La erosión es un proceso en que se va perdiendo la capa superficial del suelo, que proporciona a las plantas la mayoría de los nutrientes y el agua que necesitan. Cuando esta capa fértil se desplaza, la productividad de la tierra disminuye y los agricultores pierden un recurso vital para el cultivo de alimentos. A diferencia del viento o la luz del sol, el suelo es un recurso finito y no renovable que se está degradando rápidamente.
¿Qué es la erosión del suelo? ¿Cómo se puede estudiar y mitigar con técnicas nucleares?
Ciencia nuclear en detalle
La erosión es un proceso en que se va perdiendo la capa superficial del suelo, que proporciona a las plantas la mayoría de los nutrientes y el agua que necesitan. Cuando esta capa fértil se desplaza, la productividad de la tierra disminuye y los agricultores pierden un recurso vital para el cultivo de alimentos. A diferencia del viento o la luz del sol, el suelo es un recurso finito y no renovable que se está degradando rápidamente.
Causas y consecuencias de la erosión del suelo
La erosión del suelo es un proceso natural que resulta más común en terrenos en pendiente y que suele obedecer a causas naturales, como vientos fuertes o lluvias intensas. No obstante, su gravedad se duplica o triplica si se llevan a cabo diversas actividades humanas no sostenibles, como la deforestación y la mala gestión de tierras.
La erosión altera la composición química del suelo, incluidos sus nutrientes, y, por ende, tiene consecuencias negativas para el medio ambiente, la producción agrícola y la inocuidad de los alimentos. Se trata de un fenómeno de gran escala: un 95 % de lo que comemos proviene de recursos edáficos y un cuarto de la población depende directamente de alimentos producidos en tierras degradadas.
La erosión también deteriora la calidad del agua y la biota acuática, pues la lluvia transporta el suelo degradado hasta ríos y lagos, que pueden obstruirse con esa tierra adicional o presentar brotes de algas debido a los nutrientes que esta transporta. Incluso en los cuerpos de agua de gran tamaño, como los océanos y los mares, los sedimentos pueden acumularse en grandes cantidades, incrementar la turbidez y reducir la visibilidad dentro del agua, lo cual puede ser mortal para la flora y nocivo para la sostenibilidad de los ecosistemas acuáticos.
Entre otras consecuencias de la erosión del suelo cabe mencionar la degradación de las funciones de los ecosistemas, un mayor riesgo de deslizamiento e inundación, pérdidas considerables de biodiversidad, daños a la infraestructura urbana y, en casos severos, el desplazamiento de los habitantes locales.
(Imagen: A. Vargas/OIEA)
Estudio de la erosión mediante técnicas nucleares o isotópicas
Dado que los procesos de recuperación del suelo pueden tomar decenios, es vital estudiar y controlar la erosión. Estas investigaciones pueden realizarse mediante técnicas nucleares o isotópicas, como el análisis de los radionucleidos procedentes de precipitaciones radiactivas (FRN) o el de los isótopos estables por compuesto (CSSI).
Sobre la base de los resultados de dichas investigaciones se pueden ejecutar medidas de conservación del suelo, como aterrazar, realizar cultivos en contorno, en franjas o con cubierta orgánica protectora, reducir o suprimir el laboreo, o cambiar la disposición de los surcos o hileras.
Análisis de los radionucleidos procedentes de precipitaciones radiactivas (FRN)
Existen pequeñas concentraciones de FRN en todo el mundo. El más común de ellos es el cesio 137, en su mayoría procedente de los ensayos de armas nucleares realizados en las décadas de 1950 y 1960. En aquella época, ese elemento se dispersó en la atmósfera, se diluyó en la lluvia y ha penetrado poco a poco en la capa superficial del suelo.
La concentración de FRN en el suelo es ínfima, no es nociva para los seres humanos y puede medirse mediante espectrometría gamma para cuantificar las tasas de erosión del suelo. La concentración de cesio 137 disminuye en los lugares en los que la capa superficial del suelo se ha perdido (erosión) y aumenta en los lugares en los que se ha acumulado ese suelo desplazado (deposición). Mediante el estudio de la redistribución de los FRN, los expertos pueden cuantificar cuánto suelo se ha movido de un lugar a otro. Para interpretar los datos, es necesario compararlos con los FRN de una superficie de suelo en la que no se ha producido ni erosión ni deposición, que servirán como valores de referencia, dado que la concentración de cesio 137 en ese lugar habrá disminuido por razón únicamente del decaimiento radiactivo.
Además del cesio 137, también se utilizan otros dos FRN para estudiar la erosión: el plomo 210 y el berilio 7. El uso de los FRN es más sencillo y económico y menos laborioso que otros métodos, como medir físicamente en parcelas de diferente tamaño el suelo o los sedimentos que se desplazan.
Los FRN llegan al suelo por medio de la lluvia. Su concentración es ínfima y no es nociva para los seres humanos. Los científicos se sirven de ellos para estudiar la erosión. (Imagen: A. Vargas/OIEA)
Análisis de isótopos estables por compuesto (CSSI)
El análisis de isótopos estables por compuesto (CSSI) se emplea para caracterizar el origen de los sedimentos y encontrar focos de erosión en grandes zonas, como las cuencas hidrográficas.
Durante ese análisis se mide el carbono 13, un isótopo estable, para discernir las fuentes de la materia orgánica presente en el suelo. En efecto, cada planta tiene una firma distinta de carbono 13 (elemento que procede de los ácidos grasos de sus raíces), que varía en función del ecosistema o del uso que se le ha dado a la tierra donde se encuentra la planta. Esa firma se transfiere al suelo cuando el tejido vegetal se descompone y deja una “huella dactilar” que puede rastrearse para entender los movimientos del suelo erosionado y el origen de los sedimentos en los cursos de agua. Asimismo, los datos que se obtienen con este tipo de investigaciones pueden ser útiles para redactar políticas de conservación de los recursos edáficos.
Los científicos pueden monitorizar la presencia de isótopos estables, como el carbono 13, en el suelo para ubicar los focos de erosión y estudiar cómo repercuten los diferentes usos de la tierra y los diferentes cultivos en la distribución de la erosión. (Imagen: A. Vargas/OIEA)
¿Qué papel desempeña el OIEA?
- A través de su programa de cooperación técnica y del Centro Conjunto FAO/OIEA de Técnicas Nucleares en la Alimentación y la Agricultura, el Organismo asiste a más de 60 países con respecto al uso de técnicas nucleares e isotópicas para medir y controlar la erosión del suelo.
- El OIEA y la FAO proporcionan directrices sobre el uso de los FRN para estudiar la erosión del suelo y evaluar la eficacia de las medidas de conservación de los recursos edáficos, con el fin de divulgar las mejores prácticas y brindar información detallada sobre diversos FRN, como el cesio 137 y el berilio 7.
- Asimismo, el Organismo ha publicado directrices sobre el análisis de CSSI para estudiar los sedimentos.
- En las regiones de América Latina y el Caribe, África y Asia y el Pacífico, el Organismo da a conocer las técnicas nucleares y ayuda mediante proyectos regionales a luchar contra la degradación de la tierra y la sedimentación en los cuerpos de agua y a mejorar la productividad del suelo y la seguridad alimentaria.
- El OIEA coopera con la Convención de las Naciones Unidas de Lucha contra la Desertificación para promover las mejores prácticas de gestión del suelo, especialmente en zonas afectadas por la erosión o que corren riesgo de sufrirla.
- El OIEA trabaja para cumplir la meta 15.3 del Objetivo de Desarrollo Sostenible (ODS) 15 de las Naciones Unidas de luchar contra la desertificación, rehabilitar las tierras y los suelos degradados, incluidas las tierras afectadas por la desertificación, la sequía y las inundaciones, y procurar lograr un mundo con efecto neutro en la degradación de las tierras.
What are the causes? What are the effects?
Although soil erosion is a natural process and it occurs on all continents, human activities have greatly accelerated it. In general, soil erosion is more common on steep, sloping land. It is often caused by natural factors, including strong wind or heavy rains; however, unsustainable human activity, such as deforestation or improper land management, can accelerate this process by two to three orders of magnitude.
Soil erosion makes land vulnerable to the loss of fertile topsoil and this, together with the losses of associated nutrients and chemicals, is a threat to agricultural production, food security and the environment, mainly water resources. Soil is the source of as much as 95 percent of all agricultural production, so its health and availability impact the quality and quantity of our food. Approximately a quarter of the world's population directly depends on food produced on degraded land, and every year the rate of degradation is increasing, leading to the annual loss of millions of hectares of land worldwide.
Eroded soil also affects water quality and aquatic life, since soil can be transported by runoff to water courses, such as rivers and lakes, clogging water reservoirs and causing the nutrients washed from the fields to accumulate in water and lead to algae outbreaks. This jeopardizes water quality and harms the habitats of aquatic life. In addition, even in larger reservoirs, such as oceans and seas, sediments may accumulate in large enough quantities to increase turbidity and reduce visibility in nearby waters, further threatening the sustainability of aquatic ecosystems and often leading to die-offs among the flora.
Other consequences of soil erosion include degradation of ecosystem functions, amplified risks of landslides and floods, significant losses in biodiversity, damage to urban infrastructure and, in severe cases, displacement of human populations.
(Image: A. Vargas/IAEA)
How can nuclear techniques help?
Eroded soil may not replenish for generations, which is why it is important to assess soil erosion and deposition rates, as well as to improve land management and implement soil conservation measures. This is where nuclear techniques can help. The FRN and CSSI techniques are most used to tackle soil erosion. The FRN techniques help to assess and quantify soil erosion rates, while the CSSI method identifies areas most affected by erosion.
Based on the results of these nuclear applications, soil conservation measures can be implemented, such as terracing, contour cropping, strip cropping, minimum tillage, no tillage, mulching, cover crops, erosion ridges and erosion furrows. See examples from Madagascar and Uganda.
Fallout radionuclide (FRN) method
FRNs are dispersed all over the world. The most common FRN is caesium-137 (Cs-137), which was released primarily during nuclear weapons testing in the 1950s-1960s. It was dispersed in the atmosphere all over the world, then was deposited by rain and incorporated into topsoil over time.
Although the amount of FRNs in soil is very small and harmless to humans, it can be measured by sensitive gamma spectrometry, and its quantities can be used to estimate soil erosion rates. When the topsoil is affected by erosion, the Cs-137 concentration is reduced, and as a result, where eroded soil is deposited, Cs-137 concentration is increased. Tracking the FRN redistribution allows experts to determine how much soil has been removed from one location and deposited in another location. To interpret the data, a site that has not been impacted by erosion or deposition needs to be identified. This site, where the amount of FRN has been reduced only by radioactive decay, represents the baseline. The eroded and deposition sites are then compared to the reference site to calculate the amount of eroded or deposited soil.
Apart from Cs-137, two other fallout radionuclides are also used for soil erosion tracking, lead-210 (Pb-210) and beryllium-7 (Be-7).
Using FRNs for soil erosion assessment is more convenient, cheaper and less labour intensive than conventional methods, such as volumetric measurements of soil removal or measurements of sediment export at spatial scales on different-sized land plots. The FRN techniques are useful especially in studying the impact of land use on soil erosion and the efficiency of soil conservation measures. This information is indispensable for developing soil conservation strategies, selecting suitable conservation measures and implementing soil conservation programmes.
Fallout radioniclides (FRNs) are deposited on the ground with rain. The amount of FRNs in soil is very small and harmless to humans, but measuring the precise quantities with nuclear techniques can help to estimate soil erosion rates. (Image: A. Vargas/IAEA)
Compound specific stable isotope (CSSI) method
The FRN techniques cover many, but not all dimensions in soil erosion assessment. For this reason, when identifying the origin of sediments and erosion hotspots in larger areas, such as watersheds, compound-specific stable isotopes (CSSI) method is used — it was designed specifically for these purposes.
The CSSI technique measures the carbon-13 (C-13) stable isotope to distinguish different sources of soil organic matter. This is because each plant has a different C-13 signature, which is preserved in the soil when plant tissues decay. This enables identification of ecosystems and land uses, which contributes to soil organic matter. C-13 analysis requires constituents of plant tissue, which are stable and do not decompose in soil. Fatty acids, originating from plant roots, are most suitable for this purpose. When plant tissues decay, the fatty acids become part of the soil organic matter. They have unique stable isotope signatures, which can be analysed and used like fingerprints.
Using the CSSI technique, scientists match the “fingerprints” of the compounds in the soil to those in the ecosystems occupying the selected study area. By taking a sample of an eroded area, scientists can identify the sources of eroded soil and sediment in water reservoirs, as well as the areas particularly prone to it. This information is valuable for precise targeting of soil conservation measures. See an example of a project in Myanmar.
Scientists can track the presence of stable isotopes, such as carbon-13, in the soil to determine soil erosion hotspots and identify the impact of different land uses and crops on the distribution of erosion. (Image: A. Vargas/IAEA)
What is the role of the IAEA?
- The IAEA helps over 60 countries to use nuclear techniques for measuring and controlling soil erosion through its Technical Cooperation Programme and its work in partnership with the FAO as part of the Joint FAO/IAEA Centre of Nuclear Techniques in Food and Agriculture.
- The IAEA and the FAO provide guidelines on the use of FRNs to assess soil erosion and the effectiveness of soil conservation measures to share the best soil conservation practices, as well as on the specifics of using particular FRNs, such as Cs-137 and Be-7.
- The IAEA has also published guidelines on sediment tracing using the CSSI technique.
- In Africa, Asia and the Pacific and Latin America and Caribbean, the IAEA shares knowledge of nuclear techniques with scientists and assists them through regional projects to combat land degradation and sedimentation in water reservoirs and to enhance soil productivity for improved food security.
- The IAEA cooperates with the United Nations Convention to Combat Desertification (UNCCD) to promote best available soil management practices, especially in areas vulnerable to or affected by soil erosion.
- The IAEA works to achieve the UN Sustainable Development Goal target 15.3 on land degradation neutrality, which aims to combat desertification, restore degraded land and soil, and achieve a land degradation neutral world.
This article was first published on 25 July 2022.