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Introducción
El potencial que tienen los métodos geofísicos para estudiar el subsuelo ha sido reconocido desde hace mucho tiempo, mostrando que pueden brindar ventajas competitivas muy importantes en el mercado con sus aplicaciones iniciales en la investigación de la estructura y el funcionamiento interno de la Tierra (Bruckshaw, 1948; Steeples, 2001). Dichos métodos incluyen tectonofísica, meteorología, oceanografía, física y sismología, que han tenido un uso intensivo por parte de la industria petrolera desde principios del siglo XX (Dezert, Fargier, Palma Lopes y Côte, 2019). Gracias a estos métodos, los estudios de arqueología ambiental, hidrogeología, ingeniería geotécnica y petrofísica se hicieron cada vez más comunes en 1970 (Diallo, Cheng, Rosa, Gunther y Chouteau, 2019; Paz, Alcalá, Carvalho y Ribeiro, 2017). De igual manera, también hubo alguna actividad de investigación agrícola de 1930 a 1945 relacionada con la medición de la humedad del suelo con métodos de resistividad eléctrica (Edlefsen y Anderson, 1941; Kirkham y Taylor, 1949), pero en su mayor parte, la aplicación de métodos geofísicos a la agricultura e ingeniería forestal no ganó impulso hasta la década de 1970 y 1980, con el uso de métodos eléctricos y electromagnéticos para la evaluación de la salinidad del suelo y densidad de raíces (Halvorson y Rhoades, 1974; Read y Cameron, 1979; Tardieu, 1988).
Los métodos geofísicos pueden ser una herramienta importante, para el manejo y entendimiento de los procesos que ocurren en el subsuelo en el ámbito agrícola y forestal. Los desarrollos propuestos por la geofísica han incluido métodos eléctricos y electromagnéticos, como son las tomografías de resistividad eléctrica (ERT, por sus siglas en inglés) y el radar de penetración terrestre (GPR, por sus siglas en inglés), desarrollados para el monitoreo del agua, la evaluación de la salinidad y el mapeo del levantamiento del suelo (Butnor, Doolittle, Kress, Cohen y Johnsen, 2001; Chow y Rees, 1989; Halvorson y Rhoades, 1974; Vanderborght, Huisman, van der Kruk y Vereecken, 2013). En la actualidad, las aplicaciones agrícolas y forestales de los métodos geofísicos de ERT y GPR continúan aumentando rápidamente; además, otros métodos geofísicos, como la magnetometría y sísmica, ahora están comenzando a encontrar igualmente un uso en estas disciplinas (Bitella et al., 2015; Cimpoiasu, Kuras, Pridmore y Mooney, 2020).
Aplicaciones y profundidad en la investigación agrícola y forestal
La mayoría de los estudios geofísicos realizados en la industria petrolera tiene un interés en la profundidad de investigación inferior a 1 km. (Bruckshaw, 1941; Jones, 2018). Por otra parte, la geofísica aplicada a la investigación hidrogeológica para determinar los recursos de agua subterránea y su conectividad, generalmente tienen interés a una profundidad no mayor a 250 m (Kelly y Mares, 1993; Sánchez-Higueredo et al., 2020; Senos Matias, Marques da Silva, Ferreira y Ramalho, 1994). Sin embargo, la prospección geofísica aplicada a las ciencias agrícolas y forestales varía drásticamente en escala con respecto a la profundidad de interés de la investigación. Hoy en día, existe una demanda creciente de tecnologías de prospección en la superficie para estudiar un amplio espectro de características y propiedades del suelo que tienen implicaciones en la agricultura y en las ciencias ambientales. Dichas implicaciones abarcan desde el análisis espacial y temporal del contenido de agua, hasta la detección de contaminantes, y desde el análisis de fertilidad y salinización del suelo, hasta el estudio de las interacciones suelo-raíz (Cassiani, Boaga, Vanella, Perri y Consoli, 2015).
En estudios de fisiología de cultivos y ecosistemas naturales, el entorno físico subterráneo considerado tradicionalmente, comprende la relación agua-suelo-planta-atmósfera (Nimah y Hanks, 1973; Tinker, 1976). En este contexto, la geofísica agrícola tiende a centrarse en gran medida en una zona de 2.5 m directamente debajo de la superficie del suelo, que incluye la zona de raíces y la mayor parte del perfil del suelo (Allred, Ehsani y Daniels, 2008; Liu, Dong y Leskovar, 2016). Los estudios de geofísica forestal, por otro lado, se centran a una profundidad máxima de 4 m del suelo; zona donde se obtiene mayor información de los recursos de agua y nutrientes que los árboles adquieren y movilizan a lo largo de todo el perfil (Bitella et al., 2015;Jones, Cassidy, Thomas, Plante y Pringle, 2009;Zenone et al., 2008) y que no solo incluye el suelo, sino también el lecho de roca degradada química y físicamente (roca intemperizada), donde la rizosfera se extiende comúnmente (Dawson, Hahm y Crutchfield-Peters, 2020; Rodriguez-Robles, Arredondo, Huber-Sannwald, Ramos-Leal y Yepez, 2017).
A menudo las técnicas geofísicas se usan en combinación, porque en la fase de interpretación la ambigüedad que surge de los resultados de un método de detección se puede resolver en función de los resultados de otro método (Rodriguez-Robles et al., 2017; Vanderborght et al., 2013). Los tomogramas (ERT) y radargramas (GPR) -dos técnicas de imágenes geofísicas- tienen un sustancial futuro en el campo agrícola y forestal. Estas técnicas ofrecen información de varios procesos físicos que afectan la estructura del suelo en múltiples escalas espaciales y temporales (Corwin y Scudiero, 2019; Freeland, Yoder y Ammons, 1998; Allred, Freeland, Farahani y Collins, 2010), y brindan pautas para la identificación de mecanismos biológicos, al vincular la geodiversidad con las características hidrológicas del sustrato rocoso y la ecología de raíces (Rodriguez-Robles et al., 2017; Schwinning, 2010).
Atinadamente, las imágenes geofísicas han recibido una atención creciente en los últimos años dentro de la comunidad científica gracias a su carácter no destructivo y su capacidad para proporcionar información sobre las características del subsuelo en grandes áreas (Morari, Castrignano y Pagliarin, 2009; Pawlik y Kasprzak, 2018). Los agrónomos, silvicultores, ecólogos, fisiólogos y ecohidrólogos necesitan información detallada sobre la salud vegetal, las propiedades y procesos del suelo - incluidos los cambios en el nivel freático-, las sales y otros elementos que pueden influir en la productividad y el funcionamiento de los ecosistemas y sistemas agrícolas (Piccoli, Furlan, Lazzaro y Morari, 2019). En suma, la ERT y el GPR son dos técnicas de investigación muy atractivas para la comunidad científica, que permiten mapear con precisión el subsuelo; graficar enraizamiento, monitorear flujos subterráneos y contenidos de agua, identificar movimiento de sales, agroquímicos y zonas de infiltración, sin generar perturbaciones (Tabla 1).
Tabla 1 Aplicaciones potenciales de las técnicas de tomografías de resistividad eléctrica (ERT) y radar de penetración terrestre (GPR) en el campo agrícola y forestal.
| Método geofísico | Aplicación | Literatura |
| ERT | Mapeo de clases de drenaje de suelo. | (Consoli et al., 2017; Kravchenko, Bollero, Omonode y Bullock, 2002; Michot et al., 2003) |
| GPR | Medición de micro-variabilidad en las profundidades del horizonte del perfil del suelo. | (Rodriguez-Robles, Arredondo, Huber-Sannwald, Ramos-Leal y Yepez, 2017) |
| GPR | Determinación de la profundidad de la roca madre en paisajes glaciares. | (Collins, Doolittle y Rourke, 1989) |
| ERT y GPR | Enraizamiento, biomasa y estructura radical. | (Amato et al., 2009; Nadezhdina y Cermak, 2003; Rodriguez-Robles et al., 2017; Rossi et al., 2011; Tardieu, 1988) |
| GPR | Identificación de vías de flujo subterráneas. | (Freeland, Yoder y Ammons, 1998; Yoder, Freeland, Ammons y Leonard, 2001) |
| GPR | Detección de tuberías de drenaje en campos agrícolas. | (Allred, 2013; Allred, Fausey, Chen y Peters, 2004; Chow y Rees,1989) |
| ERT | Evaluación de la salinidad del suelo. | (Corwin y Scudiero, 2019; Jayawickreme, Santoni, Kim, Jobbagy y Jackson, 2011) |
| ERT | Delimitación de cambios espaciales en las propiedades del suelo. | (Triantafilis y Monteiro Santos, 2013; Wu et al., 2019) |
| ERT y GPR | Determinación del contenido de agua del suelo. | (Hagrey, 2007; Reedy y Scanlon, 2003) |
| GPR | Mapeo de características subterráneas poco profundas. | (Freeland et al., 1998; Lorenzo, Perez-Gracia, Novo y Armesto, 2010) |
| ERT y GPR | Identificación de movimiento de agroquímicos. | (Yoder et al., 2001) |
| ERT | Detección de lesiones y cavidades en arboles vivos. | (Hagrey, 2007; Soge, Popoola, y Adetoyinbo, 2018) |
Principios de las técnicas geofísicas
Los métodos geofísicos son una herramienta emergente que involucra técnicas no invasivas para tener información valiosa de las condiciones o características del subsuelo y la superficie cercana. Todos los métodos geofísicos miden indirectamente las distribuciones de propiedades físicas del subsuelo (Jayawickreme, Jobbagy y Jackson, 2014; Tosti, Patriarca, Slob, Benedetto y Lambot, 2013). La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) utiliza un campo eléctrico de baja frecuencia para determinar la estructura de resistividad eléctrica del subsuelo y el radar de penetración terrestre (GPR) utiliza ondas electromagnéticas de alta frecuencia que son sensibles a la permitividad dieléctrica de un material del substrato (Leucci, Margiotta y Negri, 2004; Ward, 1987). Los datos generalmente se obtienen sobre la superficie del suelo, pero -a diferencia de la mayoría de las técnicas de detección remota-, los datos geofísicos contienen información sobre la variabilidad en las propiedades del subsuelo.
Tomografías de Resistividad Eléctrica, ERT
El principio de funcionamiento de la ERT es la inyección de una corriente eléctrica conocida en el subsuelo a través de un conjunto de electrodos de transmisión y en la posterior medición de la diferencia de voltaje con un conjunto de electrodos receptores. La ERT del subsuelo se basa en variabilidad de la resistencia a la conductancia de la corriente eléctrica (Corwin y Lesch, 2005), la cual diferirá en materiales subsuperficiales, dependiendo de las variaciones en el contenido de humedad, densidad y composición química. De esta manera, los tomogramas ERT pueden proporcionar información sobre la distribución espacial de la resistividad eléctrica (es decir, la conductividad eléctrica) en el subsuelo (Walter, Luck, Heller, Bauriegel y Zeitz, 2019).
El estudio de imágenes ERT se lleva acabo utilizando una distribución de electrodos a lo largo de perfiles individuales colocados en la superficie externa del terreno a explorar. La separación y el número de electrodos dependen del tamaño del área de estudio y la resolución requerida. A medida que aumenta el espaciado entre electrodos, aumenta la profundidad de penetración y disminuye la resolución efectiva de la imagen (tomograma ERT). La resistividad eléctrica en la mayoría de los suelos disminuye con el incremento del contenido de agua en el poro, la salinidad (contenido iónico y movilidad) y la conductividad hidráulica, así como la temperatura (que reduce la viscosidad y aumenta la movilidad iónica) (Allred, Ehsani y Daniels, 2008; Ward, 1987). En zonas agrícolas y forestales con matriz muy resistiva, los suelos conducen electricidad a través de los electrolitos del agua intersticial o tisular (Akpan, Ilori y Essien, 2015; Ward, 1987).
Radar de Penetración Terrestre, GPR
El GPR por su parte, es una técnica electromagnética utilizada para detectar cambios en las propiedades físicas del subsuelo de baja profundidad, operando dentro de frecuencias de 20 MHz a 2.5 GHz. Una unidad GPR consta de tres componentes básicos: la unidad de control (incluido el generador de impulsos, la computadora y el software asociado), las antenas blindadas (incluidas el par de antenas de transmisión y recepción) y la unidad de visualización (Hirano et al., 2008). Durante la detección del GPR, la energía electromagnética de alta frecuencia, generada al transmitir la antena, se propaga por el suelo en forma de ondas. Cuando las ondas del GPR atraviesan interfaces entre medios con diferentes propiedades eléctricas o magnéticas, se generan reflexiones y una parte de la energía reflejada de nuevo en la superficie, será registrada por la antena receptora (Butnor et al., 2001). Las ondas reflejadas se combinan en una traza de reflexión, registrando el tiempo de viaje en dos sentidos; es decir, el tiempo transcurrido entre la emisión y la detección de la señal reflejada. Los datos recopilados en tiempo real pueden manipularse en información detallada que proporcione la profundidad, orientación y tamaño de las características del subsuelo (Cui et al., 2011). La profundidad de penetración y la resolución dependen de la longitud de onda y de la frecuencia del método GPR aplicado a una amplia gama de problemas agrícolas, como el mapeo de la geometría de la raíz de la planta y el mapeo rápido del contenido de agua del suelo (Tabla 1). Otro uso potencial de imágenes GPR podría ser para ubicar tuberías de plástico de drenaje agrícola enterradas. La profundidad de penetración de la señal del GPR y el tamaño mínimo en el que se puede detectar un objeto están inversamente relacionados con la frecuencia de la antena empleada. Las antenas GPR de baja frecuencia (50 MHz - 250 MHz) son mejores para ubicar objetos más grandes (tuberías de 30 cm de diámetro) y profundamente enterrados (10 m - 20 m), y las antenas GPR de alta frecuencia (entre 1 GHz y 2.3 GHz) son más aplicables para objetos pequeños (tuberías de 3 cm a 5 cm) y poco profundos (0.1 m - 0.3 m), en gran medida la resolución y la profundidad de la investigación va a depender de las características dieléctricas del suelo. Una implicación importante con respecto a los problemas de profundidad de la investigación y detección es utilizar los GPR con la configuración adecuada, que proporcione una profundidad de investigación similar a la profundidad de interés (Barton y Montagu, 2004).
Uso potencial agrícola y forestal para las imágenes geofísicas: radargramas-GPR Y tomogramas-ERT
En el 2000, los métodos y herramientas geofísicas seguían siendo difíciles de acceder para usos más rutinarios debido a los altos costos de los equipos y la dificultad de las campañas de prospección, así como a la escasez de instrumentación adecuada para las mediciones superficiales del subsuelo. Los avances recientes en electrónica e instrumentación, adquisición y procesamiento de datos y visualización e interpretación de imágenes han reducido muchas de las limitaciones anteriores. A pesar de la necesidad de disponer de datos superficiales del subsuelo, la comunidad agrícola y forestal se ha mantenido en su mayoría sin conocimiento de los avances recientes en imágenes geofísicas que pueden beneficiar en gran medida su producción y el entendimiento de fenómenos ecológicos que se detonan en el subsuelo (Mares, Barnard, Mao, Revil y Singha, 2016; Rodriguez-Robles et al., 2017; Yoder, Freeland, Ammons y Leonard, 2001). Como profesionales estamos llamados a buscar estrategias que permitan superar los grandes retos, siendo clave para esto la incorporación de nuevas tecnologías que amplíen la visión integral del fenómeno de estudio. Las técnicas como el GPR y ERT pueden transcender cualquier campo, desde las biogeociencias hasta las ciencias forenses (Barone y Di Maggio, 2019; Cermak, Nadezhdina, Trcala y Simon, 2015; Khaldaoui, Djeddi, Zagh y Naa, 2017). Las aplicaciones de las imágenes geofísicas en las que los tomogramas-ERT y radargramas-GPR pueden proporcionar información valiosa para fines agrícolas y forestales se enlistan en la tabla 1.
En el texto a continuación se analiza el impacto y la sensibilidad que pueden tener estas dos tecnologías en la agricultura y en el campo forestal para comprender procesos ecohidrológicos. Se utilizaron como zona de estudio los biomas de pastizal y bosque semiárido, en donde se utilizaron imágenes de tomografías-ERT, para evaluar los cambios de humedad en el perfil del suelo y los radargramas-GPR, para identificar la distribución de raíces por árboles en un sustrato rocoso poco profundo.
Pastizal semiárido
Los cultivos agrícolas anuales a menudo tienen raíces poco profundas y, a diferencia de las especies nativas, no pueden extraer agua con bajo potencial mátrico (Canadell et al., 1996). Así, con temporadas de crecimiento más cortas y otras diferencias de los cultivos en comparación con la vegetación semiárida, como los pastizales naturales, permitiría que no se utilice un mayor volumen de humedad del suelo (Boenecke, Lueck, Ruehlmann, Gruendling y Franko, 2018). De esta manera, la agricultura en entornos semiáridos puede conducir al inicio del drenaje de aguas profundas en el suelo (Fernández-Cirelli, Arumí, Rivera y Boochs, 2009). Por lo tanto, se necesita cada vez más información espacial de la distribución de las raíces de las plantas y de los volúmenes de agua almacenados en suelo, para comprender y gestionar el comportamiento de los cultivos.
La sensibilidad de la resistividad eléctrica o la conductividad por el contenido de agua puede explotarse para explorar muchos fenómenos ecológicos y agronómicos (Jayawickreme et al., 2014; Rodriguez-Robles et al., 2017). En la agricultura, los métodos ERT y GPR se han propuesto como una técnica no destructiva para cuantificar y mapear la biomasa de las raíces, pero se necesita evidencia sobre la aplicabilidad de la técnica a baja densidad de raíces en cultivos agrícolas.
En un estudio de caso, realizado en parcelas de maíz-frijol ubicadas en la estación de investigación Vaquerías del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias en el municipio de Ojuelos, Jalisco, México (21°46′52.25″ N, 101°36′29.56 ″ O), se utilizó una combinación de técnicas (ERT y GPR) para resaltar la variación de la resistividad / contenido de agua. A lo largo de un transecto de 22 m de distancia que cruzaba seis parcelas de 2.0 m × 2.0 m se realizó un levantamiento de resistividad 2D (SYSCAL KID SWITCH-24, IRIS instruments) con una matriz Wenner-Schlumberger con 46 electrodos alineados en la superficie del suelo y una separación de electrodos de 0.5 m. Además, se realizó un levantamiento GPR en la misma línea con un equipo de georradar (MALÅ RAMAC X3M GPR - ProEx system) con una antena de 800 MHz acoplado a una rueda de inspección (odómetro).
En la sección ERT 2D la resistividad osciló entre 10 Ω m y 60 Ω m hasta una profundidad de 2.5 m. Los valores de resistividad más altos (40 Ω m a 60 Ω m) se asociaron a la presencia de raíces activas que mantienen bombeo de agua de la capa del suelo, desecándolo en los primeros 80 cm (color rojo - naranja). Por el contrario, los valores más bajos (10 Ω m a 39 Ω m) podrían atribuirse a un mayor contenido de agua y / o presencia de arcilla (color azul - gris, Fig. 1). Las imágenes ERT en las parcelas 5 y 6 (a los 16 m y a los 22 m de distancia en transecto) muestran la resistividad más baja con valores de 11 Ω m. Esta sección es un área control desprovista de vegetación que contrasta con el resto de las parcelas por existir una tasa de pérdida menor de agua (i.e. evapotranspiración) que en el resto (Figs. 1c-d y 2c-d). La imagen GPR correspondiente al perfil ERT (Fig. 3) exhibe una mayor atenuación de la señal hiperbólica en el lado derecho y esto puede estar asociado al aumento del agua en el suelo y a la falta de raíces. La imagen GPR ayudó a interpretar la distribución espacial de las raíces en las parcelas, así como los perfiles del sustrato. Se puede observar en los primeros 35 cm de profundidad, un perfil con bastante ruido, debido a la labranza del suelo dentro de las parcelas. Algunas dificultades en la interpretación de los radares crudos (perfiles de radar sin filtrar) incluyen el ruido y las áreas fantasma causadas por las características de los suelos removidos (Hirano et al., 2008). Sin embargo, la imagen GPR muestra claras reflexiones hiperbólicas que corresponden a la posición de las raíces de las plantas, validadas con excavaciones a ciertas profundidades (ver círculos, Fig. 3).
El color azul indica la zona con menor resistividad (mayor disponibilidad de agua) y el color rojo es la zona más resistiva (menor disponibilidad de agua) para el día 08 de agosto de 2016, previo al evento de precipitación. Los rectángulos en color gris representan las parcelas experimentales con maíz y frijol. Las estrellas color rojo, son las parcelas control.
Figura 1 Tomogramas ERT en parcelas experimentales de 2 m × 2 m a lo largo de un transecto de 23 m con un perfil de suelo de 2.5 m de profundidad.
El color azul indica la zona con menor resistividad (mayor disponibilidad de agua) y el color rojo es la zona más resistiva (menor disponibilidad de agua) para el día 09 de agosto de 2016, posterior a un evento de precipitación de 21 mm. Los rectángulos en color gris representan las parcelas experimentales con maíz y frijol. Las estrellas color rojo, son las parcelas control.
Figura 2 Tomogramas ERT en parcelas experimentales de 2 m × 2 m a lo largo de un transecto de 23 m con un perfil de suelo de 2.5 m de profundidad.
El radargrama GPR se generó con una antena blindada de 800 MHz y filtros de paso de banda para eliminar el ruido de baja y alta frecuencia. Los reflejos en forma hiperbólica representan los reflectores de las raíces. Los círculos de diferentes tamaños representan raíces de diferente diámetro. Seis raíces que fueron excavadas para la calibración del radargrama GPR. El radargrama y tomograma (perfil de la figura 1d) mostraron una relación entre la posición de las raíces y la alta resistividad del suelo (menor disponibilidad de agua). Los rectángulos en color gris representan las parcelas experimentales de 2 m × 2 m con maíz y frijol
Figura 3 Distribución espacial de raíces (sección transversal) de Zea mays y Phaseolus vulgaris L. a lo largo de un transecto de monitoreo de 23 m con un perfil de suelo de 2.25 m de profundidad.
La figura 2 muestra una imagen ERT que fue levantada al día siguiente, tras un evento de precipitación de 21 mm, se puede observar detalladamente las zonas de mayor infiltración y cómo va cambiando la resistividad del suelo (56 Ω m a 22 Ω m), las regiones de mayor humedad se marcan en azul. Por otra parte, la imagen ERT 3D correspondiente al perfil ERT (Fig. 4) muestra cortes a cada 25 cm de profundidad en la que se muestran perfiles horizontales de la sumatoria de los cuatro perfiles que conforma la figura 2. En los primeros 25 cm se observa mayor variabilidad en los valores de resistividad, debido a las zonas de mayor evaporación y sumideros de agua, a diferencia del perfil más profundo (125 cm - 150 cm) donde los valores más bajos de resistividad se asocian a las zonas de retención de humedad por infiltración y flujos horizontales. Por lo tanto, como en toda exploración geofísica la interpretación de la imagen requiere de una calibración en el terreno (Barton y Montagu, 2004)
Imagen en capas del subsuelo obtenida mediante barridos con perfiles separados de 2 m. Las secciones de los perfiles a, b, c y d (líneas color blanco) corresponden a los perfiles de las figuras 1 y 2. Los seis cortes transversales de la imagen ERT 3D, muestran una profundidad promedio de 25 cm. Error de predicción (error estándar promedio) de 17.5%. Espaciamiento entre electrodos: X = 1m y Y = 3m.
Figura 4 Tomograma ERT en secciones 3D del terreno para la caracterización de la capa del suelo cultivable.
En la última década, los sensores geofísicos basados en la medición no destructiva de la conductividad eléctrica del suelo (o su resistividad inversa) se han utilizado ampliamente en la agricultura de precisión (Boenecke et al., 2018; Corwin y Lesch, 2005). Las imágenes ERT y GPR usadas en la investigación del subsuelo de baja profundidad, permiten elaborar una cartografía espacio temporal de la humedad mediante secciones horizontales y verticales para su mejor interpretación (Lunt, Hubbard y Rubin, 2005). A través del uso adecuado del agua y de fertilizantes, los rendimientos de las cosechas pueden optimizarse y la agricultura se vuelve menos dependiente de los patrones de precipitación (Jayawickreme, Santoni, Kim, Jobbagy y Jackson, 2011). Cuando se conjuntan ambos tipos de imágenes geofísicas para su interpretación se puede conocer la distribución de las raíces (diámetro, profundidad, elongación) y la ubicación de la capa freática o zonas de humedad, ajustando la dosis de fertilizantes de acuerdo con la cantidad de agua disponible en el suelo (von Hebel et al., 2014; Yoder et al., 2001).
Bosque tropical semiárido
Los nichos hidrológicos determinan qué especies pueden coexistir en ambientes semiáridos y cómo responden las especies a eventos hidrológicos extremos como la sequía. Un componente importante del nicho hidrológico implica la división de las fuentes de agua, pero en paisajes caracterizados por suelos poco profundos sobre lechos de roca fracturada, el crecimiento de las raíces está altamente limitado (Poot, Hopper y van Diggelen, 2012). Se ha sugerido que las marcadas diferencias en los patrones de enraizamiento entre especies sirven como adaptaciones que minimizan la competencia por el agua durante períodos prolongados cuando no ocurre precipitación y las capas superiores del suelo se vuelven extremadamente secas (Brassard, Chen y Bergeron, 2009; David et al., 2013). Generalmente se piensa que los suelos poco profundos son restrictivos para el crecimiento vertical de las raíces porque a menudo cubren el lecho rocoso consolidado impidiendo que el agua del suelo y las raíces se trasladen hacia abajo (Poot & Lambers, 2008); se sabe muy poco sobre la distribución de las raíces que crecen bajo este tipo de suelo, lo cual principalmente se debe a las dificultades de excavación (Estrada-Medina, Tuttle, Graham, Allen y Jimenez-Osornio, 2010). Así, en el caso de las raíces gruesas de los árboles generalmente se examinan utilizando métodos de excavación (por ejemplo, zanjas y trincheras de sistemas de raíces) (Schroth y Kolbe, 1994; Tennant, 1975). Mientras que las raíces finas se han estudiado mediante técnicas de muestreo secuencial de núcleos de suelo y con el uso de núcleos de crecimiento libre de raíces (Dornbush, Isenhart y Raich, 2002; Welbank y Williams, 1968; Yuan y Chen, 2013).
Para explorar el potencial de los métodos geofísicos, se utilizó como caso de estudio un ecosistema forestal en la Sierra de San Miguelito (SSM), San Luis Potosí, México. La SSM divide los ecosistemas áridos de matorrales hacia el norte y el bioma de pastizal semiárido hacia el sur (22.044388 N, -101.126643 O). Como la presencia y el éxito del bosque en este sitio no pueden explicarse en términos de condiciones climáticas, se implementó el GPR con una gama de antenas blindadas de diferentes frecuencias (50 MHz, 250 MHz y 500 MHz) para identificar las condiciones geológicas que pueden explicar la presencia de este bosque. La SSM es un macizo montañoso de rocas volcánicas impermeables, altamente degradado por procesos de exfoliación (desprendimiento en láminas), caracterizado por suelos poco profundos (< 25 cm). A pesar de los suelos delgados, el complejo volcánico de la SSM sostiene una compleja vegetación de bosque tropical semiárido con presencia de pinos y encinos (Rodríguez-Robles, Arredondo, Huber-Sannwald y Vargas, 2015). Estudios recientes sugieren que las especies arbóreas nativas pueden tener la capacidad de extraer agua del lecho rocoso subterráneo (Proust et al., 2011; Querejeta, Estrada-Medina, Allen, Jimenez-Osornio y Ruenes, 2006; Schwinning, 2013); sin embargo, la mayoría de estos estudios se centran en sitios de roca permeable (por ejemplo, calizas).
Los radargramas-GPR derivados de la antena de 50 MHz diferenciaron una capa de 0.25 m que correspondía al suelo poco profundo (Fig. 5a), con afloramientos rocosos en la superficie (p. ejemplo, 5 m, 12 m, 41 m, 45 m). Debajo de esta capa, los radargramas exhibieron una capa altamente fracturada con depósitos de tierra dispersos y regolitos debido a la meteorización de las rocas (entre 0.25 m y 0.75 m). Más allá de 0.75 m, el radargrama-GPR mostró material de roca fresca de varios metros de espesor, sin fisuras ni grietas. Sin embargo, cuando se usó la antena de 250 MHz y una serie de rutinas de procesamiento como eliminación de fondo y la migración de Stolt FK, se pudo observar placas curvas desprendidas derivadas de costras de rocas subterráneas (rocas exfoliadas como producto de procesos de meteorización mecánica) y la distribución de las raíces leñosas gruesas debajo de las rocas exfoliadas (Figs. 5b, c).
Los reflejos de forma hiperbólica representan los reflectores raíz. Los tamaños de los círculos son indicativos de diferentes tamaños de diámetro de las raíces y las líneas punteadas indican las raíces utilizadas para la calibración, (e) se excavó una raíz poco profunda in situ para la calibración, (f) sistema GPR con una antena blindada de frecuencia de 250 MHz, el área azul se refiere a la zona de mayor humedad en la interfaz de la roca erosionada y suelo.
Figura 5 Radargramas GPR: (a) sistema GPR con una antena blindada de frecuencia de 50 MHz utilizada para identificar la profundidad del suelo y las rocas meteorizadas, (b) sistema GPR con una antena blindada de frecuencia de 250 MHz y migración Stolt FK, utilizada para detectar la distribución de raíces leñosas debajo de rocas exfoliadas, (c) fotografía in situ, que muestra la raíz leñosa gruesa de Quercus potosina anclada en rocas exfoliadas, (d) sistema GPR con una antena blindada de frecuencia de 500 MHz, aplicando filtros de paso de banda (filtro de paso alto y filtro de paso bajo) para eliminar ambos ruidos de baja y alta frecuencia.
Los radargramas-GPR con la antena de 500 MHz (Fig. 5d), el filtrado de paso de banda y la eliminación de fondo permitieron delinear y ubicar raíces en el suelo rocoso (0 m - 0.45 m). Las hipérbolas de estas raíces se hicieron visibles y la amplitud de las ondas reflejadas disminuyó al disminuir el diámetro de la raíz (Fig. 5d). Las raíces detectadas con GPR en los diferentes rodales se validaron y calibraron en el campo (Fig. 5e), mostrando diámetros de 2.5 cm a 7.5 cm a una profundidad máxima de 40 cm. Los rodales de Pinus cembroides mostraron mayor número de raíces gruesas (458 raíces, Ø > 6 cm) a diferencia de los radales de Quercus potosina, que mostraron el mayor número de raíces en la clase de menor diámetro (412 raíces, Ø 2.5 - 3 cm, Tabla 2). La evidencia de la distribución del agua se puede ver en la figura 5f, donde las zonas de húmedas marcadas en color azul ocurren a ~ 50 cm y debajo de la roca exfoliada (Fig. 5b).
Tabla 2 Número total de raíces detectadas y diámetro medio de raíz para cada clase diamétrica en rodales monoespecíficos de Pinus cembroides y Quercus potosina y rodales mixtos de pino-encino, estimadas a partir de radargramas-GPR.
| Pinus cembroides | Quercus potosina | Bosque mixto | |||||||
| Clase diamétrica (cm) | Raíces detectadasa | Transectos en los que se encontraron raíces b | Media ±SEc | Raices dectectadasa | Transectos en los que se encontraron raíces b | Media ±SEc | Raices dectectadasa | Transectos en los que se encontraron raíces b | Media ±SEc |
| 2.5 - 3.0 | 204 | 16 | 2.65 ± 0.05 | 412 | 16 | 2.63 ± 0.12 | 500 | 16 | 2.65 ± 0.12 |
| 3.0 - 3.5 | 36 | 16 | 3.28 ± 0.01 | 56 | 16 | 3.28 ± 0.36 | 27 | 12 | 3.28 ± 0.07 |
| 3.5 - 4.0 | 19 | 15 | 3.92 ± 0.01 | 43 | 14 | 3.87 ± 0.14 | 104 | 16 | 3.92 ± 0.15 |
| 4.0 - 4.5 | 13 | 4 | 4.63 ± 0.44 | 19 | 7 | 4.25 ± 0.08 | 16 | 6 | 4.13 ± 0.50 |
| 4.5 - 5.0 | 103 | 13 | 4.58 ± 0.02 | 122 | 9 | 4.55 ± 0.11 | 169 | 13 | 4.60 ± 0.08 |
| 5.0 - 5.5 | 12 | 4 | 5.23 ± 0.02 | 17 | 9 | 5.20 ± 0.68 | 62 | 16 | 5.22 ± 0.08 |
| 5.5 - 6.0 | 17 | 13 | 5.88 ± 0.01 | 23 | 14 | 5.84 ± 0.03 | 53 | 15 | 5.84 ± 0.26 |
| > 6.0 | 458 | 8 | 7.57 ± 0.97 | 160 | 13 | 7.67 ± 0.87 | 573 | 14 | 7.61 ± 1.00 |
| Todas las clases | 862 | 16 | 4.71 ± 1.54 | 852 | 16 | 4.66 ± 1.58 | 1504 | 16 | 4.65 ± 1.56 |
Finalmente, se analizó la distribución espacial de las raíces para los diferentes rodales, se muestra que el diámetro de la raíz tendía a aumentar a medida que aumentaba la profundidad del suelo en el caso de los rodales de pino puro (Figs. 6a, b). En contraste, el diámetro de las raíces, en los rodales de encinos puros, tienden a disminuir a medida que aumenta la profundidad del suelo (Figs. 6c, d), mientras que en los rodales mixtos observamos una tendencia a la disminución del diámetro en las raíces más profundas (Figs. 6e, f).
Los reflejos de forma hiperbólica representan los reflectores de las raíces. En negro se representa la roca volcánica. Los radargramas GPR de las raíces después del filtro de eliminación de fondo (b, d y f). Las flechas negras indican raíces que se detectaron para la calibración de GPR.
Figura 6 Distribución vertical de raíces de (a) Pinus cembroides, (c) Quercus potosina, (d) rodales mixtos a lo largo de un transecto.
Los resultados sugieren que la presencia de roca exfoliada en estos sistemas forestales con suelos poco profundos (< 25 cm) puede contribuir a satisfacer la demanda de agua, sirviendo como zona de suministro. Por un lado, el encino especializado en la exploración de capas más profundas se abastece de agua almacenada en la roca fracturada; mientras que el pino se abastece de agua de las bolsas de suelo existentes entre las rocas. De esta manera, pino y encino se adaptan ante eventos hidrológicos extremos como la sequía. Así, la diferencia en la distribución de las raíces determina dónde pueden persistir las especies; asegurando la coexistencia de Pinus. cembroides y Quercus potosina.
Retos, oportunidades y aplicaciones innovadoras
Los nuevos desarrollos en la geofísica están en curso como métodos innovadores, equipos y rutinas de campo. Lo mismo está ocurriendo para la geofísica agrícola y forestal. Al igual que todas las herramientas de investigación, se debe de cumplir con algunas condiciones básicas para aplicar las técnicas geofísicas a los campos de estudio. La profundidad de sondeo y el tamaño de la característica a detectar son dos cuestiones importantes que deben tenerse en cuenta al decidir sobre el equipo a utilizar y su configuración. Normalmente hay una compensación entre la profundidad en la investigación y el tamaño mínimo que debe tener una característica para ser detectada.
Por otra parte, la profundidad de sondeo y la resolución van a depender no solo de la física del método sino también de la distribución de las propiedades del subsuelo. Estas características incluyen rangos compatibles de características de campo, una buena correspondencia entre el método de obtención de imágenes y la información subsuperficial buscada, la capacidad de obtener datos geofísicos de alta calidad, la disponibilidad de esquemas adecuados de procesamiento e inversión de datos y la posibilidad de vincular respuestas geofísicas a variables subsuperficiales de interés. Una advertencia adicional con imágenes geofísicas es que pueden sobre interpretarse para extraer conclusiones incorrectas o poco realistas. Por lo tanto, los esfuerzos por integrar imágenes geofísicas para la investigación en los diferentes campos de investigación se deben hacer entre geofísicos y las disciplinas de interés.
Motivados por nuestra experiencia con las técnicas geofísicas, pensamos que el crecimiento continuo de las investigaciones emergentes conducirá a nuevos descubrimientos para las disciplinas que convergen en las biogeociencias. Muchos conceptos y fenómenos ecológicos que se prueban e inician en la actualidad como son la integración de la zona crítica terrestre para el estudio de la ecofisiología de plantas (Dawson et al., 2020), así como los mecanismos que impulsan el proceso de muerte y decadencia masas forestales (Allen, Breshears y McDowell, 2015; Brantley et al., 2017), por mencionar algunos, eventualmente se convertirán en un lugar común para la detección geofísica.
Conclusiones
La incorporación de métodos geofísicos no empleados en el pasado para fines agrícolas y forestales encontrará un uso significativo en el futuro. Los métodos geofísicos que probablemente incursionarán en las ciencias forestales incluyen la magnetometría y sísmica. También pueden existir oportunidades agrícolas para otros métodos, como la resonancia magnética, la polarización inducida y electromagnética VFL. Esto ayudaría a aliviar el cuello de botella tecnológico para las investigaciones del subsuelo; por ejemplo, a comprender nichos geoespaciales que predominan en la supervivencia de las plantas en periodos de sequía prolongados. Para ello, se necesitará una mayor interacción entre geofísicos, ecólogos, forestales y agrónomos para afinar estos métodos.
