1. Introducción

La degradación de suelo por erosión se refiere a “la pérdida de la capa superficial de la corteza terrestre por acción del agua y/o del viento, que es medida por el ser humano y trae consecuencias ambientales, sociales, económicas y culturales” (^{Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible (MADS), y Universidad de Ciencias Aplicadas y Ambientales (U.D.C.A.), 2015}) En la pérdida del suelo actúan, principalmente, el agua (erosión hídrica) bien por escorrentía y/o por infiltración y la acción del viento (erosión eólica). Las lluvias (frecuencia e intensidad), la pendiente (el grado y longitud), el tipo de vegetación, el uso y manejo de los terrenos son los factores que favorecen la erosión hídrica (^{Montenegro González y Malagón Castro, 1990}). Sin embargo, cuando el suelo ha sido perturbado (preparación de terrenos para siembra) y presenta pendiente, puede aumentar en cinco veces la pérdida de suelo por efecto de erosión hídrica comparado con un terreno en descanso con la misma inclinación (^{Verhulst et al., 2010}).

La estimación de las pérdidas de suelo se puede realizar a través de la modelación del fenómeno (métodos indirectos) usando ecuaciones, como la ecuación universal de pérdida de suelo (USLE), por sus siglas en inglés (^{Valdivia-Martínez et al., 2022}) y por el montaje de unidades experimentales en campo (métodos directos) como las parcelas de escorrentía y simuladores de lluvia (^{León Peláez, 2001}). Estos métodos (directos e indirectos) se han comparado entre sí en diferentes estudios, como las parcelas experimentales y el método USLE (^{Oyarzun Ortega, 1993}) en Chile y en México con el uso de estacas de erosión y la metodología RUSLE (USLE revisada) (^{Pando Moreno et al., 2012}); evidenciando que el uso de las metodologías indirectas sobreestima los valores de erosión hídrica en las regiones estudiadas.

En Colombia, la producción de caña de azúcar para la elaboración de panela se ubica en zonas con topografía de montaña (región de la Hoya del río Suárez) y unido a las labores de labranza que se realizan para el establecimiento del cultivo, hace que los suelos sean propensos a la erosión (^{Vargas Diaz et al., 2023}). Las causas de la erosión del suelo y su control están definidas, sin embargo, se requiere conocer las tasas de pérdida de suelo (^{Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), 2019}). Por lo anterior, es importante poder cuantificar las pérdidas del suelo por erosión hídrica en dos escenarios de labranza y en las condiciones de precipitación típicas de la producción de caña de azúcar para la elaboración de panela en la región de la Hoya del río Suárez.

2. Materiales y Métodos

El estudio se localizó en el departamento de Santander (municipio de Vélez) a una altitud de 1.518 m s. n. m. La zona presenta precipitaciones promedio entre 1.000 y 2.000 mm por año y temperaturas promedio entre los 18° y 28 °C (^{Álvarez Contreras y Camacho Ariza, 2018}). El experimento se ubicó en un suelo con taxonomía Pachic Humudepts, paisaje de montaña, sobre la ladera estructural de un crestón en roca sedimentaria predominantemente de grano fino, la inclinación media de 12 % y la pendiente topográfica del sitio del experimento corresponde a la misma inclinación. En la Tabla 1 se muestran algunas características del suelo:

Tabla 1 Características del suelo en el ensayo desarrollado en el departamento de Santander (municipio de Vélez). / Soil characteristics in the test performed in the department of Santander (municipality of Vélez). 

El diseño experimental utilizado fue un modelo de efectos fijos de un factor con dos tratamientos (^{Montgomery, 2004}), donde el factor evaluado es el método de preparación o labranza primaria del suelo y los dos tratamientos corresponden a una alternativa de labranza reducida donde se prepara el suelo únicamente con un pase de cincel rígido (T1) y a la preparación convencional realizada por el agricultor que consiste en un pase de cincel rígido y dos pases de un arado de discos lisos (T2). Evaluando tres repeticiones por cada uno de los tratamientos para un total de seis parcelas de escorrentía cerradas. Cada una de las parcelas tiene un área confinada de 75 m² usando límites artificiales desmontables (construidos con lámina de hierro galvanizado) y con una capacidad de almacenamiento de agua de 1.250 litros (tanque A: 250 L y tanque B: 1.000 L) (Figura 1).

Figura 1 Esquema de instalación de las parcelas de escorrentía en el departamento de Santander (municipio de Vélez). / Layout scheme for runoff plots in the department of Santander (municipality of Vélez). 

Se realizó la caracterización de las lluvias mediante la visualización de las láminas de precipitación y el calculó de la tasa temporal de precipitación o profundidad por unidad de tiempo (mm h^-1) (intensidad de la lluvia) (^{Chow et al., 1994}). Después de uno o varios eventos de precipitación, las muestras de agua de escorrentía de cada una de las parcelas son colectadas al igual que los agregados presentes en la tolva (Figura 2). Estas muestras son llevadas al laboratorio donde se secan y se estima el peso seco de los sedimentos y de los agregados.

Figura 2 Toma de muestras en las tolvas y los tanques de las parcelas de escorrentía en el departamento de Santander (municipio de Vélez). / Sampling in the hoppers and tanks of the runoff plots in the department of Santander (municipality of Vélez). 

El estudio de la información se realizó usando análisis de varianza (ANOVA), para establecer si se presentaron diferencias en los tratamientos evaluados al final del ciclo estudiado. Se verificó la normalidad e igualdad de varianza en los residuos en el modelo de ANOVA. En los análisis se usó el software estadístico R® (^{R Core Team, 2020}).

3. Resultados y Discusión

Durante el periodo de evaluación, se registró la máxima precipitación el 16 de marzo del 2021 con una precipitación total de 75,2 mm, seguido de la del 16 de diciembre de 2019, con un valor de 63,6 mm, y de las lluvias registradas el 12 de octubre del 2020 y el 4 de noviembre con 49 mm y 47,4 mm, respectivamente. Asimismo, se observaron (Figura 3) dos periodos continuos de lluvia, el primero entre finales de abril y principios de agosto. El segundo periodo se registra desde finales de agosto hasta diciembre.

Figura 3 Precipitación diaria en mm del periodo de octubre de 2019 hasta marzo de 2021 en el departamento de Santander (municipio de Vélez). / A Daily precipitation in mm from October 2019 to March 2021 in the department of Santander (municipality of Vélez). 

Se seleccionaron las precipitaciones diarias superiores a 12,5 mm (36 eventos de lluvia). De las tormentas seleccionadas, se obtuvo un conjunto de curvas intensidad-duración para la zona (Figura 4A). Se observó (Figura 4B) que las intensidades promedio más altas fueron entre 20 y 40 mm h^-1 cuando la duración de las lluvias eran menores a 30 minutos.

Figura 4 Curvas intensidad-duración para las 36 tormentas (A) y curva de intensidad-duración máxima, promedio y mínima (B). / Intensity-duration curves for the 36 storms (A) and intensity-duration curve maximum, average and minimum (B). 

El ciclo de medición de pérdida de suelo correspondió a 539 días (77 semanas) comprendidos entre el 07 de octubre de 2019 y el 29 de marzo de 2021. Durante este periodo se realizaron 45 monitoreos en los cuales se tomó muestras del agua de escorrentía (Tabla 2).

Tabla 2 Número de eventos de muestreo realizados en las parcelas bajo evaluación. / Number of sampling events carried out in the plots under evaluation. 

Se aprecia en la Figura 5 que la pérdida total de sedimentos (PTS) que se midió en las parcelas de escorrentía tiene una correlación alta (> 0,8) con respecto a la pérdida de agua por escorrentía (PAE) en los tratamientos evaluados, indicando que entre mayor es PAE los valores de PTS se incrementan. Un comportamiento similar se observa con respecto a la lámina total aplicada (LTA), donde los valores de correlación positivos en los dos tratamientos muestran que entre más agua producida por las precipitaciones los valores de PTS y PAE tienden a incrementarse.

Figura 5 Correlación de Pearson para las variables: PTS (pérdida total de suelo), PAE (pérdida de agua por escorrentía) y LTA (lámina total acumulada). / Pearson correlation for the variables: PTS (total soil loss), PAE (loss of runoff water) and LTA (total accumulated sheet). 

En la Tabla 3 se puede observar la pérdida de suelo total por cada parcela en cada tratamiento, donde el T1 corresponde al tratamiento de labranza de conservación (labranza vertical con un pase de cincel rígido) y el T2 corresponde a la labranza convencional realizada por el agricultor (un pase de cincel rígido y dos pases de arado de disco). En cuanto a la pérdida de suelo promedio para un ciclo productivo de caña panelera (18 meses) bajo el tratamiento con labranza tradicional (T2) corresponde a 2,63±1,31 t ha^-1 ciclo^-1. Por otra parte, para el tratamiento con labranza de conservación (T1), la media de la pérdida de suelo correspondió a 0,4±0,3 t ha^-1 ciclo^-1. En el análisis de varianza se presentaron diferencias estadísticamente significativas (p < 0,05) entre los tratamientos evaluados, indicando que se puede disminuir (en 2,5 veces) la pérdida del suelo promedio utilizando labranza de conservación cuando se establezcan los cultivos de caña de azúcar en comparación con la labranza convencional.

Tabla 3 Pérdida de suelo y volumen de agua de escorrentía por tratamiento. SD: Desviación estándar. La pérdida de suelo anual corresponde al 66,66 % de la pérdida de suelo en el ciclo. t: tonelada, ha: hectárea, L: litros. / Loss of soil and volume of runoff water by treatment. SD: standard deviation; The annual soil loss corresponds to 66.66 % of the soil loss in the cycle. t: ton, ha: hectare, L: liters. 

Para poder comparar esta tasa de pérdida de suelo con otros estudios, es necesario llevarla a una tasa anual. Dado que el ciclo productivo corresponde a 18 meses, se estimó como tasa anual lo correspondiente al 66,66 % del total medido en cada parcela. Por tanto, para la labranza tradicional se encontró una tasa de pérdida anual de 1,76 t ha^-1 año^-1 y para la labranza de conservación de 0,27 t ha^-1 año^-1. Comparando las tasas de pérdida de suelo obtenidas en el presente estudio, con las tasas tolerables de pérdida de suelo que han sido establecidas en ^{FAO (2019)} de acuerdo con la tasa de formación media de suelo, las encontradas aquí se encuentran por debajo de estos valores umbrales (2 t ha^-1 año^-1).

Comparando estas tasas de pérdida de suelo con otros estudios en Colombia, como el realizado en el cultivo de caña para panela en Cundinamarca, los valores obtenidos en este trabajo son menores a las registradas a través de la implementación de un simulador de lluvia, que en cultivos con corte por parejo y una inclinación topográfica de 35 %, la pérdida de suelo anual estimada mediante la aplicación del modelo USLE fue de 27 t ha^-1 año^-1 (^{Tauta Muñoz et al., 2018}). La pérdida de suelo durante el primer año de desarrollo de un cultivo de caña de azúcar en un suelo con 9 % de pendiente fue de 2,58 t ha^-1 año^-1 (^{Youlton et al., 2016}), valores similares a los encontrados en el presente estudio.

En la Figura 6 se puede observar la pérdida de suelo acumulada durante el tiempo del desarrollo vegetativo del cultivo, así como la precipitación mensual durante dicho periodo. De la gráfica se aprecia que, durante todo el ciclo productivo, la pérdida de suelo acumulada fue mayor para el tratamiento con labranza tradicional (T2), llegando a ser hasta 2,5 veces mayor que la pérdida acumulada para el tratamiento con labranza de conservación (T1).

Figura 6 Pérdida de suelo acumulado (A) y volumen de agua de escorrentía acumulada (B) durante un ciclo productivo de caña para panela en el departamento de Santander (municipio de Vélez). / Accumulated soil loss (A) and accumulated runoff water volume (B) during one canesugar crop cycle for panela production iin the department of Santander (municipality of Vélez). 

Aunque el suelo evaluado presentó condiciones favorables como un terreno muy estable (DMP > 5 mm) (^{Gómez Giraldo, 2016}) (Tabla 1), con alto contenido de materia orgánica (^{González Aguilar et al., 2021}) y sin limitaciones para el desarrollo radicular de los cultivos por compactación (densidad aparente < 1,5) (^{Roncallo et al., 2012}), es importante señalar que los meses con mayor pérdida de suelo estuvieron directamente relacionadas con los periodos de precipitación, siendo mayor el incremento de pérdida de suelo acumulado (mayor pendiente de cada gráfica) durante los primeros 3 meses de desarrollo del cultivo donde el suelo se encontraba sin cobertura vegetal, justo después de la siembra de la caña. Este comportamiento en la tasa de perdida de suelo refleja la influencia que tiene la cobertura (por cierre de calles del cultivo y caída de hojas secas) (^{Silva et al., 2012}), indican que, con el incremento de la cobertura vegetal, se presenta una disminución exponencial de la pérdida de suelo.

Para el caso de la escorrentía (Figura 6) se presentó el mismo comportamiento descrito para la pérdida de suelo. Los mayores volúmenes de agua de escorrentía durante todo el periodo de desarrollo vegetativo fueron registrados en las parcelas con el tratamiento de labranza tradicional (T2). Adicionalmente, en la gráfica se observa que los incrementos significativos en el volumen de escorrentía acumulado se encuentran directamente relacionados con los periodos de precipitación presentados durante el desarrollo del cultivo. Finalmente, es importante resaltar que durante los primeros 6 meses de desarrollo de cultivo, la escorrentía acumulada en el tratamiento con labranza de conservación (T1) es baja (comportamiento asintótico al eje x), comportamiento que se espera dado que la labranza únicamente con cincel forma pequeñas “zanjas” en el suelo que sirven como “trincheras” o “trampas” tanto para el agua de escorrentía como para los sedimentos en suspensión (^{Ortiz Cañavate, 2012}).

4. Conclusiones

La pérdida del suelo y el volumen de agua por escorrentía puede disminuirse en el establecimiento de cultivos de caña de azúcar para la producción de panela en zonas de ladera, utilizando técnicas de labranza reducida, mitigando así el impacto de deterioro del suelo.

El periodo de mayor susceptibilidad a la pérdida de suelo es después de la labor de preparación de suelo, ya que queda expuesto a las condiciones ambientales que puedan presentarse y es importante establecer medidas y prácticas de conservación en este punto, para reducir el efecto de la erosión.