Química del suelo

La química del suelo es el estudio de las características químicas del suelo. La química del suelo se ve afectada por la composición mineral, la materia orgánica y los factores ambientales. A principios de la década de 1850, un químico consultor de la Real Sociedad Agrícola de Inglaterra, llamado J. Thomas Way, realizó muchos experimentos sobre cómo los suelos intercambian iones. Como resultado de su trabajo diligente y arduo, se le considera el padre de la química del suelo. Pero después de él, muchos otros científicos de renombre también contribuyeron a esta rama de la ecología, incluidos Edmund Ruffin, Linus Pauling y muchos otros.

Historia

Hasta fines de la década de 1960, la química del suelo se centró principalmente en las reacciones químicas en el suelo que contribuyen a la pedogénesis o que afectan el crecimiento de las plantas. Desde entonces, ha aumentado la preocupación por la contaminación ambiental, la contaminación orgánica e inorgánica del suelo y los riesgos potenciales para la salud ecológica y ambiental. En consecuencia, el énfasis en la química del suelo se ha desplazado de la pedología y la ciencia del suelo agrícola a un énfasis en la ciencia del suelo ambiental.

Química ambiental del suelo

El conocimiento de la química ambiental del suelo es fundamental para predecir el destino de los contaminantes, así como los procesos por los cuales se liberan inicialmente en el suelo. Una vez que una sustancia química se expone al entorno del suelo, pueden ocurrir innumerables reacciones químicas que pueden aumentar o disminuir la toxicidad de los contaminantes. Estas reacciones incluyen adsorción/desorción, precipitación, polimerización, disolución, formación de complejos y oxidación/reducción. Estas reacciones a menudo son ignoradas por los científicos e ingenieros involucrados en la remediación ambiental. Comprender estos procesos nos permite predecir mejor el destino y la toxicidad de los contaminantes y proporcionar el conocimiento para desarrollar estrategias de remediación científicamente correctas y rentables.

Conceptos clave

Estructura del suelo

La estructura del suelo se refiere a la manera en que estas partículas individuales del suelo; se agrupan para formar grupos de partículas llamadas agregados.

Formación de agregados

• Los agregados se pueden formar en condiciones variables y difieren entre sí en el horizonte y la estructura del suelo.
• Los agregados naturales dan como resultado lo que se llama agregados, mientras que los agregados artificiales se llaman terrones.
• Los terrones se forman debido a la perturbación del campo al arar o excavar.
• La actividad microbiana también influye en la formación de agregados.

Tipos de estructura del suelo

La clasificación de las formas estructurales del suelo se basa en gran medida en la forma.

1. Estructura esferoidal : Sus características son de forma esférica o redondeada. Todos los ejes son aproximadamente de las mismas dimensiones, con caras curvas e irregulares. Estos se encuentran comúnmente en campos cultivados.
   1. La estructura de la miga es pequeña y es como migas de pan debido a que son porosas
   2. La estructura granular es menos porosa que los agregados de estructura granular y son más duraderos que los agregados de estructura granular
2. Estructura en forma de placa : sus características se alinean principalmente horizontalmente a lo largo de las áreas basadas en plantas, con unidades delgadas laminares y las unidades gruesas de los agregados se clasifican como laminares. Las estructuras laminares se encuentran generalmente en la superficie y, a veces, en los subsuelos inferiores.
3. Estructura similar a un bloque : se caracteriza por partículas que se organizan alrededor de un punto central y están rodeadas por superficies que pueden ser planas o algo redondeadas. Estos tipos se encuentran generalmente en el subsuelo.
   1. Bloques sub angulares : las esquinas son más redondeadas que los agregados de bloques angulares
4. Estructura similar a un prisma : se caracteriza por partículas que son más largas que anchas y el eje vertical es mayor que el eje horizontal. Se encuentran comúnmente en el horizonte del subsuelo de suelos de regiones áridas y semiáridas. Pueden dividirse además en dos subgrupos.
   1. Prismático : más angular y hexagonal en la parte superior del agregado.
   2. Columnar : partículas redondeadas en la parte superior del agregado.

Minerales

• Los componentes minerales del suelo se derivan de las rocas parentales o regolito. Los minerales presentan alrededor del 90% del peso total del suelo. Algunos elementos importantes, que se encuentran en estado compuesto, son O, Fe, Si, Al, N, P, K, Ca, Mg, C, H, etc.
• La formación de minerales primarios y secundarios puede definir mejor qué minerales hay en la composición de la roca.

Poros del suelo

Las interacciones de los microporos y macroporos del suelo son importantes para la química del suelo, ya que permiten el suministro de agua y elementos gaseosos al suelo y la atmósfera circundante. Los macroporos ayudan a transportar moléculas y sustancias dentro y fuera de los microporos. Los microporos están comprendidos dentro de los propios agregados.

Agua del suelo

• El agua es esencial para los organismos dentro del perfil del suelo y llena parcialmente los macroporos en un suelo ideal.
• La lixiviación del suelo ocurre cuando el agua lleva consigo iones más profundos en los horizontes inferiores del suelo, lo que hace que el suelo se oxide más en otros horizontes del suelo.
• El agua también pasará de un potencial hídrico más alto a un potencial hídrico más bajo, esto puede resultar en actividad de capilaridad y fuerza gravitacional que ocurre con el agua debido a la Adhesión del agua a la superficie del suelo y la Cohesión entre las moléculas de agua.

Aire/Atmósfera

La atmósfera contiene tres gases principales, a saber, oxígeno, dióxido de carbono y nitrógeno. En la atmósfera, el oxígeno es 20%, el nitrógeno es 79% y el CO ₂ es 0,15 a 0,65% por volumen. CO2 _{_}aumenta con el aumento de la profundidad del suelo debido a la descomposición de la materia orgánica acumulada y la abundancia de raíces de las plantas. La presencia de oxígeno en el suelo es importante porque ayuda a descomponer la masa rocosa insoluble en minerales solubles y humificación orgánica. El aire en el suelo está compuesto por gases que están presentes en la atmósfera pero no en las mismas proporciones. Estos gases facilitan las reacciones químicas en los microorganismos. La acumulación de nutrientes solubles en el suelo lo hace más productivo. Si el suelo es deficiente en oxígeno, la actividad microbiana se ralentiza o se elimina. Los factores importantes que controlan la atmósfera del suelo son la temperatura, la presión atmosférica, el viento/aireación y la lluvia.

Textura de la tierra

La textura del suelo influye en la química del suelo relacionada con la capacidad del suelo para mantener su estructura, la restricción del flujo de agua y el contenido de partículas en el suelo. La textura del suelo considera todos los tipos de partículas y un triángulo de textura del suelo es un gráfico que se puede usar para calcular los porcentajes de cada tipo de partículas que suman un total del 100 % para el perfil del suelo. Estos suelos separados difieren no solo en sus tamaños, sino también en su relación con algunos de los factores importantes que afectan el crecimiento de las plantas, como la aireación del suelo, la capacidad de trabajo, el movimiento y la disponibilidad de agua y nutrientes.

Arena

Las partículas de arena varían en tamaño (alrededor de 0,05 mm a 2 mm). La arena es el más grueso de los grupos de partículas. La arena tiene los poros y partículas de suelo más grandes de los grupos de partículas. También drena más fácilmente. Estas partículas se involucran más en las reacciones químicas cuando se recubren con arcilla.

Limo

Las partículas de limo varían en tamaño (alrededor de 0,002 mm a 0,5 mm). Los poros de limo se consideran de tamaño medio en comparación con los otros grupos de partículas. El limo tiene una consistencia de textura de harina. Las partículas de limo permiten que el agua y el aire pasen fácilmente, pero retienen la humedad para el crecimiento de los cultivos. El suelo limoso contiene cantidades suficientes de nutrientes tanto orgánicos como inorgánicos.

Arcilla

La arcilla tiene partículas de tamaño más pequeño (alrededor de <0,002 mm) de los grupos de partículas. La arcilla también tiene los poros más pequeños que le dan una mayor porosidad y no drena bien. La arcilla tiene una textura pegajosa cuando está mojada. Algunos tipos pueden crecer y disiparse o, en otras palabras, encogerse e hincharse.

Marga

Una combinación de arena, limo y arcilla que abarca los suelos. Se puede nombrar en función de las partículas primarias en la composición del suelo, ej. franco arenoso, franco arcilloso, franco limoso, etc.

Biota

Estos organismos junto con la materia orgánica ayudan a comprender el sistema biológico del suelo.

Organismos del suelo

• detritívoros
• Descomponedores
• protozoos

(MOS) Materia Orgánica del Suelo

• Humus
• Los principales elementos que se encuentran en el humus son el carbono, el hidrógeno, el oxígeno, el azufre y el nitrógeno. Los compuestos importantes que se encuentran en el humus son los carbohidratos, el ácido fosfórico, algunos ácidos orgánicos, las resinas, la urea, etc.
• El humus es un producto dinámico y está en constante cambio debido a su oxidación, reducción e hidrólisis. Por lo tanto, tiene mucho contenido de carbono y menos nitrógeno.

Otros conceptos asociados:

• Capacidad de intercambio de aniones y cationes
• pH del suelo
• Procesos de formación y transformación de minerales y pedogénesis.
• Mineralogía de la arcilla
• Reacciones de sorción y precipitación en el suelo.
• Química de suelos problemáticos
• Relación C/N
• Erosión y degradación del suelo

Ciclo del suelo

Muchos nutrientes de las plantas en el suelo pasan por ciclos a lo largo de su entorno.

Ciclos elementales

• Carbón
• Hidrógeno
• Oxígeno
• Nitrógeno
• Fósforo
• Potasio
• Azufre
• Calcio
• Magnesio
• Hierro
• Boro
• Manganeso
• Cobre
• Zinc
• Níquel
• Cloro

Métodos de investigación

Los nuevos conocimientos sobre la química de los suelos a menudo provienen de estudios en el laboratorio en los que las muestras de suelo tomadas de horizontes de suelo no perturbados en el campo se utilizan en experimentos que incluyen tratamientos y controles repetidos. En muchos casos, las muestras de suelo se secan al aire a temperatura ambiente (p. ej., 25 C) y se tamizan hasta un tamaño de 2 mm antes de almacenarlas para su posterior estudio. Tales muestras de suelo secadas y tamizadas alteran notablemente la estructura del suelo, la diversidad de la población microbiana y las propiedades químicas relacionadas con el pH, el estado de oxidación-reducción, el estado de oxidación del manganeso y la materia orgánica disuelta; entre otras propiedades. El renovado interés en las últimas décadas ha llevado a muchos químicos del suelo a mantener las muestras de suelo en condiciones húmedas de campo y almacenadas a 4C en condiciones aeróbicas antes y durante las investigaciones.

Dos enfoques se utilizan con frecuencia en las investigaciones de laboratorio en la química del suelo. El primero se conoce como equilibrio por lotes. El químico agrega un volumen determinado de agua o solución salina de concentración conocida de iones disueltos a una masa de suelo (p. ej., 25 ml de solución a 5 g de suelo en un tubo de centrífuga o matraz). La suspensión de suelo luego se agita o se agita durante una determinada cantidad de tiempo (por ejemplo, de 15 minutos a muchas horas) para establecer un estado estacionario o una condición de equilibrio antes de filtrar o centrifugar a alta velocidad para separar los granos de arena, las partículas de limo y los coloides de arcilla de la solución equilibrada. Luego, el filtrado o centrifugado se analiza utilizando uno de varios métodos, incluidos electrodos específicos de iones, espectrofotometría de absorción atómica, espectrometría de plasma acoplado inductivamente, cromatografía iónica y métodos colorimétricos. En cada caso, el análisis cuantifica la concentración o actividad de un ion o molécula en la fase de solución, y al multiplicar la concentración o actividad medida (p. ej., en mg de ion/mL) por la relación solución-suelo (mL de extracción solución/g suelo), el químico obtiene el resultado en mg ion/g suelo. Este resultado basado en la masa de suelo permite realizar comparaciones entre diferentes suelos y tratamientos. Un enfoque relacionado utiliza un volumen conocido de solución para lixiviar (infiltrar) la solución de extracción a través de una cantidad de suelo en pequeñas columnas a un ritmo controlado para simular cómo la lluvia, la nieve, el agua y el y el agua de riego pasa a través de los suelos en el campo. Luego, el filtrado se analiza usando los mismos métodos que se usan en los equilibrios por lotes.

Otro enfoque para cuantificar los procesos y fenómenos del suelo utiliza métodos in situ que no alteran el suelo como ocurre cuando el suelo se sacude o se lixivia con una solución de extracción del suelo. Estos métodos suelen utilizar técnicas espectroscópicas de superficie, como la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), la resonancia magnética nuclear (RMN), la espectroscopia Mossbauer y la espectroscopia de rayos X. Estos enfoques tienen como objetivo obtener información sobre la naturaleza química de la mineralogía y la química de las superficies de partículas y coloides, y cómo los iones y las moléculas se asocian con dichas superficies por adsorción, formación de complejos y precipitación.

Estos experimentos y análisis de laboratorio tienen una ventaja sobre los estudios de campo en que los mecanismos químicos sobre cómo reaccionan los iones y las moléculas en los suelos se pueden inferir a partir de los datos. Se pueden sacar conclusiones o formular nuevas hipótesis sobre reacciones similares en diferentes suelos con diversas texturas, contenidos de materia orgánica, tipos de minerales arcillosos y óxidos, pH y condiciones de drenaje. Los estudios de laboratorio tienen la desventaja de que pierden parte del realismo y la heterogeneidad del suelo no perturbado en el campo, mientras ganan control y el poder de extrapolación al suelo no estudiado. Los estudios mecanísticos de laboratorio combinados con estudios observacionales de campo más realistas y menos controlados a menudo producen aproximaciones precisas del comportamiento y la química de los suelos que pueden ser espacialmente heterogéneos y temporalmente variables.