Artículo de método

Laboratorio y el protocolo de campo para estimar tasas de erosión de la hoja de Dendrogeomorphology

DOI:

10.3791/57987

⸱

7 de enero de 2019

 ,  ,  , 
1University of Castilla-La Mancha (UCLM), 2Department of Earth Sciences, University of Geneva, 3Institute for Environmental Sciences, University of Geneva, 4Departamento de Sistemas y Recursos Naturales, Universidad Politécnica de Madrid, 5Departamento de Biodiversidad, Ecología y Evolución, Universidad Complutense de Madrid

En este artículo

Resumen

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Caracterización de la erosión de dendrogeomorphology se ha centrado generalmente en encontrar con precisión la hora de inicio de la exposición de la raíz, mediante el examen macroscópico o cambios en el nivel celular causaron por la exposición. Aquí, ofrecemos una descripción detallada de las diferentes técnicas novedosas para obtener tasas de erosión más precisas de datos de alta precisión microtopographic.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Erosión laminar es uno de los conductores cruciales de la degradación del suelo. Erosión es controlada por factores ambientales y las actividades humanas, que a menudo conducen a graves impactos ambientales. La comprensión de la erosión laminar es, por consiguiente, un problema mundial con consecuencias para el medio ambiente y las economías. Sin embargo, el conocimiento sobre la evolución de la erosión en el espacio y el tiempo sigue siendo limitada, así como sus efectos sobre el medio ambiente. A continuación, explicamos que un nuevo protocolo dendrogeomorphological para derivar erosionado espesor de suelo (Ex) mediante la adquisición de datos precisa microtopographic con láser terrestre (TLS) y medidores de Perfil de microtopographic. Además, procedimientos estándar de dendrogeomorphic, dependientes de variaciones anatómicas en los anillos de la raíz, son utilizados para establecer el tiempo de exposición. Perfil TLS y microtopographic calibradores se utilizan para obtener crea superficie de tierra, de que Ex se calcula después la distancia umbral (TD), es decir, la distancia entre la raíz y el sedimento knickpoint, que permite delimitando el descenso de la superficie de la tierra causada por la erosión laminar. Para cada perfil, medimos la altura entre la parte superior de la raíz y un plano virtual tangencial a la superficie de la tierra. De esta forma, nos prepusimos evitar impactos en pequeña escala de la deformación del suelo, que puede ser debido a las presiones ejercidas por el sistema de raíz, o por el arreglo de las raíces expuestas. Esto puede provocar pequeñas cantidades de suelo sedimentación o erosión dependiendo de cómo físicamente afectan el escurrimiento superficial. Demostramos que una caracterización adecuada microtopographic de las raíces expuestas y su superficie asociada es muy valiosa para obtener tasas de erosión precisa. Este hallazgo podría utilizarse para desarrollar las mejores prácticas de gestión diseñadas para detener el tiempo o tal vez, al menos, disminuir la erosión del suelo, para que las políticas de gestión más sostenibles se pueden poner en práctica.

Introducción

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Impactos económicos y ambientales producidos por la erosión laminar hace este tema en una preocupación mundial1. Varios métodos, de técnicas directas a los enfoques basados en el físico y empíricos, se utilizan para calcular las tasas de erosión de suelo en una variedad de escalas temporales y espaciales. Técnicas directas medidas de campo bajo condiciones naturales y se basan principalmente en el uso de Gerlach canales2, colectores de agua3, erosión de los pernos4 y rugosímetros5. Además, los modelos de erosión del suelo se han enfocado cada vez más en la representación en detalle de los procesos físicos reales responsables de la erosión6.

Dendrogeomorphology7 es una subdivisión de dendrocronología8 que tiene éxito en la caracterización de la frecuencia y magnitud de procesos geomorfológicos9,10,11,12, 13,14,15,16,17. Con respecto a la erosión laminar, dendrogeomorphology se emplea generalmente para mejorar o reemplazar las metodologías mencionadas, particularmente en áreas donde las tasas de erosión derivadas de técnicas directas son escasos o de carácter. Dendrogeomorphology es un método muy flexible para la evaluación de la erosión del suelo y puede ser utilizado para calibrar los modelos empíricos y basados en la física, o tal vez como un dato de origen para mejorar la fiabilidad de la estimación directa técnicas18, 19. Dendrogeomorphology permite la erosión del suelo a establecerse en grandes áreas donde están disponibles las raíces expuestas. Estas raíces expuestas deben mostrar límites de anillos de árbol claro y responder a los patrones de crecimiento anual a ser considerado como óptimo para aplicar técnicas de dendrogeomorphological20. Raíces más, expuestas a ser muestreada deben estar ubicadas preferiblemente en unidades homogéneas basadas en su reacción al suelo erosión21.

La manera de dendrogeomorphical convencionales de estimación de la erosión laminar se basa en la medición en situ el espesor de suelo erosionado (Ex) desde el momento de la primera exposición a la actual de22,23, 24. La relación entre estas dos variables se utiliza para calcular un valor de erosión de mm∙yr1. Gran parte de las investigaciones realizadas hasta la fecha se ha centrado en identificar eficientemente el año inicial de la exposición. Como resultado, se analizan las modificaciones en la raíz debido a la exposición en el nivel macroscópico25o en el tejido y niveles celulares26,27,28. El principal cambio anatómico presente en las raíces expuestas de las coníferas es aumento de espesor de los anillos de crecimiento, como consecuencia de un número significativo de células dentro de la madera temprana (EW)26. Del mismo modo se ha encontrado un recorte dentro del área del lumen de traqueidas de EW con un espesor de pared de célula mayor estructura de madera tardía (LW) traqueidas24,27,29. Estas modificaciones han sido descritas y cuantificados como principio cuando la erosión disminuye la superficie del suelo sobre la raíz de aproximadamente tres cm30. Menos atención se concedió a la adecuada determinación del parámetro Ex . La edad de las raíces expuestas fue conectada típicamente con la altura del eje de centro de la raíz del crecimiento sobre el suelo superficial31,32. La estimación de Ex fue corregida en consecuencia considerando crecimiento secundario30,33. Más recientemente, estos enfoques metodológicos han integrado también la caracterización de la microtopografía del suelo para obtener las tasas de erosión confiable34,35,36.

Presentamos un protocolo de laboratorio y campo para la estimación más exacta y confiable hoja tasas de erosión de dendrogeomorphology. En este protocolo en particular, se examina la hipótesis de que todas las raíces expuestas, independientemente de la orientación con respecto a la ruta de la escorrentía y en combinación con el análisis de microtopographical, de muestreo permite tasas de erosión precisamente ser reconstruido y cuantificado. Por lo tanto, nuestro objetivo es proporcionar un protocolo para estimar las tasas de erosión de maximizar el tamaño de la muestra de las raíces expuestas, usando información macroscópica y microscópica encontrada en la serie de anillos de árboles de crecimiento y también datos topográficos de alta resolución.

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Protocolo

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1. estrategia de muestreo de

  1. Identificación de procesos geomorfológicos
    1. Implementar las unidades de respuesta hidrológica acercarse (HRU)21. Para ello, identificar áreas homogéneas dentro del sitio de estudio, que comprende depósitos de litología y superficie, cobertura del dosel, residuo vegetal en contacto con la superficie del suelo y pendiente. Seleccione entre las HRUs aquellos en los que predomina el proceso de erosión de la hoja.

figure-protocol-1
Figura 1: ejemplo de HRUs asociada a una quebrada arena. En relación con el protocolo propuesto, el muestreo de raíces expuestas debe ser realizado en una dependencia en la que el proceso erosivo eficaz es erosión laminar (en esta leyenda de la figura correspondiente a la arena expuesta con pendientes moderadas). Esta figura ha sido modificada de Bodoque et al. 21 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Muestreo de raíces expuestas
    1. Buscar en las raíces de sitio expuesto de estudio correspondientes a especies de árboles útiles para la datación (preferiblemente coníferas)20anillos de árboles.
    2. Proporcionar una descripción detallada de las características espaciales y morfológicas de los alrededores de las raíces expuestas a ser muestreado. Recopile la siguiente información: ubicación geográfica (coordenadas UTM); altitud; aspecto en grados sexagesimales, la ladera y la ubicación de la raíz en particular (aspectos locales); distancia de la sección de la raíz para el tronco del árbol; pendiente de la ladera y la pendiente de la ubicación de la raíz específica (ambas expresadas en grados); orientación de la raíz expuesta con respecto a la ruta de la escorrentía.
    3. Tomar una muestra de suelo de aproximadamente 1 kg de la zona que rodea cada raíz expuesta. Los parámetros que la caracterizan son textura, porcentaje de materia orgánica, estructura de suelo.
    4. Medir en situ conductividad hidráulica usando un infiltrómetro de anillo simple debajo de cabeza constante.
      Nota: Aplicar los pasos 1.2.2 y 1.2.3 para caracterizar la erosionabilidad del suelo.
    5. Localizar las raíces expuestas que son más de 1,5 m del tronco. A menor distancias podría relacionarse con la exposición al crecimiento del árbol.
    6. Cortar con un serrucho las raíces expuestas por lo menos 30, con un diámetro superior a 5 cm, 15 cm de largo secciones. Posteriormente, tomar dos rebanadas de aproximadamente 1,5 cm de espesor.
    7. Mediante el uso de una paleta de medición, un serrucho y una cinta métrica, muestra un subconjunto de las raíces enterradas (por lo menos un tercio de las raíces expuestas total muestreadas) a profundidades diferentes (máximo 20 cm) para establecer el espesor de suelo mínimo a continuación que las raíces comienzan a tener un respuesta anatómica debido a la exposición.

figure-protocol-2
Figura 2: ejemplo de cómo llevar a cabo el muestreo de campo. Las raíces expuestas por lo menos 30 son seleccionadas y, posteriormente, cortar con una sierra de mano. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Microtopographic caracterización de la superficie de la tierra y las raíces expuestas en lugares de fácil acceso

  1. Utilizar un dispositivo de escaneo láser terrestre que puede medir hasta 50.000 puntos por segundo con una precisión de 1 mm a una distancia de escaneo de < 120 m.
  2. Considerar al menos dos diferentes lugares convencionales de TLS para evitar zonas de sombra.
  3. Combinar las diferentes localidades utilizando un mínimo de cuatro alta definición topografía (HDS) objetivos para cubrir el área entera.
  4. Para obtener datos topográficos de alta precisión, escanear un área promedio de 300 cm2 de los lugares seleccionados con una resolución espacial de 1 mm. incluir las raíces expuestas y el área circundante que es representativa de la superficie de la tierra.

3. Microtopographic caracterización de la superficie de la tierra y las raíces expuestas, en lugares con terrenos difíciles y escarpados (entornos de montaña)

  1. Coloque un medidor de Perfil de microtopographic perpendicular a la raíz expuesta y, posteriormente, nivel horizontal para todas las mediciones de tal manera que se pueden comparar diferentes conjuntos de datos.
  2. Dibujar el perfil obtenido en el paso 3.1 en papel milimetrado para poder inferir la cantidad de suelo erosionado a lo largo del perfil con precisión submilimétrica.

figure-protocol-3
Figura 3: ejemplo de caracterización de la microtopografía del suelo usando un medidor de Perfil de microtopographic. (A) ilustración de raíces expuestas como observados a lo largo de un sendero; (B) las mediciones de la microtopografía del suelo usando un perfil microtopographic de calibre; (C) estimación de Ex a través de la adquisición de microtopographic crea por el dibujo en un papel cuadriculado para permitir la inferencia de la cantidad de suelo erosionado a lo largo del perfil y con precisión submilimétrica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

4. determinación de los tiempos de exposición de la raíz

  1. Análisis macroscópico
    1. Secar las secciones obtenidas en el paso 1.2.6 durante 2 meses.
    2. Obtener de los dos sectores secciones iniciales que cada aproximadamente 2 cm de grosor.
    3. Lijar y pulir los trozos con papel de lija (grano hasta 400) para facilitar el reconocimiento de anillos de crecimiento.
    4. La exploración rebanadas en una resolución mínima de 2.800 dpi para que pueden ser analizados con precisión incluso cuando los anillos son particularmente finos.
    5. Utilizar el incremento en el porcentaje de madera tardía y mayor ancho de anillos de crecimiento como indicadores de estrés inducido por la exposición.
    6. Marcar al menos 4-5 radios a lo largo de los diámetros de los sectores que muestran mayor variabilidad en anchos de anillos de crecimiento.
    7. Utilice un sistema de análisis de imagen o una tabla de medición para medir el ancho de anillos de árboles.
    8. Aplicar procedimientos de datación cruzada visuales mediante la comparación de variabilidad en anchos de anillos de crecimiento entre los diferentes radios, tanto mejorar la precisión de la datación para el primer año de exposición a la erosión del suelo y a la fecha posterior anillos correctamente y reconocer la presencia múltiples o los anillos discontinuos.

figure-protocol-4
Figura 4: ejemplo de cómo preparar una sección de una raíz expuesta para llevar a cabo la datación dendrocronológica de serie de anillos de crecimiento. En cada sección, cuatro o cinco radios están marcadas a lo largo de las direcciones que muestran la mayor variabilidad en cuanto a anchura de anillos de árboles. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Análisis microscópico
    1. Para ambas muestras de raíz expuesta y no expuesta, utilizar un micrótomo de deslizamiento para obtener secciones radiales de aproximadamente 1 cm de ancho y 20 micras de espesor.
    2. Secciones transversales con safranina (es decir, 1 g de safranina + 50 g de agua + 50 g de etanol al 96%) de la mancha y deshidrate con solución de etanol-agua cada vez más rico hasta 96% de etanol (por ejemplo, 50% y el 96% etanol) hasta el etanol salga limpia. Tomar las muestras en Xilol o un claro a agente (por ejemplo, Histoclear) de aceite de limón.
    3. Cortes transversales de montaje en portaobjetos recubiertos, cubierta antideslizante con un epoxi de endurecimiento (por ejemplo, utilizar Eukitt, Canadá bálsamo y seco a temperatura ambiente (es decir, unos 5-8 h para utilizar Eukitt, por lo menos 24 h en bálsamo de Canadá).
    4. Observar (bajo 125 aumentos) y fotografiar las muestras con un sistema de imagen digital en microscopía óptica.
    5. Comparar con un microscopio óptico la huella anatómica de ambas expuestos y no expuestos raíz muestras (pasos 1.2.5 y 1.2.6).
    6. Tomar medidas microscópicas usando un analizador de imagen en las fotografías digitales de los siguientes parámetros: a) ancho del anillo de crecimiento; b) número de células por anillo; c) porcentaje de madera tardía; y d) área de luz en madera temprana.
    7. Prueba con el analizador de imagen (paso 4.2.6) la ocurrencia de conductos de resina y tomar medidas para cada anillo de crecimiento.
    8. Realizar un análisis unidireccional ANOVA con las pruebas de rango múltiple (método: 95% LSD – menor diferencia significativa) para las variables anatómicas consideradas (paso 4.2.6) verificar la existencia de diferencias estadísticamente significativas entre los dos grupos de mediciones (raíces vs previamente expuestos expuestos).

5. estimación del espesor de la capa de suelo erosionado desde la exposición inicial (Ex)

  1. Escenario 1: expone las raíces que corren paralelas a la ruta de la escorrentía.
    1. Basándose en los datos obtenidos en el paso 2.4, usar inverso de la distancia de la carga como el método de interpolación para obtener modelos de alta precisión digital de elevación (DEMs) con una resolución espacial de 3 mm.
    2. Utilizar herramientas GIS para extraer de los perfiles perpendiculares del DEM de la raíz expuesta con una distancia aproximada de 150 cm.
    3. Realice los pasos 5.1.1 y 5.1.2 en lugares de fácil acceso (paso 2).
    4. Utilice los perfiles perpendiculares de la raíz expuesta obtenida en el paso 3.2 cuando el sitio de estudio se localiza en áreas donde el terreno es escarpado y difícil (entornos de montaña) (paso 3).
    5. En los perfiles obtenidos en los pasos 5.1.2 y 5.1.3 usa interpretación visual para situar la distancia umbral (TD), definida como la distancia entre la raíz y el knickpoint en la superficie de la tierra. Esto establece la reducción de la superficie de la tierra para los perfiles debido a la erosión laminar.
    6. Estimar el espesor de la capa de suelo erosionado, midiendo la altura entre la parte superior de la raíz y el knickpoint en la superficie del suelo estimada en el paso 5.1.5.
    7. Corregir la medición obtenida en el paso 5.1.6 restando el crecimiento secundario (es decir, crecimiento de la raíz desde el año de exposición) y el grosor de la corteza en la parte superior e inferior de la raíz. Véase Corona et al. 30 para una descripción detallada.

figure-protocol-5
Figura 5: Ejemplo es ilustrar cómo hacer TD cuando las raíces expuestas muestreadas están orientadas según la vía de escurrimiento. Esta cifra muestra un perfil transversal común de microtopographic de raíz al descubierto y sus alrededores inmediatos. Ex1 es la ubicación aplicada al enfoque tradicional de dendrogeomorphical para determinar el espesor de suelo erosionado; Ex2 pertenece a la posición donde este parámetro debe evaluarse. TD es tomado como una posición de guía de que se cambia la superficie del terreno por erosión laminar sólo. Esta figura ha sido modificada de Bodoque et al. 34 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Escenario 2: expone las raíces que corren perpendiculares a la trayectoria de escurrimiento
    1. Implementar pasos 5.1.1 a 5.1.4 fijados en el paso 5.1.
    2. Usando la calculadora raster disponible en cualquier software del sistema de información geográfica (SIG), para cada medida de perfil perpendicular la altura entre la parte superior de la raíz y la superficie del terreno haciendo referencia a la knickpoint en la superficie de la tierra. En este punto las medidas de Ex no están influenciadas por sedimentación o erosión del fregado y, por lo tanto, es posible medir la erosión del suelo.
    3. Corregir la medición obtenida en el paso 5.2.2 usando el procedimiento en el paso 5.1.7.

figure-protocol-6
Figura 6: ejemplo dibujo cómo proceder cuando las raíces expuestas muestreadas están orientadas según la perpendicular en el reinado de escurrimiento Esta figura muestra una vista esquemática de un perfil de superficie de suelo relacionado con una raíz expuesta perpendicular sobre la vía de escurrimiento. Espesor de suelo erosionado (Ex) se cuantifica en el knickpoint coincidiendo a procesos de erosión sedimentación y socavación que prevalece cerca de la raíz. Esta figura ha sido modificada desde Ballesteros-Cánovas et al. 35 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

6. hoja estimación de tasa de erosión

  1. Dependiendo de las características mecánicas del suelo del sitio de estudio, se aplica la ecuación 1 (es decir, presume que la presión de crecimiento radial ejercida por la raíz es menor que la resistencia al corte del suelo), o ecuación 2 (es decir, supone la estabilidad de la eje de la raíz a través del tiempo)30:
    figure-protocol-7(1)
    figure-protocol-8(2)
    Donde:
    ER (mm∙yr-1), es la tasa de erosión de la hoja a estimar.
    EX (mm), es el espesor de la capa de suelo erosionado desde la exposición inicial. Esto se consigue realizando pasos 5.1.1 a 5.2.3.
    Gr1 y r2de la G(mm) representan el crecimiento secundario (posterior) en la parte de arriba-abajo de la raíz después de la exposición. Se obtiene después de realizar paso 5.1.7.
    B1 y B2 (mm) son el grosor de la corteza en la parte superior e inferior de la raíz. Se obtiene con el procedimiento en el paso 5.1.7.
    Ε (mm), se define como la profundidad mínima del suelo por debajo de la raíz que empieza a cambiar su configuración anatómica.
    Nº deex (año), es el número de anillos de árboles desarrollada después del año de la exposición. Se obtiene utilizando pasos 4.1.1 a 4.2.8.

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Resultados

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Muestras de raíces expuestas sufren grave deterioro cambial debido al impacto de la exposición (por ejemplo, modificaciones en la temperatura, la incidencia de la luz) y el estrés físico, debido al pisoteo por los excursionistas o animales de pastoreo y viendo que las raíces sufrir después de que se exponían. Determinar la existencia de anillos discontinuos, así como fechar exactamente el primer año de respuesta a la exposición se realizó en el laboratorio como en protocolo 4 (pa...

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Discusión

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El protocolo implementado demuestra el valor de caracterización detallada y adecuada de la microtopografía superficial de la tierra, ya que permite medir tasas de erosión de la confianza de hoja de dendrogeomorphology. Nuestro enfoque metodológico se centra en la importancia de caracterizar la microtopografía de los alrededores de las raíces de la exposición para mejorar la estimación de la tasa de erosión. Este factor ha sido ignorado en gran parte en estudios anteriores, lo que resulta en una mala interpretación de las...

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Divulgaciones

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los proyectos de investigación que financió esta investigación fueron: MARCoNI (CGL2013-42728-R); Dendro-Avenidas (CGL2007-62063); MAS Dendro-Avenidas (CGL2010-19274) del Ministerio de ciencia y tecnología y el proyecto IDEA-GESPPNN (OAPN 163/2010), que fue financiado por el Ministerio medio ambiente de España.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Mapa topográfico, mapa de suelos, mapaA obtener de instituciones públicas o generar en la primera fase de investigación
Infiltómetro de anillo únicoTurf-Tec InternationalIN16-W
http://www.turf-tec.com/IN16Lit.html SierraNo hay ninguna característica específica a considerar con respecto al modelo
CintaCon una precisión de 1 mm
Escaneo láser terrestre (TLS)Leica-GeosystemsLeica ScanStation P16https://leica-geosystems.com/products/laser-scanners/scanners/leica-scanstation-p16
Medidor de perfil microtopográficoRSOnline Facom, 19https://www.classic-conservation.com/es/herramientas-para-talla-y-escultura-en-madera/511-galga-medidora-de-perfiles.html
Papelde grano 80 a 400
EscánerEPSONPerfection V800 Fotohttps://www.epson.co.uk/products/scanners/consumer-scanners/perfection-v800-photo
Sistema de análisis de imágenesRegent Instruments Inc.WinDENDROhttp://www.regentinstruments.com/assets/windendro_analysisprocess.html
Mesa de mediciónIMLhttps://www.iml-service.com/product/iml-measuringtable/
Microtomo deslizanteThermo Fisher SCIENTIFICMicrom HM 450-387760http://www.thermofisher.com/order/catalog/product/910020
Microscopio ópticoOLYMPUSMX63/MX63Lhttps://www.olympus-ims.com/en/microscope/mx63l/
Cámara digital para microscopioOLYMPUSDP74https://www.olympus-ims.com/en/microscope/dc/
safranina(notación de Hill) C20H19ClN4 
AstrablueC47H52CuN14O6S3
Alcoholvolumétrico (50%, 75% y 100%)
AguaH2O
Agentede limpieza de aceite de cítricoshttps://www.nationaldiagnostics.com/histology/product/histo-clear
Guías recubiertasThermo Fisher SCIENTIFIC https://www.fishersci.com/us/en/products/I9C8JXMT/coated-glass-microscope-slides.html
Epoxi endurecedorMERCKhttps://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/03989?lang=es®ion=ES
de cobertura del suelo de mano métrica de lija Fórmula empírica de Fórmula empírica de destilada

Referencias

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