de la materia orgánica (con peróxido de hidrógeno); remoción de carbonatos y sales solubles (con NaOAc 1M pH 5); remoción de óxidos de hierro (con ditionito de sodio [Na2S2O4] y solución amortiguadora de citrato bicarbonato). Este método es el recomendado en estudios de génesis, caracterización y clasificación de suelos en los que se requiere una estimación precisa del contenido de arcilla de los horizontes genéticos de un suelo (^{Buol et al., 1973}; ^{Pla, 2010}). Incluso se recomienda la disolución del alófano con citrato y ditionito, de acuerdo con la metodología propuesta por ^{Espinoza (1969)}.

Dada la poca información sobre las fracciones granulométricas que ofrece el método original de Bouyoucos, pero que es requerida para estudios que tienen que ver con el comportamiento físico del suelo y la vulnerabilidad a la degradación, entre otros, se planteó como objetivo de la presente investigación la determinación y comparación de las fracciones granulométricas aplicando dos métodos analíticos (Bouyoucos y Bouyoucos-Day) y siguiendo los protocolos estandarizados. Por otro lado, se escogieron esos métodos debido a la complejidad en la determinación de estas variables por el método de la pipeta, lo que además coincide con los planteamientos de ^{Buol et al. (1973)} y ^{Pla (2010)},

Materiales y métodos

Resultados

El procesamiento de 24 muestras por los 2 métodos arrojó los resultados que se representan en la Figura 1 para cada método. Por el método de Bouyoucos se lograron los resultados relativamente rápido, ya que a las 2 horas se hace la última lectura con el hidrómetro. Por otro lado, con el método de Bouyoucos-Day las lecturas culminan a las 12 horas de haber iniciado el proceso. Como puede observarse, con el método de Bouyoucos, 20 de las muestras fueron clasificadas como arcillosas, 2 con clase textural arcillo limosa, 1 con textura franco-arenosa y 1 con textura franca; mientras que con el método Bouyoucos-Day se obtuvieron 6 muestras con textura arcillosa, 7 con textura franco arcillosa, 6 con textura franca, 3 franco arcillo arenosa y 2 franco arenosa. Además, el método Bouyoucos-Day proporciona información sobre las diferentes fracciones de arena. Esto representa importantes diferencias entre los métodos.

Figura 1 Fracciones granulométricas de los suelos analizados con los métodos de Bouyoucos-Day (a) y Bouyoucos (b). 

Desde el punto de vista de las condiciones físicas de los suelos y las inferencias a partir de la composición textural del suelo, es muy útil conocer la proporción de las diferentes fracciones sin la eliminación de los agentes cementantes, tal como se realizó por el método Bouyoucos-Day. Por ejemplo, se puede destacar que algunas muestras de suelo que presentan texturas de media a gruesa muestran una alta proporción de partículas con diámetro equivalente entre 2 y 250 μm, las cuales requieren una menor energía para separarse de los agregados, lo que le confiere al suelo una baja estabilidad estructural (^{Poesen, 1986}). Tales muestras se ubican especialmente en la parte ocupada por cultivos.

Otro ejemplo sería el cálculo del Índice de Separabilidad de Partículas (ISP), propuesto por ^{Florentino (1998)}, el cual refleja la tendencia que tiene un suelo, con bajo contenido de materia orgánica, a la separación de sus partículas y como consecuencia a la formación de sello o costra superficial cuando el suelo se humedece o caen fuertes lluvias (Tabla 1). Para ello se tuvo ISP = % arcilla/partículas 2 - 250 μm. En este caso se puede observar que los suelos con menor afectación por la erosión hídrica (zona de cultivo y zona alta) son los que presentan mayor separabilidad de partículas, ya que los suelos de las otras zonas presentan mayor contenido de arcilla, lo cual les conferiría, en comparación, una mayor estabilidad estructural.

Tabla 1 Distribución de tamaño de partículas determinada por el método de Bouyoucos-Day 

Ar= arcillosa; F= franca; FAr= franco-arcillosa; FArA=franco-arcillo-arenosa; FA= franco-arenosa; ArL= arcillo-limosa. A: alto; M: moderado; B: bajo. ISP: índice de separabilidad de partículas. *De acuerdo con la clasificación de USDA (2017).

Cuando se analizaron por separado las fracciones de arena, limo y arcilla (Figura 2), se encontraron diferencias significativas en los contenidos de arcilla y arena, mientras que para el limo no se encontraron diferencias tan reveladoras. Como puede observarse, los contenidos de arcilla son notablemente mayores con el método de Bouyoucos, lo cual puede explicarse debido a que la lectura para medir la concentración de arcilla se realiza a las 2 horas, cuando teóricamente todavía hay partículas de limo en suspensión, ya que el total de partículas de limo, por su tamaño, conforme a la ley de Stokes, sedimentarían a las 7.72 horas (^{Weil y Brady, 2017}).

Figura 2 Contenidos (% en peso) de las fracciones de arena, limo y arcilla determinados con los métodos de Bouyoucos y Bouyoucos-Day. 

En la Figura 3 se muestran los contenidos de las fracciones de partículas en las diferentes zonas de la ladera. En ella se observa que los valores de arcilla son mayores con el método de Bouyoucos en todas las zonas de la ladera (Figura 3A). Solo tienden a parecerse a los determinados por el método Bouyoucos-Day en los puntos donde se presentan los mayores contenidos de arcilla (parte media 1 de la ladera). Los contenidos de limo son más variables, especialmente en la zona ocupada por cultivos, y tienden a ser mayores cuando se determinan con el método de Bouyoucos-Day (Figura 3B). Con respecto a los contenidos de arena (Figura 3C) se observa que son mayores en todas las zonas de la ladera cuando se determinaron con el método de Bouyoucos-Day.

Figura 3 Contenidos de arena, limo y arcilla (% en peso) en los suelos de las diferentes zonas de la ladera bajo estudio, determinados por Bouyoucos y Bouyoucos-Day. 

Discusión

Debido a que la textura de un suelo es determinante de otras propiedades, como se mencionó, las diferencias en las medidas obtenidas por las metodologías utilizadas para su determinación probablemente afectarán la información sobre las propiedades del suelo que se infieren de estos datos (^{Beretta et al., 2014}).

Nuestros resultados coinciden con los encontrados por ^{Karkanis et al. (1991)}, quienes también observaron diferencias significativas en los contenidos de arcilla y arena. Los autores encontraron una sobreestimación significativa en el contenido de arcilla con el método de ^{Bouyoucos (Bouyoucos, 1962}; ^{IGAC 2006}) cuando lo compararon con los métodos de Bouyoucos-^{Day (Day 1965a}). Igualmente ocurrió con el método USDI (^{USDI, 1982}), en el cual el contenido de arena se estima a partir de una lectura de hidrómetro a los 40 s y el contenido de arcilla a partir de una lectura a las 8 h, y el método descrito por ^{Gee y Bauder (1986)}, en el cual las lecturas del hidrómetro se obtienen a los 30 y 60 s para la determinación del contenido de arena y a las 1.5 y 24 h para el cálculo del contenido de arcilla.

Resultados similares encontraron ^{Williams-Caudle et al. (2003)} al comparar 2 métodos: el propuesto por ^{Day (1956)}, en el cual se inserta el hidrómetro en la suspensión y se registra la densidad a los 4, 5, 6 y 90 min, y a las 6 y 12 h después de que cesó la inmersión; y el método de ^{Arshad et al. (1996)}, en el cual las lecturas del hidrómetro se registran a los 40 s y 2 h. En ambos métodos las lecturas del hidrómetro son corregidas con base en las lecturas de un blanco sin suelo. Este experimento demostró que, con el método abreviado, en las lecturas a los 40 s y 2 h se obtuvo menos del 50 % de precisión para identificar la clase de textura del suelo.

^{Mwendwa (2022)} también encontró que el contenido medio de limo determinado por los métodos de Bouyoucos fue del 6.89 % (p <0.001), lo que es menor que el determinado por el método de la Pipeta. Otros investigadores observaron diferencias en la determinación en los contenidos de arena, tales como una sobreestimación por el método Bouyoucos en comparación con el método de la pipeta, lo cual podría atribuirse a la variación en los procedimientos analíticos, especialmente la eliminación de agentes cementantes, fundamentalmente la materia orgánica (^{Norambuena et al., 2002}; ^{Gee y Or, 2002}; ^{Mwendwa, 2022}). Por su parte, ^{Beretta et al. (2014)}, al comparar diferentes protocolos, señalan que el método Bouyoucos-Day (con determinación de las fracciones de arena por tamizado) es adecuado para determinar la textura del suelo e inferir las propiedades de este, pero no es aceptable para evaluar la clase de textura para la clasificación taxonómica del suelo, lo cual coincide con lo planteado por ^{Boul et al. (1973)}, ^{Gabriels y Lobo (2006)} y ^{Pla (2010)}.

Las diferencias encontradas de los contenidos de arcillas y arenas por los dos métodos pueden atribuirse a que, por el método de Bouyoucos, las lecturas para estimar el contenido de arcilla usando el hidrómetro se realizan a las 2 horas, tiempo en el cual persisten partículas de limo en suspensión; mientras que por Bouyoucos-Day la última lectura se toma a las 12 horas y las fracciones de arena se obtienen por tamizado. Esta observación está de acuerdo con lo expuesto por ^{Karkanis et al. (1991)} quienes señalan que la lectura a las 2 horas en el método de Bouyoucos (1962) proporciona una estimación media de partículas de alrededor de 0.0044 mm de diámetro, y no arroja una estimación correcta de la fracción de arcilla de menos de 0.002 mm, de acuerdo con la ley de Stokes. Observación similar presenta ^{León (2001)} al comparar estos métodos.

Ello indica que se pueden cometer errores en el momento de determinar la clase textural si el método no ofrece el suficiente grado de confiabilidad, lo que ocasiona estudios de calidad dudosa, teniendo en cuenta que son muchas las propiedades y procesos que se estiman con base en la clase textural del suelo. El método de Bouyoucos-Day, además de la obtención de las fracciones para determinar la clase textural, permite la recolección de datos de los diferentes tamaños de las partículas de arena, que son claves para la estimación del factor K de erosionabilidad del suelo (^{Wischmeier et al. 1971}) en la aplicación de la ecuación universal de pérdidas de suelo RUSLE, así como para estimar el índice de riesgo a la erosión (IRE) y el índice de productividad (IP) propuestos por ^{Delgado y López (1998)}, y algunos índices de estabilidad estructural como los propuestos por ^{Lobo y Pulido (2006)}, entre otros.

En Colombia es común el uso del método de Bouyoucos en los laboratorios de suelos para determinar la granulometría del suelo, por lo cual es de importancia significativa que se tengan en cuenta este y otros estudios relacionados en los que se demuestra que Bouyoucos-Day mejora la precisión de los datos y, por lo tanto, la confiabilidad en la información, teniendo en cuenta que la granulometría es un factor decisivo para tomar decisiones en campo y son muchos los profesionales que la utilizan para determinar de manera empírica diferentes parámetros del suelo.

Conclusiones

La comparación de métodos para la determinación de las fracciones granulométricas de los suelos, utilizando el hidrómetro como instrumento de medición, reveló diferencias estadísticamente significativas en las estimaciones del contenido de arena y arcilla entre métodos de Bouyoucos y Bouyoucos-Day. Estas diferencias fueron menos pronunciadas en suelos con alto contenido de arcilla. Las especificaciones analíticas de los métodos utilizados para las mediciones de la distribución de tamaño de partículas son esenciales para explicar las diferencias estadísticamente significativas encontradas.