Caracterización edáfica y distribución de 137Cs en...

Caracterización edáfica y distribución de 137Cs en perfilesde suelos representativos de agrosistemasmediterráneos de montaña

L. Gaspar*,**,1, A. Navas**, J. Machín**, M. López-Vicente**

y J. Gómez-Arozamena***

* School of Geography, Earth and Environmental Sciences, Plymouth University, Plymouth, Devon,PL4 8AA, UK

** Estación Experimental de Aula Dei (EEAD-CSIC), Department of Soil and Water, Apartado 13034,50080 Zaragoza, Spain

*** Universidad de Cantabria, Avenida Cardenal Herrera Oria s/n, 39011 Santander, Spain

Resumen

Caracterizar los suelos y conocer sus propiedades fisicoquímicas es fundamental para interpretar los da-tos de 137Cs y evaluar las implicaciones que el tipo y uso de suelo, agrario, ganadero o forestal, tienensobre el comportamiento del radioisótopo en el suelo. En este trabajo se han caracterizado suelos re-presentativos de agrosistemas mediterráneos de montaña mediante la apertura de calicatas, el estudiodetallado de sus propiedades fisicoquímicas, y el análisis por difracción de rayos X de perfiles de suelo.Asimismo, para evaluar la repercusión del uso del suelo sobre el contenido y distribución del radioisó-topo, sus implicaciones sobre los procesos de pérdida de suelo, y la posible transferencia del 137Cs a lasplantas, se han muestreado 13 perfiles seccionados de suelos agrícolas y forestales en Calcisoles, Lep-tosoles, Regosoles, Gypsisoles y Gleysoles. Se observó un amplio rango de variación tanto de las princi-pales propiedades fisicoquímicas de suelo como del contenido de 137Cs, que se relacionó directa y sig-nificativamente con la materia orgánica. Los valores de 137Cs más altos se registraron en Leptosoles nocultivados en suelos forestales, en los que se observó una distribución del radioisótopo exponencialmentedecreciente con la profundidad, mientras que los Gypsisoles y Regosoles cultivados registraron las con-centraciones más bajas, con perfiles homogéneos en profundidad por efecto del laboreo. Los resulta-dos de esta investigación evidencian el efecto del uso y tipo de suelo en la concentración de la activi-dad del radioisótopo, y son de interés para la correcta aplicación del 137Cs como técnica para cuantificarla pérdida de suelo en agrosistemas mediterráneos.

Palabras clave: 137Cs, clasificación FAO, DRX, uso agrícola y forestal, pérdida de suelo, agroecosistemasMediterráneos.

AbstractEdaphic characterization and distribution of 137Cs of representative soil profiles on mountainousMediterranean agroecosystems

An accurate characterization of soils and good knowledge of the soil physicochemical properties is thekey to understanding 137Cs data and assesses the effect of soil type and different land uses on the be-

Gaspar et al. ITEA (2014), Vol. 110 (2), 123-141 123

1. Autor para correspondencia: [email protected]

http://dx.doi.org/10.12706/itea.2014.008

124 Gaspar et al. ITEA (2014), Vol. 110 (2), 123-141

Introducción

Los suelos poseen un umbral específico de es-tabilidad que varía en función del tipo desuelo, es decir, una capacidad para asimilar lainfluencia de los agentes de la naturaleza ylas intervenciones humanas sin entrar en pro-cesos de deterioro. Las causas más comunesde la degradación de los suelos son la ero-sión, los cambios y gestión del uso del suelo,la compactación y el sobrepastoreo. Los pro-cesos de pérdida de suelo y la consecuentedegradación asociada que sufren los suelos anivel planetario representan un grave pro-blema para el desarrollo sostenible y la pro-tección del medio ambiente. Una reduccióndel porcentaje de nutrientes y materia orgá-nica en el suelo, y la consecuente disminuciónde la extensión de suelos productivos, favo-recen el avance de la desertificación espe-cialmente en los agroecosistemas mediterrá-neos (p. ej. Gómez et al., 2011). En el sectorcentral de la Cuenca del Ebro predominansuelos erosionables que llegan a ocupar ex-tensiones importantes y su pérdida puedesuponer la degradación de una parte consi-derable del territorio (Machín y Navas, 1998).Un ejemplo son las litologías yesíferas queocupan aproximadamente 1.9 millones ha

en la cuenca (Navas, 1983) y que se caracte-rizan por ser suelos frágiles debido a su bajocontenido de materia orgánica, una mala es-tructura y escasa cubierta vegetal (Machín yNavas, 1998). El uso de radioisótopos ambien -tales como técnica para documentar patro-nes espaciales de la redistribución del sueloy cuantificar la erosión surge de la necesidadde solventar las dificultades y limitacionesasociadas a las técnicas clásicas para medir laerosión (p. ej. Walling y He 1999; Mabit et al.,2009; Porto y Walling, 2012), siendo el ra-dioisótopo Cesio-137 un efectivo trazadordel movimiento suelo en ambientes medite-rráneos (p. ej. Navas, 2002; Schoorl et al., 2004a;Menéndez-Duarte, et al., 2009; Estrany etal., 2010; Navas et al., 2013; Gaspar et al.,2013). En los últimos años, Parsons y Foster(2011) y Mabit et al. (2013) han publicado ar-tículos de revisión sobre los supuestos y la va-lidez de la técnica de 137Cs pa ra evaluar laerosión del suelo y su uso para validar mo-delos de erosión y extrapolar en espacio ytiempo los datos clásicos de pérdida de suelo,destacando sus ventajas y limitaciones, y re-marcando la necesidad de una aplicación ri-gurosa, un muestreo adecuado y un conoci-miento experto para la obtención de datosfiables, siendo entonces un eficaz radiotra-

havior of the radionuclide 137Cs in the soils. In this research, representative soils of mountainous Me di -terranean agroecosystems have been characterized through the study of soil pits, a detailed determi-nation of physicochemical soil properties and the analysis by X-ray diffraction of soil profiles. Further-more, to assess the impact of land use on the content and distribution of 137Cs, its implications on thesoil loss processes, and the 137Cs transfer to plants, 13 sectioned soil profiles in agricultural and forestrysoils, in Calcisols, Leptosols, Regosols, Gypsisols and Gleysols, have been sampled. The physicochemicalsoil properties varied widely and also the content of 137Cs, which was significantly positively correlatedwith organic matter. The highest values of 137Cs were found in uncultivated Leptosols under forest soils,with the highest concentration in the topsoil and a sharp decay with depth, while the lowest values of137Cs were found in cultivated Gypsisols and Regosols, in which the radionuclide was distributed ho-mogeneously throughout the soil profile by tillage effect. Information gained with this research demon-strated the effect of soil type and land use in the content of 137Cs on the soil, and is of interest for thecorrect application of the 137Cs technique to quantify soil loss in Mediterranean agroecosystems.

Key words: 137Cs, FAO classification, DRX, agricultural and forestry, soil loss, Mediterranean agroe-cosystems.

zador para estimar la magnitud de la erosióndel suelo (Mabit et al., 2013). Trabajos re-cientes en estos frágiles agroecosistemas hanevidenciando el papel primordial del uso delsuelo y la influencia del tipo de suelo en ladistribución del radioisótopo (p. ej. Schoorl etal., 2004b; Navas et al., 2005; Sadiki et al.,2007; Gaspar, 2011; Gaspar y Navas, 2013). Laheterogeneidad en cuanto a tipos de suelo yel complejo mosaico de usos, característico delos agrosistemas mediterráneos, plantea lanecesidad de contar con una detallada ca-racterización de los diferentes tipos de suelo,así como conocer las propiedades fisicoquí-micas de suelos agrícolas y forestales para in-terpretar correctamente los datos de 137Cs yevaluar las implicaciones de estos factoressobre el comportamiento del radioisótopoen el suelo.

El isótopo artificial 137Cs tiene un periodo desemidesintegración de 30,23 años y fue in-troducido en la atmósfera como producto defisión de los ensayos nucleares que tuvieronlugar entre los años 50 y 70. Tras su difusióny una distribución condicionada por las co-rrientes atmosféricas, el depósito de 137Cs aso-ciado a las precipitaciones y al efecto de lagravedad se inicia en 1954, registrando supico máximo en 1963 (Ritchie y Ritchie, 1995)año en el que se firmó el Tratado de Prohibi-ción Parcial de Ensayos Nucleares (Partial TestBan Treaty). Otros aportes de 137Cs se han li-berado a la atmósfera puntualmente comoproducto de accidentes nucleares, si bien nose han llegado a detectar en los suelos delárea de estudio. El 137Cs es altamente reactivoy una vez que alcanza la superficie del sueloqueda fuertemente adsorbido en la fracciónfina por las arcillas y la materia orgánica (Hey Walling, 1996). Debido a su limitada mi-gración postdepósito, el movimiento del ra-dioisótopo se asocia al movimiento de laspartículas de suelo, siendo un eficaz radio-trazador de su redistribución. El 137Cs emiterayos gamma con una energía conocida y ca-racterística (662 keV) que pueden ser fácil-

mente medidos con espectrometría de rayosgamma. Para cada muestra de suelo anali-zada se obtiene un valor de la concentraciónde la actividad de 137Cs (Bq kg-1) que se con-vierte en una medida de carga por unidad deárea, conocida como inventario (Bq m-2), al te-ner en cuenta la densidad de la muestra desuelo. Cuando se trabaja con perfiles de sueloseccionados, el denominado inventario totalde 137Cs en el punto de muestreo será la sumade los inventarios estimados en cada intervalodel perfil de suelo. La técnica permite cuan-tificar la pérdida o ganancia de suelo me-diante la comparación del inventario totalen cada punto de muestreo con el inventarioobtenido en sitios estables de referencia en elárea de estudio (Figura 1).

La mayor parte del radioisótopo queda in-movilizado por el suelo debido a la fuerte ad-sorción química del 137Cs en las superficies deintercambio catiónico, sobre todo por parte delos minerales de arcilla, ocupando los sitios es-pecíficos localizados en el borde de expansiónde su estructura, conocidos como frayed edgessites (FES) (p. ej. Staunton et al., 2002 y Kim etal., 2006). Sin embargo, una fracción puede serabsorbida por las plantas y micorrizas en-trando a formar parte del ciclo suelo-planta (p.ej. Vinichuk et al., 2013), mientras que en zo-nas afectadas por incendios forestales puedehaber una mayor movilidad del radioisótopodebido a la perdida de estabilidad estructu-ral del suelo, siendo estos más frágiles, menoscohesivos y más fácilmente erodibles (p. ej.Menéndez-Duarte et al., 2009).

Este estudio se centra en (i) la caracterizaciónedáfica y geoquímica de suelos representati-vos de agrosistemas mediterráneos de mon-taña que predominan en el sector centraldel borde norte de la cuenca del Ebro (Es-paña) mediante la realización de calicatas yel análisis de difracción de rayos X, y en (ii) laestimación del contenido y distribución enprofundidad del radioisótopo 137Cs en fun-ción del tipo y usos del suelo. Todo ello con


el objetivo de evaluar la repercusión que tie-nen los suelos agrícolas y forestales sobre elcomportamiento del radioisótopo, sobre lapérdida de suelo, y sobre la posible transfe-rencia del radioisótopo a las plantas. Los re-sultados de esta investigación contribuirán aincrementar el conocimiento de los sueloscaracterísticos de ambientes de media mon-taña del Pirineo oriental, tanto agrícola comoforestal, y su implicación en la correcta in-terpretación y aplicación del 137Cs como téc-nica para cuantificar la pérdida de suelo enagrosistemas mediterráneos.

Material y métodos

Los perfiles de suelo estudiados se han ex-traído en una zona próxima al límite norte dela cuenca del Ebro en el prepirineo aragonés,situada al este de la provincia de Huesca (NEde España) en la comarca de la Ribagorza(42º1’29’” N, 0º31” 2’” E) (Figura 2). En el área,el clima es mediterráneo continental con una

pluviometría media anual de 595 mm y unatemperatura media anual de 12,2 ºC (López-Vicente et al., 2008). La precipitación se dis-tribuye en dos periodos húmedos (primaveray otoño) y se caracteriza por una fuerte osci-lación interanual de 378% para el periodoentre 1941-2011 (López-Vicente et al., 2013).Los materiales aflorantes en estas SierrasMarginales conocidas como Prepirineo sonde edad Mesozoica y materiales Neógenos.Los suelos que se desarrollan sobre facies Mus -chelkalk, facies Keüper y depósitos coluvialesson Calcisoles, Leptosoles y Regosoles, mien-tras que los Gypsisoles cubren afloramientosde menor entidad, y los Gleysoles zonas don -de el nivel freático esta próximo a la super-ficie del suelo (Machín et al., 2008). La zonase caracteriza por un predominio de suelosagrícolas (cereal de invierno y cultivos de se-cano), mientras que los pastos destinados aluso ganadero (porcino y ovino) están cu-biertos por matorrales mixtos muy degrada-dos compuestos por boj (Buxux sempervi-rens), enebro (Juniperus oxycedrus) y romero(Rosmarinus officinalis). Los suelos forestales


Figura 1. Uso del radioisótopo 137Cs para estimar la redistribución del suelo.Figure 1. Use of 137Cs technique to estimate soil loss and deposition.

están cubiertos por bosques mediterráneosen los que predominan encinas, coscojas,enebros (Juniperus oxycedrus) y quejigales(López-Vicente et al., 2009).

Con objeto de caracterizar los suelos que pre-dominan en este sector se han realizado cincocalicatas (P1-P5) correspondientes a suelostipo Gleysol (P1), Gypsisol (P2), Leptosol (P3),Calcisol (P4) y Regosol (P5) (FAO, 2007) (Figura2). Asimismo, se han muestreado 6 perfiles desuelo seccionados a intervalos de 5 cm (perfi-les a-f) para completar la caracterización ge-oquímica y determinar las fases cristalinas delos suelos tipo mediante el análisis mineraló-gico por difracción de rayos X (DRX) de lafracción < 2 mm (Figura 2). Los perfiles sec-cionados se corresponden con suelos tipo Re-gosol háplico (perfiles a, b), Regosol gypsico

(c), Calcisol háplico (d), Leptosol háplico (e) yGleysol háplico (f). Un total de 34 muestras desuelo se han analizado en el servicio de DRXdel Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Al-mera (ICTJA-CSIC), utilizando un difractóme-tro de polvo Bruker-AXS D5005.

Finalmente, para caracterizar el contenido de137Cs y conocer su distribución en profundi-dad se han muestreado además 13 perfilesseccionados (perfiles 1-13), 7 en suelos fores -tales y 6 en suelos agrícolas, seleccionando di-ferentes tipos de suelo afectados por proce-sos de pérdida o acumulación de suelo (Figura2). Para la obtención de los perfiles de suelose ha utilizado un muestreador automáticode 8 cm de diámetro alcanzando una pro-fundidad de muestreo que varía en funcióndel tipo de suelo; mínima que permita rete-


Figura 2. Situación del área de estudio (fuente: SIGPAC) ylocalización de las calicatas y los perfiles de suelo.

Figure 2. Study area (source: SIGPAC) and the locations of the pits and soil profiles.

ner el perfil completo de 137Cs y máxima de55 cm. Los perfiles se han seccionado cada 5cm, si bien debido al gran contenido de pie-dras en algunos puntos de muestreo los in-tervalos son de 10-15 cm.

Las muestras de suelo, una vez secas, se mue-len y tamizan para diferenciar la fracción ma-yor a 2 mm, pedregosidad, de la fracción me-nor de 2 mm, o fracción fina. Un total de 91muestras de suelo (perfiles 1-13) se han me-dido por espectrometría gamma, con un de-tector coaxial de germanio hiperpuro de altaresolución (1,9 KeV), bajo fondo, y 30% deeficiencia, para determinar la concentraciónde la actividad de 137Cs (Bq kg-1). El tiempo deconteo aproximado ha sido de 30.000 se-gundos y para su calibración se han utilizadomuestras de estándares certificados con lamisma geometría que las muestras a analizar,obteniendo una precisión analítica de ± 5%(95% nivel de confianza). En cuanto al restode propiedades fisicoquímicas analizadas, lapedregosidad se ha calculado a partir delporcentaje en peso de la fracción > 2 mm enel total de la muestra, mientras que el restode propiedades se han determinado sobre lafracción fina del suelo (< 2mm). El tamaño delas partículas de suelo se ha analizado con unequipo láser CoulterLS230, eliminando pre-viamente la materia orgánica con H2O2 a80ºC y dispersando la muestra con hexame-tafosfato durante aproximadamente ochohoras y aplicando ultrasonidos, para luegorealizar su clasificación textural. El contenidode materia orgánica (MO) se ha determinadomediante el método del dicromato potásicoen caliente (CSIC, 1976) y su valoración se harealizado con un titrímetro con electrodoOrion nº FV 8886 y cabezal volumétrico de 20mL. El pH se ha determinado con un pH-me-tro (Orion 901 Research Microprocessor Io-nalyzer), la conductividad eléctrica 1:5 (CE)con un conductímetro de precisión Cri-son522, y el contenido de carbonatos (CO3

=)valorando con el calcímetro manométrico deBarahona (CSIC, 1976).

El análisis de los factores uso y tipo de suelo so-bre las propiedades fisicoquímicas y contenidoradioisotópico del suelo se ha llevado a cabomediante el análisis de varianza (ANOVA) y laprueba de múltiples rangos (diferencia mí-nima significativa LSD de Fisher), mientrasque las relaciones entre las diferentes propie -dades y la concentración de 137Cs se ha de-terminado aplicando el índice de correlaciónde Pearson al 95% de confianza.

Resultados

Caracterización edáfica y mineralógicade los suelos

Caracterización edáfica mediantela apertura de calicatas

Las cinco calicatas presentan una profundi-dad máxima de 2 metros y una anchura deentre 1 a 2 m en las que se han identificadodiferentes horizontes y establecido sus lími-tes lineales u ondulados, graduales o netos.Se ha medido la profundidad de cada hori-zonte y se ha descrito y esquematizado cadaperfil en base a su color, presencia de raíces,estructura y pedregosidad. Asimismo, se hamuestreado cada horizonte para obteneruna muestra de suelo en la que realizar lasdeterminaciones fisicoquímicas necesariaspara su caracterización. Siguiendo la no-menclatura actual (FAO, 2007), la letra ma-yúscula identifica el horizonte principal y laletra minúscula, como sufijo, permite clasifi-car los horizontes en términos de su evolu-ción (Figura 3).

El perfil P1 se corresponde con un Gleysol há-plico que presenta una textura franco limosacon un 25% de arcilla, 75% de limo y ausen-cia de la fracción arena, con una pedregosi-dad promedio del 20%. El pH es alcalino(7,8), la salinidad baja (CE: 0,497 dSm-1) y loscarbonatos alcanzan en promedio el 50%.Son suelos ricos en materia orgánica con un



Figura 3. Foto, esquema del perfil de suelo y propiedades fisicoquímicas de las 5 calicatas.Figure 3. Photograph, schematic soil profile and physicochemical soil properties of 5 soil pits.

valor promedio del 4%, con concentracio-nes máximas en el horizonte superficial ycon un patrón decreciente en profundidad.Es un perfil de tipo A-B bien desarrollado,que alcanza una profundidad de 60 cm y secaracteriza por un color gleyco, con presen-cia de moteado y compuestos de Fe. La pre-sencia de Gleysoles en un ambiente medite-rráneo de montaña media se debe a laproximidad del nivel freático a la superficiedel suelo, localizándose estos suelos dentrode la zona de estudio en las proximidades delos denominados Lagos de Estaña.

El perfil P2 es un Gypsisol háplico que pre-senta una textura franco arcillo limosa con un33% de arcilla, 67% de limo y prácticamentesin fracción arena. La pedregosidad es baja(16%), el pH es ligeramente alcalino (7,6) y laconductividad eléctrica alcanza valores altosde 2,407 dSm-1. Es un suelo pobre en materiaorgánica (0,8%) y con un contenido medio decarbonatos bajo (7%). Presenta un perfil biendesarrollado de tipo A-B y en la zona de es-tudio estos suelos se desarrollan sobre ma-teriales de relleno como depósitos aluvialesy coluviales cubiertos por una escasa vegeta-ción, destinados en parte al uso agrícola.

El perfil P3 se corresponde con un Leptosolháplico caracterizado por un perfil muy so-mero y poco desarrollado de tipo A-R, en elque la roca madre aflora a los 20 cm de pro-fundidad. El horizonte A presenta una texturaarcillo limosa y una pedregosidad del 25%. ElpH es alcalino y presenta un alto contenido demateria orgánica (4,0%). La conductividadeléctrica es baja (0,609 dSm-1) y los carbonatosalcanzan una concentración del 34%. Estossuelos están cubiertos mayoritariamente porzonas de bosque y matorral denso.

El perfil P4 es un Calcisol háplico caracteri-zado por una textura franco limosa, con un17% de arcilla, 72% de limo y 11% de arena.Presenta una elevada pedregosidad (50%),pH alcalino (8,0) y muy baja conductividadeléctrica (0,295 dSm-1). Es un suelo pobre en

materia orgánica (1,3%) y con un elevadoporcentaje de carbonatos (70%). Presenta unperfil bien desarrollado de tipo A-B-R, en elque la capa de roca aflora a los 55 cm de pro -fundidad. Junto a los Leptosoles son los sue-los predominantes del área de estudio y am-bos representan más de un 60% del territorio(p. ej. Machín et al., 2008 y Gaspar, 2011 “datoaproximado para la cuenca de Estaña, lugardonde se sitúa la zona de estudio”), cubiertospor bosque abierto y matorral, aunque tam-bién son destinados al uso agrícola.

El perfil P5 se corresponde con un Regosol há-plico caracterizado por un perfil muy somerode tipo A-B. Presenta una textura franco ar-cillo-limosa, con un 34% de arcilla y un 66%de limo. La pedregosidad es del 24%, el pH al-calino (7,93) y la conductividad eléctrica esmuy baja (0,377 dSm-1). Son suelos ricos enmateria orgánica (3,6%) y la concentraciónpromedio de carbonatos alcanza el 51%. Es-tos suelos presentan un importante desarro-llo en el área de estudio y son destinados aluso agrícola aunque también aparecen cu-biertos por zonas de bosque y matorral.

Caracterización mineralógica

Los análisis de difracción de rayos X en losseis perfiles de suelo seleccionados muestranque, en términos generales, la fracción < 2mm está dominada por porcentajes altos decuarzo, calcita y dolomita, porcentajes másbajos de microclina, y menores de albita,yeso y arcillas totales, entre las que se iden-tifican clinocloro, illita, caolinita, montmori-llonita y, excepcionalmente, saponita (mine-ral autigénico). La abundancia de cuarzo sedebe a que es el segundo grupo de minera-les más abundante en la superficie terrestre(Monger y Kelly, 2002), mientras que las ar-cillas, especialmente las silicatadas, y en pro-porciones menores, son los minerales que in-fluyen de forma más significativa en laspropiedades químicas y físicas de los suelospor su pequeño tamaño, alta superficie es-


pecífica y elevada capacidad de intercambiocatiónico (Schulze, 2002). La presencia decarbonatos está asociada a las característicasclimáticas subhúmedas, donde la evaporaciónes mayor a la precipitación (Doner y Grossl,2002), así como por el material paren tal cal-cáreo presente en la zona de estudio. Mien-tras que la presencia de hematites es carac-terística de suelos tipo Gleysol (Tabla 1).

Los Regosoles háplicos (perfiles a, b) se ca-racterizan por porcentajes de cuarzo mayoresen los intervalos más profundos y porcentajesmedios de arcillas, en las que predominan cli-nocloro, illita y montmorillonita, con caoli-nita restringida a algunos horizontes y ex-cepcionalmente saponita, coincidiendo con elintervalo del perfil con mayor contenido enmicroclina. El Regosol gypsico (perfil c) se ca-racteriza por porcentajes muy altos de cuarzo,especialmente en los horizontes más superfi-ciales y un ligero aumento en el contenido dearcillas respecto al Regosol háplico, en estecaso con ausencia total de caolinita y presen-cia de clinocloro, illita y montmorillonita. Es-tos suelos registran los porcentajes máximosde microclina y los porcentajes de calcita sonmayores en los intervalos superficiales.

El Calcisol háplico (perfil d) se caracteriza porporcentajes altos de dolomita, mayores en losintervalos más profundos y bajos porcentajesde yeso que no alcanzan el 1%. Las arcillaspresentan una proporción uniforme a lo largodel perfil, próxima al 3%, en el que predomi-nan el clinocloro y la illita, la montmorillonitaaparece en algunos intervalos, mientras que lacaolinita queda restringida a los primeros 15cm de suelo. Excepcionalmente, aparece sa-ponita en el intervalo 25-30 cm coincidiendocon los valores más bajos de microclina, asícomo con un horizonte mineralógico (20-25cm) rico en dolomita, cuarzo y calcita.

El Leptosol (perfil e) presenta los mayorescontenidos de calcita, valores altos de albitay arcillas (clinocloro, illita y montmorillonita)y valores bajos de dolomita y cuarzo. Por su

parte, el Gleysol háplico (perfil f) se caracte-riza por porcentajes elevados de yeso en losprimeros 20 cm del perfil, mientras que pordebajo de esta profundidad se identifica unaumento brusco del porcentaje de arcillas(clinocloro, illita, caolinita y montmorillo-nita), albita y microclina, registrando los por-centajes más altos de entre todos los suelosanalizados y un contenido mínimo de cal-cita (< 19%). Es muy característica la presen-cia de hematites (Fe2 O3) en los intervalosprofundos (30-40 cm) debido a que estos sue-los son hidromorfos y pueden permanecer sa-turados parte del año, presentando los óxi-dos de hierro en forma ferrosa (Fe+2) debidoa las condiciones reductoras (FAO, 2007).

Caracterización del contenido de 137Cs ensuelos agrícolas y forestales

Actividad e inventario de 137Cs

Los valores de la concentración de la activi-dad (Bq kg-1) e inventario (Bq m-2) de 137Cs enlos 13 perfiles de suelo seccionados presentanun elevado rango de variación. Las concen-traciones de la actividad de 137Cs varían entrevalores mínimos no detectables a máximosde 34,2 Bq kg-1 (± 5,8) siendo 4,5 Bq kg-1 elvalor medio, mientras que el inventario de137Cs varía entre 0 y 2.081,3 Bq m-2 (± 292,3)con un valor medio de 217,1 Bq m-2 (Tabla 2).Este alto rango de variación se explica por ladistribución en profundidad del radioisó-topo, que difiere significativamente entresuelos agrícolas y forestales, y debido a quelos puntos de muestreo se corresponden consitios que han sufrido diferentes procesos deredistribución de suelo, tanto de pérdidacomo de acumulación de suelo.

Las propiedades fisicoquímicas del suelo tam-bién muestran un amplio rango de varia-ción, y a excepción de la fracción limo, elresto de propiedades analizadas presentandiferencias estadísticamente significativas enfunción del tipo de suelo, mientras que todas



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salvo las diferentes fracciones granulométri-cas presentan diferencias significativas enfunción del uso del suelo (Tabla 2). La mate-ria orgánica, que varía entre 0,2 y 19,4%, re-gistra un valor medio significativamente másalto en Leptosoles frente al resto de tipos desuelo, mientras que los suelos agrícolas mues-tran una significativa reducción del porcen-taje de MO frente a los suelos forestales. Lapedregosidad presenta un amplio rango devariación con porcentajes que oscilan entre 0y 80%, registrando el valor medio más alto ensuelos forestales y Calcisoles háplicos, frentea los Gypsisoles que registran el valor mediomás bajo. En cuanto a la granulometría, lasfracciones arena y arcilla presentan un rangode variación de entre 0 – 85% y 1 – 83%, res-pectivamente, con valores medios significati-vamente mayores en Leptosoles y Gypsisoles,receptivamente. Por su parte, la fracción limotiene un rango de variación que oscila entre14 y 84% pero con valores medios similares enlos diferentes tipos y usos de suelo. El pH es al-calino, con valores entre 7,3 y 8,8, siendo sig-nificativamente más alto en suelos forestalesy en Calcisoles, Regosoles y Gleysoles frente aLeptosoles y Gypsisoles. La CE, que varia en-tre 0,11 y 2,73 dSm-1, muestra un patrón in-verso al pH con medias significativamentemás altas en Gypsisoles y suelos cultivados. Loscarbonatos oscilan entre el 7 y 81%, siendolos Calcisoles y Leptosoles no cultivados lossuelos que registran los valores medios signi-ficativamente más altos.

El análisis de varianza (ANOVA) estableceque tanto el tipo de suelo, como el uso delsuelo afectan significativamente a la varia-ción del radioisótopo 137Cs (p < 0,05) (Tabla 2).Los Leptosoles registran un valor medio de laconcentración de la actividad de 137Cs signifi-cativamente mayor que el resto de tipos desuelo, mientras que de forma no significa-tiva, los Calcisoles y Regosoles registran valo-res medios ligeramente mayores a los esti-mados en Gypsisoles y Gleysoles, destinados


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mayoritariamente a las prácticas agrícolas.Asimismo, se observa como la concentraciónde la actividad de 137Cs en suelos forestales essignificativamente mayor que en suelos agrí-colas (Figura 4). Los resultados de las corre-laciones entre el radioisótopo y las propie-dades del suelo (Tabla 3) muestran unarelación directa y significativa del 137Cs con lamateria orgánica debido a su alta capacidadde intercambio catiónico (CIC), resultandoser un componente importante en la fijacióndel radioisótopo en el suelo (Nikolova et al.,2000). Por su parte, la falta de una correla-ción directa del radioisótopo con la fracciónarcilla se debe a que la MO presenta una ad-sorción no específica, comparada con la ad-sorción especifica del 137Cs en las arcillas (Ri-gol et al., 2002), y ocupa de forma preferentelos Frayed Edges Sites (FES) de las arcillas, lo

que bloquea el acceso del radioisótopos en laestructura de las arcillas y reduce su adsor-ción. La falta de correlación también se atri-buye a la distribución relativamente homo-génea de la arcilla en el perfil del suelo,además del escaso rango de variación delcontenido de la fracción arcilla en un 76% delas muestras analizadas que no presentan di-ferencias mayores al 10% (16 – 26%). Porotra parte, se observa una correlación signi-ficativa del radioisótopo con la fracción arena,e inversa de la concentración de la actividadde 137Cs con la CE, si bien esta responde a re-laciones indirectas a través de las propias ca-racterísticas del tipo de suelos. Al diferenciarentre suelos agrícolas y forestales se observaque los suelos forestales no disturbados pre-sentan una mayor correlación entre el ra-dioisótopo y la materia orgánica.


Figura 4. Diagrama de cajas de la concentración de la actividad de 137Cs en funcióndel a) tipo y b) uso del suelo. Diferentes letras indican diferencias significativas

(P < 0,05) entre las diferentes clases de cada factor.Figure 4. Box plots of 137Cs mass activity according to a) soil type and b) land use.

Different letters indicate significant differences (P < 0.05) between different classes for each factor.

Distribución en profundidad de 137Cs

El muestreo detallado en incrementos deprofundidad permite conocer el comporta-miento del radioisótopo en el suelo y anali-

zar las implicaciones de diferentes tipos yusos de suelo en su distribución. Asimismo,conocidos los perfiles de distribución de 137Csy comparando el inventario total de 137Cs encada punto respecto al inventario de refe-

rencia de la zona de estudio, estimado en1.570 Bq m-2 (Soto y Navas, 2008), es posibleidentificar las pautas del movimiento delsuelo (p. ej. Wallbrink y Murray, 1993; Wa-lling et al., 1995), identificando puntos depérdida o acumulación de suelo. Esta pérdidao acumulación de suelo en el punto de mues-treo se identifica por la significativa dismi-nución o aumento de la concentración de laactividad de 137Cs en los primeros centímetrosdel perfil, así como por un valor de inventa-rio total de 137Cs menor o mayor al inventa-rio de referencia, respectivamente.

La figura 5 evidencia los diferentes patronesde distribución de 137Cs en suelos agrícolas yforestales. Los perfiles de 137Cs en suelos fo-restales no cultivados se caracterizan por unadistribución decreciente, con valores máxi-mos en el horizonte superficial y una dismi-nución exponencial con la profundidad. LosLeptosoles (perfiles 5, 6) se caracterizan porser suelos someros en los que difícilmente sepueden discriminar intervalos de profundi-dad de 5 cm, y donde los perfiles de 137Cs serestringen a los primeros 10-15 cm de pro-fundidad. Los Gleysoles, Calcisoles y Regoso-les no cultivados (perfiles 1, 7, 8, 10, 11)muestran perfiles de 137Cs más desarrolladosen profundidad, especialmente en zonas conacumulación de suelo (perfiles 1, 11), en losque se alcanza la máxima profundidad de de-tección del radioisótopo a 30 cm.

En suelos agrícolas se produce una mezcladel suelo arado y el radioisótopo presentauna distribución homogénea a lo largo delperfil de suelo (Figura 5). La pérdida de sueloen puntos cultivados se caracteriza por unaconcentración de la actividad de 137Cs signifi-cativamente menor en los sucesivos incre-mentos de profundidad y un inventario en elpunto menor al de referencia. Se observan di-ferencias entre los diferentes tipos de suelo,con perfiles de 137Cs menos desarrollados enel Calcisol (perfil 9) y Regosol (perfil 12) frentea los Gypsisol (perfil 3) y Gleysol (perfil 2) que

alcanza una profundidad de 25 y 35 cm, res-pectivamente. Los suelos agrícolas en los quese identifica acumulación de suelo presentanuna distribución del radioisótopo en profun-didad caracterizada por valores de 137Cs lige-ramente mayores y perfiles alargados que lle-gan hasta casi 50 cm de profundidad (perfiles4 y 13) debido a que además de que se pro-duce una mezcla del suelo arado y la distri-bución de 137Cs se homogeniza en todo elperfil, se acumula el suelo previamente ero-sionado, resultando un valor de inventario enel punto mayor al de referencia que refleja laentrada adicional de 137Cs.

El proceso de transferencia suelo-vegetaciónde 137Cs a través del sistema radicular de lasplantas es crucial para conocer el ingreso delradioisótopo en la cadena alimenticia hu-mana. La posible transferencia suelo-plantadel 137Cs dependerá directamente de la dis-tribución vertical del radioisótopo en el per-fil de suelo y de su profundidad de relajación(Schuller et al., 2002). La relación de concen-tración de 137Cs planta/suelo depende delproceso de absorción del radioisótopo en elperfil del suelo y por tanto de las propiedadesde este, así como de la especie y variedad delas plantas, las condiciones climáticas y lasprácticas y usos del suelo (Vosniakos, 2012).

Aunque la transferencia suelo-planta del137Cs se considera en general insignificante,estudios previos (p. ej. Rigol, 2002) han de-mostrado que existe una mayor posibilidadde que el radioisótopo sea absorbido por lasplantas en suelos orgánicos con altos por-centajes de materia orgánica, pero en losque el contenido de la fracción arcilla sea in-significante. Schuller et al. (2002) confirma-ron que el ratio de concentración de 137Csplanta/suelo depende del proceso de adsor-ción del radioisótopo en el perfil de suelo, ypor lo tanto de las características de este,siendo los suelos con texturas gruesas y bajoscontenido en arcillas los que presentan unamayor movilidad de 137Cs frente a los sueloscon texturas finas (p. ej. Lee y Lee, 2000). Asi -



Figura 5. Distribución en profundidad de 137Cs para perfiles de suelos agrícolasy forestales en tipos de suelos representativos de la zona de estudio.

Figure 5. 137Cs depth distribution in agricultural and forest soil profilesfrom representative soil types of the study area.

mismo, Kim et al., (2007) demostraron unamayor afinidad del 137Cs por la illita y la bio-tita, que tienen una mayor capacidad de in-tercambio catiónico, frente a las arcillas ex-pansibles (esmectita, vermiculita), albita,clorita o microclina, que presentan una me-nor afinidad por el radioisótopo. Asimismo,altos contenidos de materia orgánica y lapresencia de potasio y calcio intercambia-bles favorecen la transferencia suelo-plantadel radioisótopo (Papanikolaou, 1972), mien-tras que para rangos de pH entre 3.9 a 8.4,Berfeijk et al. (1992) observaron que la trans-ferencia de 137Cs no se ve afectada.

Aunque se necesitaría realizar estudios de de-talle, determinaciones del contenido de 137Csen las plantas y medidas específicas de adsor-ción para poder determinar la transferenciadel 137Cs a las plantas en los suelos estudiados,es previsible, en base a las propiedades anali-zadas y observando las distribución en pro-fundidad del radioisótopo en estos suelos,que la trasferencia suelo-planta será limi-tada ya que, aunque en los suelos forestalesse encuentran elevados contenidos de mate-ria orgánica y mayores concentraciones delradioisótopo en superficie, el porcentaje dearcillas tanto en los suelos agrícolas como enlos no cultivados se sitúa entre el 5 al 86%,siendo por lo general mayor al contenido dela fracción arena. Por tanto, la presencia dearcillas, que adsorben de forma específica el137Cs en el borde de expansión de su estruc-tura (frayed edges sites, FES) quedando fuer-temente fijado en el suelo, y el predominiode las texturas franco limosas y franco arcillo-limosas sugiere que los suelos estudiados ten-drían una capacidad elevada de fijación delradioisótopo.

Conclusiones

La caracterización edáfica y el estudio a tra-vés de perfiles seccionados del contenido de137Cs han evidenciado que los cambios en eluso del suelo pueden modificar de forma sig -

nificativa las propiedades fisicoquímicas delos suelos, así como alterar la concentracióny distribución de 137Cs.

El uso de la técnica de 137Cs ha permitido ca-racterizar el contenido radioisotópico en di-ferentes suelos de montaña representativosdel sector central del borde norte de la cuencadel Ebro, conocer las implicaciones de los di-ferentes tipos y usos de suelo y la importan-cia de la presencia de materia orgánica en elcontenido de 137Cs. Los resultados de esta in-vestigación y la descripción de los perfiles de137Cs permiten una correcta identificación delos procesos de pérdida y acumulación desuelo tanto en suelos agrícolas como foresta-les, y confirman el potencial de uso del 137Cscomo trazador del movimiento del suelo enestos agroecosistemas de montaña.

Las propiedades fisicoquímicas analizadas, lacaracterización mineralógica de los suelos, elcontenido radioisotópico y la distribución enprofundidad del 137Cs sugieren que la posibletransferencia suelo-planta del radioisótoposerá limitada en estos suelos, sin embargo es-tudios de detalle y determinaciones del con-tenido radioisotópico en las plantas serán ne-cesarias para proporcionar información precisaal respecto en futuras investigaciones.

Agradecimientos

Trabajo financiado por el proyecto de laCICYT, EROMED (CGL2011-25486/BTE).

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(Aceptado para publicación el 24 de octubre de 2013)


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