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Matriz del suelo

La matriz del suelo es la fase sólida de los suelos y comprende las partículas sólidas que forman los suelos. Las partículas del suelo se pueden clasificar por su composición qu...

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La matriz del suelo es la fase sólida de los suelos y comprende las partículas sólidas que forman los suelos. Las partículas del suelo se pueden clasificar por su composición química ( mineralogía ) así como por su tamaño. La distribución del tamaño de las partículas de un suelo, su textura , determina muchas de las propiedades de ese suelo, en particular la conductividad hidráulica y el potencial hídrico , [1] pero la mineralogía de esas partículas puede modificar en gran medida esas propiedades. La mineralogía de las partículas más finas del suelo, la arcilla, es especialmente importante. [2]

Grava, arena y limo

La grava , la arena y el limo son las partículas de suelo más grandes , y su mineralogía a menudo se hereda del material original del suelo, pero puede incluir productos de la meteorización (como concreciones de carbonato de calcio u óxido de hierro ), o residuos de vida vegetal y animal (como fitolitos de sílice ). [3] [4] El cuarzo es el mineral más común en la fracción de arena o limo, ya que es resistente a la meteorización química , excepto en climas cálidos; [5] Otros minerales comunes son los feldespatos , las micas y los minerales ferromagnésicos como los piroxenos , los anfíboles y los olivinos , que se disuelven o transforman en arcilla bajo la influencia combinada de procesos fisicoquímicos y biológicos. [3] [6]

Coloides minerales; arcillas del suelo

Debido a su gran área superficial específica y sus cargas eléctricas negativas desequilibradas , la arcilla es el componente mineral más activo del suelo. [7] [8] Es un material coloidal y, con mayor frecuencia, cristalino. [9] En los suelos, la arcilla es una clase textural del suelo y se define en un sentido físico como cualquier partícula mineral de menos de 2 μm (8 × 10 −5  pulgadas) de diámetro efectivo. Muchos minerales del suelo, como el yeso , los carbonatos o el cuarzo, son lo suficientemente pequeños como para clasificarse como arcilla en función de su tamaño físico, pero químicamente no brindan la misma utilidad que los minerales arcillosos definidos mineralógicamente . [10] Químicamente, los minerales arcillosos son una gama de minerales filosilicatados con ciertas propiedades reactivas. [11]

Antes de la llegada de la difracción de rayos X, se pensaba que la arcilla estaba formada por partículas muy pequeñas de cuarzo , feldespato , mica , hornblenda o augita , pero ahora se sabe que es (con la excepción de las arcillas a base de mica) un precipitado con una composición mineralógica que depende de sus materiales originales pero es diferente de ellos y se clasifica como un mineral secundario . [12] El tipo de arcilla que se forma es una función del material original y de la composición de los minerales en solución. [13] Los minerales arcillosos continúan formándose mientras exista el suelo. [14] Las arcillas a base de mica resultan de una modificación del mineral de mica primario de tal manera que se comporta y se clasifica como una arcilla. [15] La mayoría de las arcillas son cristalinas , pero algunas arcillas o algunas partes de minerales arcillosos son amorfas . [16] Las arcillas de un suelo son una mezcla de los diversos tipos de arcilla, pero predomina un tipo. [17]

Por lo general, hay cuatro grupos principales de minerales arcillosos: caolinita , montmorillonita - esmectita , illita y clorita . [18] La mayoría de las arcillas son cristalinas y están formadas por tres o cuatro planos de oxígeno unidos por planos de aluminio y silicio mediante enlaces iónicos que juntos forman una sola capa de arcilla. La disposición espacial de los átomos de oxígeno determina la estructura de la arcilla. [19] La mitad del peso de la arcilla es oxígeno, pero en términos de volumen, el oxígeno es el noventa por ciento. [20] Las capas de arcilla a veces se mantienen unidas a través de enlaces de hidrógeno , puentes de sodio o potasio y, como resultado, se hincharán menos en presencia de agua. [21] Las arcillas como la montmorillonita tienen capas que están unidas de forma suelta y se hincharán mucho cuando el agua intervenga entre las capas. [22]

En un sentido más amplio las arcillas se pueden clasificar como:

  1. Capa cristalina de arcillas aluminosílicas : montmorillonita , illita , vermiculita , clorita , caolinita .
  2. Minerales de cadena cristalina de carbonatos y sulfatos : calcita (CaCO 3 ), dolomita (CaMg(CO 3 ) 2 ) y yeso (CaSO 4 ·2H2O).
  3. Arcillas amorfas : mezclas jóvenes de sílice (SiO 2 -OH) y alúmina (Al(OH) 3 ) que no han tenido tiempo de formar cristales regulares.
  4. Arcillas sesquioxigenadas : arcillas antiguas y muy lixiviadas que dan lugar a óxidos de hierro , aluminio y titanio . [23]

Arcillas aluminosílicas

Las arcillas de aluminosilicato o arcillas de aluminosilicato se caracterizan por su estructura cristalina o cuasi cristalina regular. [24] El oxígeno en enlaces iónicos con silicio forma una coordinación tetraédrica (silicio en el centro) que a su vez forma láminas de sílice . Dos láminas de sílice están unidas entre sí por un plano de aluminio que forma una coordinación octaédrica , llamada alúmina , con los oxígenos de la lámina de sílice de encima y de debajo. [25] Los iones hidroxilo (OH − ) a veces sustituyen al oxígeno. Durante el proceso de formación de la arcilla, Al 3+ puede sustituir a Si 4+ en la capa de sílice, y hasta una cuarta parte del aluminio Al 3+ puede ser sustituido por Zn 2+ , Mg 2+ o Fe 2+ en la capa de alúmina. La sustitución de cationes de valencia más baja por cationes de valencia más alta ( sustitución isomorfa ) le da a la arcilla una carga negativa local en un átomo de oxígeno [25] que atrae y retiene agua y cationes del suelo cargados positivamente, algunos de los cuales son valiosos para el crecimiento de las plantas . [26] La sustitución isomorfa ocurre durante la formación de la arcilla y no cambia con el tiempo. [27] [28]

  • La arcilla montmorillonita está formada por cuatro planos de oxígeno con dos planos de silicio y uno central de aluminio intermedios. Por tanto, se dice que la arcilla montmorillonita de aluminosilicato tiene una relación de silicio a aluminio de 2:1; en resumen, se la denomina mineral arcilloso 2:1. [29] Los siete planos juntos forman un único cristal de montmorillonita. Los cristales están débilmente unidos y puede intervenir el agua, lo que hace que la arcilla se hinche hasta diez veces su volumen seco. [30] Se presenta en suelos que han tenido poca lixiviación, por lo que se encuentra en regiones áridas, aunque también puede darse en climas húmedos, dependiendo de su origen mineralógico. [31] Como los cristales no están unidos cara a cara, toda la superficie está expuesta y disponible para reacciones superficiales, por lo que tiene una alta capacidad de intercambio catiónico (CIC). [32] [33] [34]
  • La illita es una arcilla 2:1 similar en estructura a la montmorillonita pero tiene puentes de potasio entre las caras de los cristales de arcilla y el grado de hinchamiento depende del grado de meteorización del feldespato-potasio . [ 35] El área de superficie activa se reduce debido a los enlaces de potasio. La illita se origina a partir de la modificación de la mica , un mineral primario. A menudo se encuentra junto con la montmorillonita y sus minerales primarios. Tiene una CIC moderada. [36] [33] [37] [38] [39]
  • La vermiculita es una arcilla a base de mica similar a la illita, pero los cristales de arcilla se mantienen unidos de forma más laxa gracias al magnesio hidratado y se hincha, pero no tanto como la montmorillonita. [40] Tiene una CIC muy alta. [41] [42] [38] [39]
  • La clorita es similar a la vermiculita, pero la unión floja que produce el magnesio hidratado ocasional, como en la vermiculita, se reemplaza por una lámina de magnesio hidratado, que une firmemente los planos superior e inferior. Tiene dos planos de silicio, uno de aluminio y otro de magnesio; por lo tanto, es una arcilla 2:2. [43] La clorita no se hincha y tiene una CIC baja. [41] [44]
  • La caolinita es una arcilla muy común, altamente meteorizada, y más común que la montmorillonita en suelos ácidos. [45] Tiene un plano de sílice y un plano de alúmina por cristal; por lo tanto, es una arcilla de tipo 1:1. Un plano de sílice de montmorillonita se disuelve y se reemplaza con hidroxilos , lo que produce fuertes enlaces de hidrógeno con el oxígeno en el siguiente cristal de arcilla. [46] Como resultado, la caolinita no se hincha en agua y tiene una superficie específica baja , y como casi no se ha producido ninguna sustitución isomorfa , tiene una CIC baja. [47] Donde la lluvia es alta, los suelos ácidos lixivian selectivamente más sílice que alúmina de las arcillas originales, dejando caolinita. [48] Una meteorización aún más intensa da como resultado arcillas sesquióxido. [49] [20] [34] [37] [50] [51]

Arcillas de cadena cristalina

Los minerales arcillosos de carbonato y sulfato son mucho más solubles y, por lo tanto, se encuentran principalmente en suelos desérticos donde la lixiviación es menos activa. [52]

Arcillas amorfas

Las arcillas amorfas son jóvenes y se encuentran comúnmente en depósitos recientes de cenizas volcánicas como la tefra . [53] Son mezclas de alúmina y sílice que no han formado la forma cristalina ordenada de las arcillas de alumino-sílice que el tiempo proporcionaría. La mayoría de sus cargas negativas se originan de iones hidroxilo, que pueden ganar o perder un ion hidrógeno (H + ) en respuesta al pH del suelo, de tal manera que amortiguan el pH del suelo. Pueden tener una carga negativa proporcionada por el ion hidroxilo unido (OH − ), que puede atraer un catión, o perder el hidrógeno del hidroxilo a la solución y mostrar una carga positiva que puede atraer aniones. Como resultado, pueden mostrar una CIC alta en una solución de suelo ácida o una alta capacidad de intercambio aniónico en una solución de suelo básica. [49]

Arcillas sesquioxidas

sesquióxido de sílice

Las arcillas sesquioxiladas son un producto de fuertes lluvias que han lixiviado la mayor parte del sílice de la arcilla aluminosílice, dejando los óxidos menos solubles hematita de hierro (Fe 2 O 3 ), hidróxido de hierro (Fe(OH) 3 ), hidróxido de aluminio gibbsita (Al(OH) 3 ), birnessita de manganeso hidratada (MnO 2 ), como se puede observar en la mayoría de los perfiles de meteorización laterítica de los suelos tropicales. [54] Se necesitan cientos de miles de años de lixiviación para crear arcillas sesquioxiladas. [55] Sesqui es latín para "uno y medio": hay tres partes de oxígeno por dos partes de hierro o aluminio; por lo tanto, la proporción es uno y medio (no es cierto para todos). Están hidratados y actúan como amorfos o cristalinos. No son pegajosos y no se hinchan, y los suelos ricos en ellos se comportan de manera muy similar a la arena y pueden dejar pasar el agua rápidamente. Son capaces de retener grandes cantidades de fosfatos, un proceso de sorción que puede inhibirse al menos parcialmente en presencia demateria orgánica descompuesta ( humificada ). [56] Los sesquióxidos tienen una CIC baja , pero estos minerales de carga variable son capaces de retener aniones y cationes. [57] Estos suelos varían de color amarillo a rojo. Estas arcillas tienden a retener el fósforo con tanta fuerza que no está disponible para su absorción por las plantas. [58] [59] [60]

Coloides orgánicos

El humus es una de las dos etapas finales de la descomposición de la materia orgánica. Permanece en el suelo como el componente orgánico de la matriz del suelo mientras que la otra etapa, el dióxido de carbono , se libera libremente en la atmósfera o reacciona con el calcio para formar el bicarbonato de calcio soluble . Si bien el humus puede persistir durante mil años, [61] en la escala mayor de la edad de los componentes minerales del suelo, es temporal y finalmente se libera como CO 2 . Está compuesto de ligninas muy estables (30%) y azúcares complejos (poliurónidos, 30%), proteínas (30%), ceras y grasas que son resistentes a la descomposición por microbios y pueden formar complejos con metales , facilitando su migración hacia abajo ( podzolización ). [62] Sin embargo, aunque se origina en su mayor parte a partir de órganos vegetales muertos (madera, corteza, follaje, raíces), una gran parte del humus proviene de compuestos orgánicos excretados por organismos del suelo (raíces, microbios, animales) y de su descomposición al morir. [63] Su composición química es 60% carbono, 5% nitrógeno, algo de oxígeno y el resto hidrógeno, azufre y fósforo. En términos de peso seco, la CIC del humus es muchas veces mayor que la de la arcilla. [64] [65] [66]

El humus juega un papel importante en la regulación del carbono atmosférico , a través del secuestro de carbono en el perfil del suelo, más especialmente en horizontes más profundos con actividad biológica reducida . [67] La ​​acumulación y la eliminación del carbono del suelo están bajo una fuerte influencia climática. [68] Normalmente se equilibran a través de un equilibrio entre la producción y la mineralización de materia orgánica, pero el equilibrio está a favor de la eliminación en el actual calentamiento climático , [69] y más especialmente en el permafrost . [70]

Carbono y tierra preta

En el ambiente extremo de altas temperaturas y la lixiviación causada por las fuertes lluvias de las selvas tropicales , la arcilla y los coloides orgánicos se destruyen en gran parte. Las fuertes lluvias lavan las arcillas de aluminosilicato del suelo dejando solo arcillas de sesquióxido de baja CIC . Las altas temperaturas y la humedad permiten que las bacterias y los hongos descompongan virtualmente cualquier materia orgánica en el suelo de la selva tropical durante la noche y gran parte de los nutrientes se volatilizan o se lixivian del suelo y se pierden, [71] dejando solo una fina estera de raíces que yace directamente sobre el suelo mineral. [72] Sin embargo, el carbono en forma de carbón vegetal finamente dividido , también conocido como carbono negro , es mucho más estable que los coloides del suelo y es capaz de realizar muchas de las funciones de los coloides del suelo de los suelos subtropicales. [73] El suelo que contiene cantidades sustanciales de carbón vegetal, de origen antropogénico, se llama terra preta . En la Amazonia, da testimonio del conocimiento agronómico de las civilizaciones amerindias pasadas . [74] Se ha sospechado que la lombriz peregrina pantropical Pontoscolex corethrurus contribuye a la división fina del carbón y su mezcla con el suelo mineral en el marco de la actual agricultura de tala y quema o de cultivo migratorio aún practicada por las tribus amerindias. [75] La investigación sobre terra preta es todavía joven pero prometedora. Los períodos de barbecho "en las Tierras Oscuras Amazónicas pueden ser tan cortos como 6 meses, mientras que los períodos de barbecho en los oxisoles suelen durar de 8 a 10 años" [76] La incorporación de carbón al suelo agrícola para mejorar la retención de agua y nutrientes se ha denominado biocarbón , que se ha extendido a otros subproductos carbonizados o ricos en carbono, y ahora se utiliza cada vez más en la agricultura tropical sostenible . [77] El biocarbón también permite la sorción irreversible de pesticidas y otros contaminantes, un mecanismo por el cual su movilidad, y por tanto su riesgo ambiental, disminuye. [78] También se ha defendido su uso como medio para secuestrar más carbono en el suelo, mitigando así el llamado efecto invernadero . [79] Sin embargo, el uso de biocarbón está limitado por la disponibilidad de madera u otros productos de pirólisis y por los riesgos causados ​​por la deforestación concomitante . [80]

Véase también

Referencias

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