1. el suelo agrícola. composición, formación y evolución
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1. EL SUELO AGRÍCOLA. COMPOSICIÓN, FORMACIÓN Y EVOLUCIÓN INTRODUCCIÓN El conocimiento del suelo y de los factores que han actuado en su formación es fundamental, pues nos permitirá actuar de manera que se logre un mejor uso del mismo y un mayor rendimiento agrícola. El término suelo deriva del latín «solum» y significa piso. De forma general lo podemos definir como el límite sólido entre el medio líquido (Hidrosfera) y el gaseoso (Atmósfera), y sobre el cual se apoyan organismos para los que aquellas envolturas fluidas constituyen su medio. El suelo puede definirse de forma diferente según la disciplina que lo estudie. La edafología se ocupa del estudio científico del suelo. Para un edafólogo el suelo es un cuerpo natural, y estudia: Los constituyentes, formación, evolución, clasificación y cartografía de los suelos, así como a los organismos que habitan en él, y a las transformaciones o procesos que realizan. El químico agrícola define el suelo como mezcla de partículas sólidas, de agua y de aire que, provista de los elementos nutritivos necesarios para las plantas, puede servir como sustentadora de una vegetación. Para un agricultor el suelo es el lugar donde nacen, viven las plantas y se producen las cosechas. El estudio del suelo debe permitir: Caracterizar las áreas cultivables. Incrementar la productividad y rendimiento de los cultivos. Prevenir la degradación del suelo. Proteger y preservar la calidad del suelo. CONCEPTO DE SUELO Citaremos algunas de entre todas las definiciones que podemos encontrar. M. Juárez Sanz, J. Sánchez Andreu y A. Sánchez Sánchez 12 Definición I El suelo es un sistema trifásico con una fase sólida, compuesta de materia mineral y materia orgánica, una fase líquida (agua) y una fase gaseosa (aire), que constituyen el soporte mecánico y el sustento de las plantas. La proporción que representa cada una de las fases la podemos ver en la Fig. 1.1. Naturalmente, estas proporciones pueden variar mucho dependiendo del suelo. En suelos áridos, por ejemplo, la proporción de materia orgánica (MO) puede ser sólo del 0,5 % de su peso total, mientras que en los suelos turbosos alcanza valores del 90 o 95 %. Para suelos cultivados, el promedio suele quedar alrededor del 5 %. En cuanto al agua y al aire, también existen diferencias que dependerán de las condiciones de humedad, textura de los suelos, clima, etc. Definición II. (Dokuchaev, 1886) Define al suelo como aquel horizonte de roca que, diariamente o casi diariamente, cambia sus relaciones bajo el influjo conjunto del agua, el aire y varias formas de organismos vivientes y muertos. Definición III «El suelo es un cuerpo tridimensional que varía en el tiempo y en el espacio, actuando como un sistema depurador». Ejemplo de su acción depuradora: si a un suelo le adicionamos lodos procedentes del tratamiento de aguas residuales, éstos contendrán metales pesados, el suelo tiene capacidad para adsorber a estos metales, rétemenos e incorporarlos a sus minerales, con Fig. 1.1. Proporciones de los principales componentes del suelo. Química del suelo y medio ambiente 13 lo cual transcurrido cierto tiempo, su efecto contaminante desaparece o se atenúa. Definición IV Podemos considerar al suelo como un «cuerpo natural» por: a) Presencia de animales y plantas vivas. b) Existir una organización estructural que refleja la acción de los procesos pedogenéticos. c) Su capacidad para responder a cambios ambientales. El suelo se puede considerar como un ser vivo puesto que nace (a partir de la roca madre), crece y muere. Definición V. (Genética) El suelo es el resultado de la transformación de sustancias orgánicas y minerales sobre la superficie terrestre, bajo la influencia de factores ambientales que operan un determinado tiempo, con una organización y morfología definida. El suelo no es sólo reconocido como un medio para el crecimiento de las plantas, sino que también es el principal regulador para la distribución y almacenaje de humedad, así como fuente y sumidero de los principales gases que intervienen en el proceso «invernadero», también ejerce un papel importante en la interpretación de los cambios globales pasados. CONCEPTOS COMPLEMENTARIOS Los estudiosos del suelo, al considerarlo como un cuerpo de tres dimensiones, definen el término «pedión» como aquel cuerpo tridimensional que contiene el volumen mínimo necesario para poseer todas las propiedades de un suelo individual. Su superficie puede variar entre 1 y 10 m2, dependiendo de la diversidad del suelo; su profundidad va desde la superficie hasta el material originario. «Solum» es la parte superior del suelo más influenciada por la lluvia, raíces, microorganismos, etc., y que se ha desarrollado a partir de la roca madre o material original. El límite inferior del solum es difícil de establecer y en la práctica se considera como límite de éste la máxima profundidad a la que llegan las raíces de las plantas perennes, es decir la zona de mayor actividad biológica (Porta, et al. 1999) HORIZONTE: Una característica común a todos los suelos es que al observar un corte vertical de los mismos, van apareciendo unas capas más o 14 M. Juárez Sanz, J. Sánchez Andreu y A. Sánchez Sánchez menos paralelas desde la superficie del terreno hacia abajo, a «cada una de estas capas, que se distinguen por el aspecto y coloración distinto de su material y poseen una relación genética y evolutiva se les llama, horizonte». En el campo, los horizontes se describen de acuerdo a las siguientes propiedades: Color: Ejemplo: Color negro indica presencia de material orgánico. Colores rojos indican presencia de óxidos de hierro. Textura: Porcentaje de partículas de distinto tamaño que tiene el horizonte (ver Tema 2) Estructura: Se refiere a la forma de agregarse las partículas individuales del suelo (granular, prismática, etc.; ver Tema 2). Espacios vacíos o poros. pH. Límites: Se considera el espesor del horizonte y la topografía de la superficie del límite. Perfil: «Exposición vertical bidimensional de horizontes en un suelo individual, cuyas disposiciones y combinaciones son únicas en una zona geográfica». El perfil es el elemento básico para el estudio y clasificación de Fig. 1.2. Variación de los componentes del suelo a través del pedión. Química del suelo y medio ambiente 15 suelos, ya que cada uno de sus horizontes (y por tanto el perfil) poseen las características propias del proceso de constitución del suelo. En la Fig. 1.2 se recoge la evolución de los constituyentes del suelo hasta su organización en un pedión. Los horizontes en un perfil se designan con letras mayúsculas (Fig. 1.3), con las que se quiere indicar unas propiedades características determinadas. Si dentro de un horizonte se pueden distinguir dos o más subcapas, se añade a la letra mayúscula un subíndice numérico que indica cada una de las subcapas (A,, A2). Cuando un horizonte tiene una característica especial que se quiere indicar se usa una letra minúscula. Por ejemplo «By» quiere decir que en el horizonte B hay una acumulación de yeso. En la observación del perfil del suelo no siempre podemos encontrar un límite claro entre dos horizontes bien diferenciados, a veces el límite no es Fig. 1.3. Ejemplo Esquemático de perfil. 18 M. Juárez Sanz, J. Sánchez Andreu y A. Sánchez Sánchez Fig. 1.4. Componentes de almacén (rectángulo) y transferencia (rectángulo gris) en el ciclo global de un elemento químico (Sposito, 1989). Tabla 1.II COMPONENTES DE TRANSFERENCIA GLOBAL (Fig. 1.3) DE ALGUNOS ELEMENTOS QUÍMICOS (Sposito, 1989) Elemento AS SA RO OA AO Oxígeno (KFkgaño- 1 ) Carbono (10 14 kgaño-') Azufre (10 14 kgaño-') Fósforo (lO'kgaño- 1 ) Plomo (10 8 kgaño-') Cobre (10 7 kgaño 4 ) 1,00 0,70 0,30 3,70 3,40 1,10 1,10 <0,01 0,90 0,93 0,70 1,60 2,10 1,60 2,60 3,20 4,30 19,00 0,30 1,40 3,20 4,70 7,80 <0,01 1,40 6,20 7,10 632 <0,01 1,30 En cuanto al Carbono, la pequeña diferencia entre OA y AO se debe a la acumulación de este elemento en los sedimentos marinos profundos. Con relación al Azufre buena parte de la transferencia SA (~ 70 %), se debe a combustión y otros procesos antropogénicos. El ciclo del Fósforo, como el de cualquier elemento del suelo relativamente insoluble, está dominado por el transporte de partículas de los ríos al mar (RO) y del suelo a la atmósfera (SA). Los sedimentos marinos actúan Química del suelo y medio ambiente 19 como un importante sumidero, como se evidencia por la enorme diferencia que existe entre (RO + AO) y OA. El ciclo del Plomo tiene un comportamiento similar, pero con la salvedad que el 90 % de SA deriva de la actividad industrial y minera. El Cobre sigue la misma pauta, con un 80 % de SA antropogénico, y con una enorme descarga de partículas al mar (RO), que se acumulan en sedimentos. labial.III CONTENIDO MEDIO EN ELEMENTOS DEL SUELO Y ROCAS DE LA CORTEZA TERRESTRE (en mg/kg), Y EL FACTOR ENRIQUECIMIENTO DEL SUELO (FE) (Sposito, 1989). Elemento Suelo Corteza FE Elemento Suelo Corteza FE Li 24 20 1,2 Zn 60 75 0,80 Be 0,92 2,6 0.35 Ga 17 18 0,94 B 33 10 3,3 Ge 1,2 1,8 0,67 C 25.000 480 52 As 7,2 1,5 4,8 N 2.000 25 80 Se 0,39 0,05 7,8 O 490.000 474.000 1,0 Br 0,85 0,37 2,3 F 950 430 2,2 Rb 67 90 0,74 Na 12.000 23.000 0,52 Sr 240 370 0,65 Mg 9.000 23.000 0,39 Y 25 30 0,83 Al 72.000 82.000 0,88 Zr 230 190 1,2 Si 310.000 277.000 1,1 Nb 11 20 0,55 P 430 1.000 0,43 Mo 0,97 1,5 0,65 S 1.600 260 6,2 Ag 0,05 0,07 0,71 Cl 100 130 0,77 Cd 0,35 0,11 3,2 K 15.000 21.000 0,71 Sn 1,3 2,2 0,59 Ca 24.000 41.000 0,59 Sb 0,66 0,20 3,3 8,6 Se 8,9 16 0,56 I 1,2 0,14 Ti 2.900 5.600 0,52 Cs 4,0 3,0 1,3 V 80 160 0,50 Ba 580 500 1,2 Cr 54 100 0,54 La 37 32 1,2 Mn 550 950 0,58 Hg 0,09 0,05 1,8 Fe 26.000 41.000 0,63 Pb 19, 14 1,4 1,2 Co 9,1 20 0,46 Nd 46 38 Ni 19 80 0,24 Th 9,4 12 0,78 Cu 25 50 0,50 U 2,7 2,4 1,1 20 M. Juárez Sanz, J. Sánchez Andreu y A. Sánchez Sánchez Sin embargo, el ciclo global considerado en la Fig. 1.4, no refleja completamente el papel del suelo como un reservorio dinámico, debido a que no refleja la relación suelo - roca de la corteza (frecuente material primario del suelo). De la Tabla 1 .III, podemos, no obstante, extraer alguna idea de esta relación. La concentración en suelo se refiere a muestras tomadas en EE.UU, a 0,2 m de profundidad en suelos minerales no contaminados. Estos datos de concentración son bastantes extrapolables a escala mundial. La Tabla l.III indica que los diez elementos más abundantes en los suelos son: O>Si>Al>Fe>C>Ca>K>Na>Mg>Ti, mientras que en las rocas de la corteza son: O>Si>Al>Fe>Ca>Mg=Na>K>Ti>P. Dependiendo de la concentración molar de estos elementos en la disolución del suelo, se dividen en macro y microelementos. Así del C al Ca, exceptuando (F, Al y P), son macroelementos. Los restantes son microelementos. Así el P es un microelemento, pero no micronutriente, mientras que Fe es microelemento y micronutriente. La medida de enriquecimiento/empobrecimiento relativo de un elemento en el suelo, con relación a la roca, viene dado por el factor enriquecimiento (FE), que se define: __ Concentración en suelo FE = Concentración en corteza Valores < 0,5 = Empobrecimiento (Be, Mg, Ni, P y Co). 2 < valores < 10 = Enriquecimiento (B, F, As, Se, Br, Cd, Sb y I). Valores > 10 = Fuerte enriquecimiento (C y N). FORMACIÓN DEL SUELO. FACTORES La formación de un suelo se denomina PEDOGÉNESIS y se debe a una serie de procesos, que son determinados por factores, que dan lugar a la transformación de una roca (roca madre) o de un material (material originario) en un suelo con unas propiedades determinadas. La génesis incluye: A. Reducción del tamaño de partícula del material primario. B. Reordenamiento de las partículas minerales. C. Adición de materia orgánica. D. Cambio del tipo de minerales. E. Aparición de horizontes y de minerales de la arcilla. Es un proceso lento y continuo. Un factor de formación de suelos es un agente, una fuerza, una condición o una combinación de ellos, que afecta, ha afectado o puede influir en Química del suelo y medio ambiente 21 Fig. 1.5. Diagrama de factores de formación del suelo. el material original del suelo (roca madre) y tiene capacidad para cambiarlo. Como ejemplo de factores de formación de suelos tenemos la energía irradiada del Sol o una condición de saturación del suelo con agua. Una lista de los factores de formación del suelo, sería muy larga, por ello los especialistas han agrupado los factores en cinco categorías (Fig. 1.5); que son: 1) Material original, 2) Organismos, 3) Clima, 4) Relieve y 5) Tiempo. Los cinco factores mencionados, se pueden reunir en una ecuación (Porta et al, 1999): S = f(Cl, O, P, T,...) (Ecuación de Jenny) En ella S representa el suelo; Cl, el clima de una región; O, los organismos (tanto vegetales como animales); P, el sustrato geológico; T, la edad relativa del suelo (joven, maduro, senil). MATERIAL ORIGINAL Se puede definir como el estado inicial del suelo. A los materiales originales los podemos dividir en tres grandes grupos: Material mineral: Consolidado (Rocas. Ej: Granito, gneis). Material orgánico: (Restos sin consolidar). Mezcla de los anteriores. El material original es importante, ya que determinará unas propiedades físicas y químicas características, que tendrán efectos importantes en el tipo de perfil a que den lugar. 22 M. Juárez Sanz, J. Sánchez Andreu v A. Sánchez Sánchez Litosecuencia: Es un conjunto de suelos con diferentes propiedades debidas exclusivamente al material original, manteniendo constantes todos los demás factores de formación de los suelos. Son tres las principales rocas que dan lugar a la roca madre de los suelos: Rocas ígneas: Se trata de las que originariamente constituyeron la corteza terrestre después de que ésta se enfrió lo suficiente para endurecerse o cristalizarse en su superficie (magma consolidado). En general son susceptibles de cambios químicos; se clasifican en base a su componentes minerales, contenido en sílice y grado de cristalinidad (granito, diorita, basalto). Rocas sedimentarias: Se originan por cementación de depósitos procedentes de la descomposición de otras rocas. Son resistentes a los cambios químicos (caliza, dolomita, areniscas, conglomerado). Rocas metamórfícas: Se forman por la alteración de rocas ígneas y sedimentarias debido al calor o a la presión, o a la acción simultánea de ambos, (gneis, esquisto, pizarra, mármol). Los distintos tipos de rocas, sus símbolos y mineralogía se indican a continuación. Composición Tipo Ultrabásico Básicos Intermedios Ácidos Extremadamente ácidos Carbonato poco carbonatado moderadamente carbonatado fuertemente carbonatado Dominantemente carbonatado Sulfato poco sulfato moderado sulfato mucho sulfato dominante sulfato Salino poco salino moderadamente salino muy salino dominantemente salino Orgánico poco orgánico moderadamente orgánico muy orgánico dominantemente orgánico >90% ferromagnésicos 40 - 90% ferromagnésicos 45 - 55% SiO2 20 - 40% ferromagnésicos 55 - 65% SiO2 5 - 20% ferromagnésicos 65 - 85% SiO2 <5% 1 - 5% (Ca + Mg)CO3 5 - 20% (Ca + Mg)CO, 20 - 50% (Ca + Mg)CO, > 50% (Ca + Mg)CO3 1 - 5% CaSO4 5 - 20% CaSO4 20 - 50% CaSO4 > 50% CaSO4 1 - 5% sales solubles 5 - 20% sales solubles 20 - 50% sales solubles > 50% sales solubles 1 - 5% materia orgánica 5 - 20% materia orgánica 20 - 50% materia orgánica > 50% materia orgánica Símbolo U B I A E 1C 2C 3C 4C S 1S 2S 3S 4S H 1H 2H 3H 4H P 1P 2P 3P 4P Química del suelo y medio ambiente 23 Se ha creado un sistema de notación donde cualquier material original está dado por unos símbolos, que bien combinados indican el grado de consolidación, su mineralogía, tamaño de partícula y grado de rocosidad. Consolidados Tamaño del mineral No cristalino Grano fino < 1 mm Grano medio 1 - 5 mm Grano grueso > 5 mm Símbolo N F M K Sin consolidar Partículas < 2 mm Nombre Arcilla Arcillo limoso Franco arcillo limoso Limoso Franco limoso Franco arcilloso Arcillo arenoso Franco arcillo arenoso Franco Franco arenoso Arenoso franco Arenoso Símbolo c~ zc zcl z zl el se sel Partículas > 2 mm Según tamaño y % 1 si Is s~ Se usan letras mayúsculas para materiales consolidados y letras minúsculas para materiales no consolidados, como podemos ver en los dos cuadros anteriores. Los tipos predominantes de depósitos sin consolidar son: Depósitos aluviales, dunas, arcillas lacustres, loess, arcillas marinas y cenizas volcánicas. Todos éstos no se pueden especificar como rocas pues hay amplias variaciones en sus propiedades. Veamos algún ejemplo de cómo funciona el sistema anterior de símbolos. AK Cristal de roca acida consolidada, granulación grande, tal como un granito. BF Roca básica consolidada, granulación fina tal como el basalto. La composición elemental y mineralógica del material primario determina la composición del suelo. Así un suelo formado a partir de cuarzo, como 24 M. Juárez Sanz, J. Sánchez Andreu y A. Sánchez Sánchez mineral predominante, no contiene minerales de la arcilla, debido a la ausencia de Al y otros elementos asociados. Este suelo tendrá una baja fertilidad. CLIMA Es un factor decisivo en la formación de los suelos. Aparte de influir sobre la formación del suelo debido al control que ejerce sobre algunas reacciones físicas y químicas, también controla el factor orgánico, incluso hasta cierto punto, el relieve. Suelos zonales: Aquellos en los cuales el factor climático, actuando en el suelo suficiente tiempo, es tan fuerte como para sobrepasar la influencia de cualquier otro factor. Son suelos formados bajo un mismo clima. Las dos características que se han medido con mayor frecuencia en el clima son las precipitaciones pluviales y la temperatura. A. Humedad: esta depende de: a) forma e intensidad de la lluvia, b) variaciones estacionales, c) ritmo de evaporación, d) permeabilidad, pendiente, potencial de contracción y dilatación de la tierra. El agua es un agente necesario para la formación de suelos, ya que disuelve los materiales solubles, propicia el crecimiento de las plantas y de otros organismos que contribuyen con compuestos orgánicos al suelo, transporta y rompe físicamente los materiales, etc. Además de todo esto es el agente en el cual transcurren la mayor parte de las reacciones del suelo. El agua incide en la formación de un perfil del suelo a través de cuatro nrocesos: Percolación (lluvia>evaporación), puede trasladar sales solubles a lo largo del perfil. Evaporación o ascenso, inverso a la percolación, (potencial de evaporación > lluvia), puede dar lugar al enriquecimiento del suelo. Erosión superficial. Procesos de estancamiento: Favorables para la oxirreduccción. EL AGUA COMO UN FACTOR DE DESARROLLO DEL SUELO Acción del agua Percolación renaje)E) Translocación Ascendente (evaporación) Enriquecimiento Erosión Estancamiento (drenaje impedido) Erosión Procesos de sales solubles, en sales, coluviación redox carbonates, carbonates y difusión acumulación arcillas, humus. de humus Química del suelo y medio ambiente 25 En climas monzónicos y tropicales se produce una percolación intensa, y por tanto la eliminación de bases y la acidificación del suelo. Por el contrario, en condiciones áridas o semiáridas, donde no se produce percolación no hay eliminación de bases ni acidificación del suelo (Honorato, 2000). B. Temperatura: Consideramos la temperatura únicamente como un factor determinante de la velocidad de las reacciones químicas que tienen lugar en el suelo. Nos centraremos en la temperatura del suelo, sin tener en cuenta la temperatura climática. Según la ley de Vant-Hoff, un aumento de 10°C supone la duplicación de la velocidad de una reacción. Las reacciones que van a verse así afectadas en los suelos serán: procesos de meteorización mineral y procesos biológicos de crecimiento y descomposición. La fuente determinante de la energía que llega a la superficie terrestre es el Sol, y la cantidad de esta energía que sea capaz de absorber el suelo será el dato que nos interese en este momento. Según su capacidad de absorción de esta luz solar, tendrá mayor o menor temperatura. La absorción de la radiación solar depende del color (más oscuro-^más absorción), de la orientación de la superficie con respecto a los rayos solares y de la cubierta vegetal. Los cambios más drásticos de temperatura tienen lugar cerca de la superficie. Esto, se puede observar en la Fig. 1.6. Varias propiedades de los suelos dependen de la temperatura. Al elevarse ésta, aumenta la profundidad del perfil y el lavado de bases, disminuye la Fig. 1.6. Temperaturas medias del suelo a diferentes profundidades en los meses de Enero y Agosto, a las 8 y 17 horas. Los datos, facilitados por D. Francisco Elias, corresponden a la finca «El Encín» (Guadalajara). 26 M Juárez Sanz, J. Sánchez Andreu y A. Sánchez Sánchez materia orgánica y el nitrógeno. A mayor temperatura menor materia orgánica, pues se favorece el proceso de mineralización, se transforma la materia orgánica en materia mineral. índices climáticos Se han utilizado varios índices para describir el clima. P: precipitación media anual en mm. T: temperatura media anual en °C. D: déficit de saturación del aire en mm. H: humedad relativa del aire. T': tensión máxima del vapor de agua a la temperatura T. índice de LANG Zonas climáticas de Lang 0-20 Desiertos. 20 - 40 Zona árida. 40-60 Zona húmeda de estepa y sabana. 60 - 100 Zona húmeda de bosques poco desarrollados. 100-160 Zona húmeda de bosques densos. > 160 Zona hiperhúmeda de prados y tundras. índice de MARTONNE índice de MEYER Química del suelo y medio ambiente 27 Clasificación de climas, según el índice de Mever: JMY Clima 0 - 100 Árido, desierto y estepa 100-275 Semiárido 195-375 Semihúmedo 375 - 500 Húmedo 500 - 4000 Muy Húmedo La Fig. 1.7 muestra el grado de influencia que puede tener el clima en los fenómenos de formación del suelo. Para ello observamos la alteración de las rocas a lo largo de un meridiano. Como se puede ver, la humedad y la temperatura; influyen de forma decisiva para que se meteorice un tipo de mineral u otro, y de esta forma tener un determinado tipo de suelo. En condiciones tropicales con elevadas precipitaciones y altas temperaturas, la alteración es considerable y el grado de transformación del material originario es completo, llegando a acumularse óxidos de Fe y Al, no así en condiciones desérticas. Los efectos de la humedad y la temperatura sobre algunos de los componentes y propiedades del suelo, durante la formación del mismo, se pueden observar en la Fig. 1.8. Fig. 1.7. Esquema que representa los productos de la alteración de las rocas en zonas estables (geomorfícamente) a lo largo de un meridiano (Strakhov, 1968). 28 M. Juárez Sanz, J. Sánchez Andreu y A. Sánchez Sánchez Fig. 1.8. Efecto de la humedad y temperatura sobre determinadas características del suelo. ORGANISMOS La actividad biológica es otro de los factores de formación del suelo. La materia orgánica del suelo tiene su origen en los restos de animales y vegetales que se van depositando sobre el suelo, que sufren una progresiva transformación hasta llegar a la formación de sustancias orgánicas llamadas humus. Los organismos que viven en el suelo contribuyen a la descomposición de la materia orgánica. La rapidez de la transformación depende estrechamente de la composición de residuos orgánicos y de la humedad y temperatura del suelo. El papel que desempeñan los organismos en el suelo se puede definir afirmando que: «la vida es el proceso de mantenimiento de cuerpos proteicos en los que el suelo participa íntimamente». Los componentes activos del ecosistema suelo son: microorganismos, vegetales superiores y animales. Microorganismos: Reguladores del proceso de humificación y mineralización. Intervienen en reacciones de oxidación-reducción que afectan a los ciclos de numerosos elementos (C, P, N, etc.). Vegetales: No olvidemos que la meteorización se inicia por la instalación de vegetales primitivos (liqúenes, hongos) sobre la roca. Química del suelo y medio ambiente 29 Los vegetales van a definir un tipo de humus particular. Ejemplo: Vegetales muy lignificados y pobres en N y bases, conducen a la formación de un humus ácido. Acción física de las raíces, se introducen en las grietas y actúan de cuñas, también segregan determinada cantidad de ácidos orgánicos, que tienen capacidad para disolver ciertos materiales. Acción de la cubierta vegetal como condicionadora de un microclima y protectora de procesos erosivos. labial.IV Peso (%) Kg/Ha Materia orgánica Viva y muerta 6 120.000 Materia orgánica Muerta 5,28 105.400 Organismos vivos Bacterias Protozoos Hongos Actinomicetos Algas Plantas superiores, raíces 0,72 0,10 0,005 0,10 0,01 0,0005 0,5 14.600 2.600 100 2.000 220 10 10.000 2xl0 18 7xl0 16 8xl0 16 6xl0 17 3xl0 14 Animales Nemátodos Gastrópodos (babosas, caracoles) Anélidos (Lombrices, gusanos) 0,001 0,001 0,005 20 20 100 2,5x10" 2x1 03 7x1 03 Artrópodos Crustáceos (isópodos, cangrejos) 0,0005 10 4xl0 17 Arácnidos Ácaros (polillas) Arañas Miriápodos (milpiés, ciempiés) Tipúlidos Diplópodos, Quilópodos, Sinfilos 0,0001 0,0001 0,001 0,00005 0,0011 2 2 20 1 25 4x1 08 5xl0 8 IxlO 3 2,5x1 04 3,8x1 07 Hexápodos Colémbolos Himenópteros (hormigas) Dípteros, colópteros, lepidópteros 0,0001 0,0002 0,0015 2 0,0002 35 4x1 03 5x1 06 5x1 07 Vertebrados Ratones, topos, ratas Conejos, ardillas, tuzas Zoros, tejones, Osos, ciervos Pájaros 0,0005 0,0006 0,0005 0,0005 10 12 10 10 4x1 03 10 <1 100 Número estimado de individuos 30 M Juárez Sanz, J. Sánchez Andreu y A. Sánchez Sánchez Animales: Ingestión de material mineral y orgánico, mezcla y transformación. Acumulación de excreciones que pueden dar lugar a reacciones características. Trazado de canalículos, etc. El Hombre también incide en la formación del suelo a través de la manipulación de la vegetación natural, las prácticas agrícolas, desarrollo urbano, industrial, etc. En la Tabla l.IV aparecen estimaciones de cantidades de materias orgánicas y proporciones, peso seco y número de microorganismos vivos en una hectárea de suelo, a una profundidad de 15 cm, en una región de clima húmedo. Los pesos secos estimados equivalen a la cuarta o quinta parte de los pesos vivos (biomasa). La materia orgánica procedente de la descomposición de organismos así como de reacciones de síntesis, desempeñan un importante papel en los procesos de degradación, meteorización y transporte en el suelo. RELIEVE El relieve tiene una influencia importante en: el clima local, la vegetación y el drenaje. El clima local y la vegetación junto con el relieve van a ser aspectos muy interdependientes a la hora de estudiar procesos de formación de suelos. Van a dar lugar pues a variaciones como: exposición de suelo a nevadas y ventiscas, distribución de la energía, agua pluvial, nutrientes de las plantas y tipo de vegetación. Un ejemplo claro de esta interrelación se puede observar en la Tabla l.V, donde se compara la ladera norte y sur de una colina de Idaho (Klemmedson, 1964). Tabla l.V INCIDENCIA DEL RELIEVE EN EL DESARROLLO DEL SUELO Región Ladera Norte Ladera Sur % de grava por volumen de 0 a 1 0 cm del suelo 5 20 (máximo 40 % un poco más abajo en la ladera) % de carbono orgánico en 0 - 1 0 cm de suelo 12 6 Capacidad de retención de agua en 0 - 1 0 cm de suelo, Kg/0, 1 m3 Vegetación predominante Peso de pastos secos en g/m2 Peso relativo de raíces por unidad de volumen de suelo sobre la base de 100 % para la ladera Norte. 6,2 3,2 Pastos perennes (Poa, Stipa) 50 Plantas anuales (Bromus, Salsola) 100 100 37 Química del suelo y medio ambiente 31 Las temperaturas más altas del suelo en la ladera sur, debido a que tiene una mayor exposición al sol, provocan una mineralización más rápida. No obstante, la mayor intensidad de los rayos del sol sitúa a las plantas bajo una mayor carencia de humedad y reduce su producción de raíces. Drenaje del paisaje El ángulo de pendiente y la cubierta vegetal afectan la humedad efectiva, controlando la proporción de agua de escorrentía que se va a drenar. Así, en la cima de la pendiente, los suelos tienden a drenar libremente (nivel freático bajo), y en el fondo del valle los suelos drenan pobremente (nivel freático cerca de la superficie). Podemos concluir que en un terreno llano, el agua puede penetrar a mayor profundidad y originar un mayor desarrollo del perfil. Generalmente, la capa del suelo es más profunda en una superficie plana que en otra inclinada. Por el contrario, en pendiente, la lluvia erosiona el suelo, arrastrando los productos de desintegración y transformación de la roca, lo que impide la formación del suelo, mientras que en los valles o depresiones se depositan esos materiales. Variaciones que el drenaje va a condicionar: procesos de dilución, neoformación de arcillas, profundidad del suelo, alteración de textura de rocas consistentes, pH. Secuencia hidrológica Suelos que se forman bajo distintas condiciones de drenaje, a partir del mismo material. TIEMPO La influencia del tiempo como factor de formación del suelo es clara. La roca, inicialmente compacta y desnuda, se desintegra, sufre el ataque químico; los materiales se transforman, son arrastrados y lavados; el terreno se coloniza por los vegetales y animales y la materia orgánica se transforma en humus. Pues bien, todo esto ocurre a medida que transcurre el tiempo. De aquí que se hable de suelos jóvenes, maduros y viejos. El tiempo actúa indirectamente en la formación de un suelo, determinando la duración con que operan los factores antes mencionados. 32 M. Juárez Sanz, J. Sánchez Andreu y A. Sánchez Sánchez RESUMEN Hay que tener en cuenta que la formación de un suelo es un proceso integrado donde todos los factores de formación hay que considerarlos en conjunto, no aisladamente. El pensar que un factor de formación tiene una importancia relevante sobre los demás es errónea. Sólo el suelo nos puede informar sobre esta cuestión. El factor define el estado del sistema suelo. Si conociésemos la combinación de factores que describen a un suelo, podríamos predecir sus propiedades. Un cambio en un factor puede modificar un suelo. EVOLUCIÓN Un suelo se edifica poco a poco. Inicialmente se trata de una roca que aflora, siendo el suelo casi inexistente (litosol). Luego se origina un suelo todavía joven, es decir, poco profundo, pobre en materia orgánica, pero con numerosos fragmentos de roca madre. Por el contrario un suelo muy evolucionado será profundo, rico en materia orgánica y con pocos restos de roca madre. Hemos de tener en cuenta que formación y evolución son procesos que se solapan cuando estamos estudiando un suelo y que, muchas veces, podemos confundir sin caer en error grave. De este modo, en la evolución de un suelo se dan tres fenómenos: alteración de la roca, incremento de materia orgánica y emigraciones. El incremento de materia orgánica es debido a la vegetación que coloniza el suelo. Las emigraciones son los desplazamientos de los elementos solubles o coloidales de un punto a otro del perfil por influencia de corrientes de agua. Estos dos apartados se verán más profundamente en otros temas. ALTERACIÓN DE LA ROCA Se produce por tres tipos de procesos: físicos, químicos y biológicos. Las alteraciones físico/químicas se denominan meteorización, y se trata de la transformación total o parcial, «in situ», de: las rocas, los minerales que las constituyen, los sedimentos, los depósitos o los suelos, al entrar en contacto con la atmósfera (Porta et al., 1999). A. Alteraciones Físicas Conducen a la fragmentación mecánica de roca. Endocinéticos Las fuerzas que dan lugar a estos procesos se generan dentro de la roca Química del suelo y medio ambiente 33 Efecto carga - descarga: La roca sometida a una carga reduce su volumen; cuando desaparece la carga se produce una expansión, liberándose su tensión interna. Esto conlleva a la aparición de fracturas. Cambio de temperatura: Estos cambios de temperatura, calentamiento y enfriamiento, ocasionan desiguales dilataciones y contracciones en los distintos minerales que constituyen la roca; esto la va rompiendo en porciones más pequeñas. Se produce una variación de volumen debida a cambios de temperatura. Probablemente el fuego es un factor infravalorado. Así, dado que la roca es un mal conductor de calor, las diferencias de temperatura entre la superficie quemada y el interior, puede conllevar distinto ritmo en la expansión, produciéndose la ruptura de la roca. Exocinéticos Las fuerzas actuantes son externas a la roca y se deben a: Crecimiento de cristales de hielo en diaclasas. El agua al helarse aumenta de volumen, esta expansión del agua origina enormes presiones cuando se encuentra entre las rocas, lo que da lugar a que se rompa el material original. Crecimiento e hidratación de cristales de sales. Esto se da en climas áridos, las sales solubles no son arrastradas por el agua, sino que se quedan en los poros de la roca. Si éstas se humedecen por acción de la lluvia, rocío,... se hidratan aumentando de volumen. Raíces vegetales. Se introducen en las grietas de las rocas y contribuyen a la fragmentación de las mismas. Saturación por agua. Es importantes en rocas con arcillas expandibles. B. Alteraciones Químicas Comprenden dos procesos: a) descomposición o alteración de los minerales primarios de la roca, b) síntesis de minerales secundarios con partículas de tamaño coloidal (silicatos y óxidos). En este tema nos centramos únicamente en el primer proceso. Este resulta de la acción separada o conjunta de varios procesos químicos: disolución directa, hidratación, oxidación - reducción, hidrólisis y quelación. Los agentes responsables de estos procesos serán principalmente: H2O, O2, y CO2 (disuelto en H2O). Disolución directa: debido a la acción disolvente del agua se disuelven primero las sales solubles de los elementos alcalinos y alcalinotérreos como cloruros, sulfates v carbonates. El grado de disolución depende de: pH del disolvente, presencia de otros iones (Al, Na, Mg disminuyen la solubilidad 34 M. Juárez Sanz, J. Sánchez Andreu y A. Sánchez Sánchez de la sílice), esto explica la existencia de ciertas asociaciones (cuarzo + NaCl en dolomías). La presencia de CO2 disuelto en agua aumenta su actividad disolvente. Así los carbonates de Ca y Mg se transforman inicialmente en bicarbonatos: La reacción se desplazará hacia la derecha por aumento del CO2 en el agua. Por otro lado, el CO2 desprendido por raíces y microorganismos se puede transformar al disolverse en el agua en iones bicarbonato y carbonato, que desplazarán la reacción anterior hacia la izquierda. Lo que puede dar lugar a la acumulación de carbonates en el suelo. El contenido en CO2 del agua del suelo depende del pH y de la temperatura. Hidratación: Es la absorción de agua por parte del mineral. Esto puede originar la incorporación de las moléculas de agua a la estructura del mineral, dando lugar a un mineral distinto. Ejemplo: O provocar un aumento de volumen, que puede llevar a que la roca se desmorone más fácilmente, como es el caso de los compuestos férricos poco hidratados, que constituyen cementos de muchas areniscas. No se considera un proceso importante ya que afecta a pocos minerales Desde el punto de vista electrostático, los iones presentes en la disolución del suelo a través de sus campos de cargas eléctricas, atraen los dipolos que forman las moléculas de agua, cubriéndose de una determinada capa de agua de hidratación. Resulta que la hidratación de los iones divalentes es mayor que la de los monovalentes y las interacciones entre los iones es mayor a menor agua de hidratación. Oxidación - reducción: El potencial redox es importante en la estabilidad de los compuestos minerales. Así, los cambios en el estado de oxidación conllevan: Variación de la movilidad (Fe3+, menos móvil), variación de volumen (Fe2+^Fe3+, supone una variación de volumen del 22%), y descompensación de cargas, que favorece el ataque de la estructura cristalina. La descomposición de los carbonates, sulfates y silicatos tanto de compuestos ferrosos como mánganosos, es bastante rápida en presencia de oxígeno. Hidrólisis: Las reacciones de los minerales con los iones H+ y OH~ del agua es una de las más importantes formas de meteorización que pueden ocurrir. Química del suelo y medio ambiente 35 Las moléculas de agua se disocian en OH y H+. Los pequeños y móviles H+, penetran entre las láminas de los cristales originando un desequilibrio de cargas, que causa que cationes como Ca2+, Mg2+, K+ y Na+ se difundan al exterior. Esta forma de meteorización afecta de manera especial a los silicatos, por ejemplo: El feldespato potásico «ortoclasa», se hidroliza para producir un ácido débil (silícico), una base fuerte (KOH) y un residuo del mineral de arcilla, ilita: Las hidrólisis del feldespato calcico, «Anortdita», ocasiona una arcilla tipo Vermiculita, con carácter de ácido débil, y una base fuerte Ca(OH)2: Estas ecuaciones son ejemplos específicos de la reacción general: donde M+ es un elemento alcalino o alcalinotérreo, o a veces un elemento de transición (Fe, Mn). Esta reacción transcurre más rápidamente hacia la derecha cuando exista un aporte de H+ que neutralizan a los OH de la base fuerte. Las fuentes principales de esta acidez extra en suelos naturales, bien drenados, son: a) CO2 disuelto en el agua del suelo; b) grupos carboxílicos y fenólicos del humus. Quelación: En algunas circunstancias puede superar a la hidrólisis en la meteorización. Se produce a través de quelatos orgánicos. Sus agentes quelatantes no sintéticos pueden ser los que producen los organismos (p.e. los liqúenes). Así, tiene lugar una traslocación de los elementos que no se moverían sino fuera en su forma quelada. La formación de estos quelatos ayuda por lo tanto a desmoronar las estructuras. Durante la quelación se liberan protones, que tienen acción hidrolítica. Los mecanismos de formación se verán con más detalle en el capítulo 9, dedicado a las funciones de la materia orgánica. C. Alteraciones Biológicas Comprende los procesos de descomposición de las rocas que resultan de la acción de microorganismos. Puede ser: de tipo físico (p. e. la colonización de las plantas inferiores en las superficies de las rocas y descomposición de éstas al penetrar sus raíces en las grietas por la presión); de tipo químico (p. e. descomposición de las rocas debido a la extracción de nutrientes, por parte de estas plantas inferiores, y secreción de ácidos orgánicos formadores de complejos de Al y Fe que resultan solubles y pueden ser lavados). 36 M. Juárez Sanz, J. Sánchez Andreu y A. Sánchez Sánchez Fig. 1.9. Representación de la génesis del suelo (Honorato, 2000). Aunque apenas se concibe un proceso de formación y evolución del suelo en el que no jueguen un papel importante los organismos, éstos no son indispensables. Cuando la vida en la tierra aún no se había extendido en su superficie, los procesos de formación de suelos tenían que ser exclusivamente inorgánicos, aunque también se debe considerar que la composición de la atmósfera era menos oxidante entonces. Los procesos de formación y evolución del suelo y por tanto su génesis se resumen en la Fig 1.9, donde se engloban los procesos de aporte (adiciones) y eliminación (erosión) de materiales, junto con los movimientos dentro del perfil del suelo y que son principales responsables del desarrollo de los distintos horizontes, además de las distintas transformaciones que se producen en el suelo. Química del suelo y medio ambiente 37 BIBLIOGRAFÍA HONORATO, R. 2000. Manual de Edafología. Alfaomega Grupo editor, S. A. De C. V ISBN 970-15-0531. México. PORTA, J.; LÓPEZ-ACEVEDO, M.; ROQUERO, C. 1999. Edafología para la agricultura y el medio ambiente. Ediciones Mundi-Prensa (2° edición). ISBN: 84-7114784-X. SPOSITO, G. 1989. The chemistry of soils. Oxford University Press, Inc. New York. ISBN 0-19-504615-3. STRAKHOV, N.M. 1968. Principies of lithogenesis. Oliver and Boyd Ltd. 245 pp Edimburgo.
