La textura del suelo es un instrumento de clasificación utilizado tanto en el campo como en el laboratorio para determinar las clases de suelo en función de su textura física. La textura del suelo se puede determinar utilizando métodos cualitativos como la textura por tacto y métodos cuantitativos como el método del hidrómetro basado en la ley de Stokes . La textura del suelo tiene aplicaciones agrícolas como la determinación de la idoneidad de los cultivos y la predicción de la respuesta del suelo a las condiciones ambientales y de gestión como la sequía o los requisitos de calcio (cal). La textura del suelo se centra en las partículas de menos de dos milímetros de diámetro que incluyen arena , limo y arcilla . La taxonomía de suelos del USDA y los sistemas de clasificación de suelos WRB utilizan 12 clases de textura, mientras que el sistema UK-ADAS utiliza 11. [1] Estas clasificaciones se basan en los porcentajes de arena , limo y arcilla en el suelo.
La primera clasificación, el sistema internacional, fue propuesta por primera vez por Albert Atterberg en 1905 y se basó en sus estudios en el sur de Suecia. Atterberg eligió 20 μm como límite superior de la fracción de limo porque las partículas más pequeñas que ese tamaño no eran visibles a simple vista, la suspensión podía coagularse con sales, el ascenso capilar en 24 horas era más rápido en esta fracción y los poros entre las partículas compactadas eran tan pequeños que impedían la entrada de pelos radicales. [2] La Comisión Uno de la Sociedad Internacional de Ciencias del Suelo (ISSS) recomendó su uso en el primer Congreso Internacional de Ciencias del Suelo en Washington en 1927. [3] Australia adoptó este sistema, y sus intervalos logarítmicos iguales son una característica atractiva que vale la pena mantener. [4] El Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) adoptó su propio sistema en 1938, y la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) utilizó el sistema del USDA en el mapa mundial de suelos de la FAO- UNESCO y recomendó su uso.
En los Estados Unidos, el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos define doce clasificaciones principales de textura del suelo. [1] Las doce clasificaciones son arena, arena franca, franco arenoso, franco , franco limoso, limo, franco arcilloso arenoso, franco arcilloso, franco arcilloso limoso, arcilla arenosa, arcilla limosa y arcilla . [5] Las texturas del suelo se clasifican por las fracciones de cada suelo por separado (arena, limo y arcilla) presente en un suelo. Las clasificaciones generalmente se nombran por el tamaño de partícula del constituyente primario o una combinación de los tamaños de partículas más abundantes, por ejemplo, "arcilla arenosa" o "arcilla limosa". Un cuarto término, franco , se utiliza para describir propiedades iguales de arena, limo y arcilla en una muestra de suelo, y se presta a la denominación de incluso más clasificaciones, por ejemplo, "franco arcilloso" o "franco limoso".
La determinación de la textura del suelo suele verse facilitada por el uso de un gráfico de triángulos de textura del suelo . [5] En el lado derecho de la página se encuentra un ejemplo de un triángulo de suelo. Un lado del triángulo representa el porcentaje de arena, el segundo lado representa el porcentaje de arcilla y el tercer lado representa el porcentaje de limo. Si se conocen los porcentajes de arena, arcilla y limo en la muestra de suelo, entonces el triángulo se puede utilizar para determinar la clasificación de la textura del suelo. Por ejemplo, si un suelo es 70 por ciento arena y 10 por ciento arcilla, entonces el suelo se clasifica como franco arenoso. El mismo método se puede utilizar comenzando en cualquier lado del triángulo del suelo. Si se utilizó el método de textura por tacto para determinar el tipo de suelo, el triángulo también puede proporcionar una estimación aproximada de los porcentajes de arena, limo y arcilla en el suelo.
Las propiedades químicas y físicas del suelo están relacionadas con la textura. El tamaño y la distribución de las partículas afectarán la capacidad del suelo para retener agua y nutrientes. Los suelos de textura fina generalmente tienen una mayor capacidad de retención de agua, mientras que los suelos arenosos contienen grandes espacios porosos que permiten la lixiviación. [6]
Los suelos se separan en rangos específicos de tamaños de partículas. Las partículas más pequeñas son partículas de arcilla y se clasifican como partículas con diámetros de menos de 0,002 mm. Las partículas de arcilla tienen forma de placa en lugar de esférica, lo que permite una mayor área de superficie específica. [7] Las siguientes partículas más pequeñas son partículas de limo y tienen diámetros entre 0,002 mm y 0,05 mm (en la taxonomía de suelos del USDA). Las partículas más grandes son partículas de arena y tienen un diámetro mayor a 0,05 mm. Además, las partículas de arena grandes se pueden describir como gruesas , las intermedias como medianas y las más pequeñas como finas . Otros países tienen sus propias clasificaciones de tamaño de partícula.
El análisis manual es un método simple y eficaz para evaluar y clasificar rápidamente la condición física de un suelo. Si se ejecuta correctamente, el procedimiento permite una evaluación rápida y frecuente de las características del suelo con poco o ningún equipo. Por lo tanto, es una herramienta útil para identificar la variación espacial tanto dentro como entre campos, así como para identificar cambios progresivos y límites entre unidades de mapas de suelos (series de suelos). La textura por tacto es un método cualitativo, ya que no proporciona valores exactos de arena, limo y arcilla. Aunque es cualitativo, el diagrama de flujo de textura por tacto puede ser una forma precisa para que un científico o una persona interesada analice las proporciones relativas de arena, limo y arcilla. [8]
El método de textura por tacto implica tomar una pequeña muestra de suelo y hacer una cinta. Se puede hacer una cinta tomando una bola de tierra y empujándola entre el pulgar y el índice y apretándola hacia arriba hasta formar una cinta. Deje que la cinta emerja y se extienda sobre el dedo índice, rompiéndose por su propio peso. Medir la longitud de la cinta puede ayudar a determinar la cantidad de arcilla en la muestra. Después de hacer una cinta, humedezca excesivamente una pequeña pizca de tierra en la palma de la mano y frótela con el dedo índice para determinar la cantidad de arena en la muestra. Los suelos que tienen un alto porcentaje de arena, como el franco arenoso o la arcilla arenosa, tienen una textura arenosa. [1] Los suelos que tienen un alto porcentaje de limo, como el franco limoso o la arcilla limosa, se sienten suaves. [1] Los suelos que tienen un alto porcentaje de arcilla, como el franco arcilloso, tienen una sensación pegajosa. Aunque el método de textura por tacto requiere práctica, es una forma útil de determinar la textura del suelo, especialmente en el campo.
El sistema internacional de clasificación de suelos Base de Referencia Mundial para el Recurso Suelo (WRB) utiliza un método alternativo para determinar la textura mediante el tacto, ofreciendo otro diagrama de flujo.
El tamizado es una técnica de análisis de suelos que se utiliza desde hace mucho tiempo pero que todavía se utiliza ampliamente. En el tamizado, un peso conocido de material de muestra pasa a través de tamices más finos. La cantidad recolectada en cada tamiz se pesa para determinar el peso porcentual en cada fracción de tamaño.
El método se utiliza para determinar la distribución del tamaño de grano de suelos con un diámetro superior a 75 μm, ya que el tamizado tiene una fuerte desventaja en el límite inferior de medición. De hecho, en el caso de fracciones más finas con un alto contenido de arcilla y limo (por debajo de 60 μm), la dispersión se vuelve complicada debido a la alta cohesión de las partículas, la adherencia del polvo al tamiz y las cargas electrostáticas. Además, en el tamizado, las partículas pasan con el lado más pequeño a través de la abertura de la malla, lo que significa que las partículas de arcilla y limo en forma de placa también podrían tamizarse. En general, esto conduce a una subestimación masiva de la fracción fina. [9]
Para medir el limo y la arcilla (con un tamaño de partícula inferior a 60 μm), se utiliza un segundo método de medición independiente (generalmente un hidrómetro o una técnica de pipeta) en la muestra tomada del tamiz inferior. La distribución del tamaño de partícula obtenida a partir del análisis del tamiz debe combinarse con los datos de un análisis de sedimentación para establecer una distribución completa del tamaño de partícula de la muestra.
El análisis de sedimentación (por ejemplo, método de pipeta, hidrómetro) se utiliza comúnmente en la industria del suelo o en geología para clasificar sedimentos. El método del hidrómetro se desarrolló en 1927 [10] y todavía se utiliza ampliamente en la actualidad.
El método del hidrómetro para determinar la textura del suelo es una medición cuantitativa que proporciona estimaciones del porcentaje de arena, arcilla y limo en el suelo según la ley de Stokes , que expresa la relación entre la velocidad de sedimentación y el tamaño de las partículas. [11]
Según esta ley las partículas se asientan debido al peso y a la acción de la gravedad. Sin embargo, existen dos fuerzas adicionales que actúan en dirección opuesta al movimiento de las partículas, lo que determina la condición de equilibrio en la que la partícula cae a una velocidad constante llamada velocidad terminal .
El método del hidrómetro requiere el uso de hexametafosfato de sodio , que actúa como un agente dispersante para separar los agregados del suelo. El suelo se mezcla con la solución de hexametafosfato de sodio en un agitador orbital durante la noche. La solución se transfiere a cilindros graduados de un litro y se llenan con agua. La solución de suelo se mezcla con un émbolo de metal para dispersar las partículas de suelo. [11] Las partículas de suelo se separan según el tamaño y se hunden hasta el fondo. Las partículas de arena se hunden primero en el fondo del cilindro. Las partículas de limo se hunden en el fondo del cilindro después de la arena. Las partículas de arcilla se separan por encima de la capa de limo.
Las mediciones se realizan utilizando un hidrómetro de suelo. Un hidrómetro de suelo mide la densidad relativa de los líquidos (densidad de un líquido en comparación con la densidad del agua). El hidrómetro se baja al cilindro que contiene la mezcla de suelo en diferentes momentos, cuarenta y cinco segundos para medir el contenido de arena, una hora y media para medir el contenido de limo y entre seis y veinticuatro horas (según el protocolo utilizado) para medir la arcilla. Se registra el número en el hidrómetro que es visible (encima de la solución del suelo). [11] Se utiliza un blanco (que contiene solo agua y el agente dispersante) para calibrar el hidrómetro. Los valores registrados de las lecturas se utilizan para calcular el porcentaje de arcilla, limo y arena. El blanco se resta de cada una de las tres lecturas. Los cálculos son los siguientes: [11]
Porcentaje de limo = (masa seca de suelo – lectura del hidrómetro de arena – lectura en blanco) / (masa seca de suelo) *100
Porcentaje de arcilla = (lectura del hidrómetro de arcilla – lectura en blanco) / (masa seca de suelo) * 100
Porcentaje de arena = 100 – (porcentaje de arcilla + porcentaje de limo)
El diámetro de Stokes determinado a través del método de sedimentación es el diámetro de una esfera que tiene la misma velocidad de sedimentación y la misma densidad que la partícula. [12] Esta es la razón por la que el análisis de sedimentación se aplica bien cuando se supone que las partículas son esféricas, tienen densidades similares, tienen interacciones despreciables y son lo suficientemente pequeñas para garantizar que el flujo de fluido se mantenga laminar. [13] Se esperan desviaciones de la ecuación de Stokes en el caso de partículas de forma irregular, como partículas de arcilla que son principalmente laminares o tubulares. La posición estable durante la sedimentación de partículas con tales formas es con el área de sección transversal máxima perpendicular a la dirección del movimiento. [13] Por esta razón, la resistencia al arrastre de las partículas aumenta y la velocidad de sedimentación disminuye. El diámetro de la partícula es directamente proporcional a la velocidad de sedimentación. Por lo tanto, con una velocidad menor, el diámetro calculado también disminuye, lo que determina una sobreestimación de la fracción de tamaño fino. [13]
El análisis de sedimentación muestra de todos modos límites para partículas menores de 0,2 micrones porque estas partículas pequeñas experimentan un movimiento browniano en la suspensión y ya no se sedimentan según la ley de Stokes. [14] El análisis de sedimentación se puede realizar de forma continua con un alto grado de precisión y repetibilidad. La distribución del tamaño de partícula del suelo que contiene una cantidad significativa de partículas más finas (limo y arcilla) no se puede realizar únicamente mediante análisis de tamiz, por lo tanto, el análisis de sedimentación se utiliza para determinar el rango inferior de la distribución del tamaño de partícula.
La difracción láser es una técnica de medición para determinar la distribución del tamaño de las partículas de las muestras, ya sea dispersas en un líquido o en forma de polvo seco. La técnica se basa en la deformación de las ondas de luz al encontrarse con partículas en una muestra. [15] El diámetro esférico equivalente medido es el diámetro de una esfera que tiene en el área de la sección transversal el mismo patrón de difracción que la partícula investigada. [16]
El ángulo de difracción depende del tamaño de las partículas, por lo tanto, el patrón de difracción depende de las cantidades relativas de partículas de diferentes tamaños presentes en esa muestra. Este patrón de difracción se detecta y analiza mediante modelos de difracción de Mie y Fraunhofer . El resultado de la medición es una distribución del tamaño de las partículas (PSD). [15]
Mediante difracción láser no sólo se puede determinar la distribución del tamaño de partículas y los valores D ponderados por volumen correspondientes, sino también el porcentaje de partículas en las principales clases de tamaño utilizadas para la clasificación del suelo.
En comparación con otras técnicas, la difracción láser es un método rápido y rentable para medir el tamaño de las partículas y analizar rápidamente las muestras de suelo. Una gran ventaja es la unidad de dispersión incorporada (por ejemplo, dispersión por presión de aire o dispersión por ultrasonidos) de los instrumentos de difracción láser. Por lo tanto, las muestras secas se pueden medir sin pasos de preparación de muestra externos, que son necesarios para el análisis de tamizado y sedimentación. Además, dado que la muestra se puede dispersar correctamente, no es necesario combinar dos técnicas de medición diferentes para obtener el rango completo de la distribución del tamaño de las partículas, incluido el contenido de limo y arcilla.
Tanto la teoría de difracción láser de Fraunhofer como la de Mie parten de la premisa de que las partículas tienen forma esférica, lo que da lugar a un pequeño error de medición, ya que las partículas pequeñas presentes en las muestras de suelo, como la arcilla y el limo en particular, son alargadas y anisotrópicas. [17] El diámetro de las partículas en el método de difracción láser se determina en relación con su volumen potencial, que se calcula a partir de una imagen de difracción óptica en los bordes de la sección transversal de las partículas. El volumen de las partículas de arcilla es el diámetro de la sección transversal de la placa, que se trata en los cálculos como el diámetro de la esfera, por lo que sus dimensiones suelen sobreestimarse en comparación con las medidas mediante análisis de sedimentación. [17]
El error asociado con la suposición de la esfericidad de las partículas depende además del grado de anisotropía . Las propiedades ópticas de las partículas anisotrópicas, como el índice de refracción y el índice de absorción, cambian según su orientación con respecto al haz láser, que también es variable. Por lo tanto, con diferentes orientaciones de partículas se medirán diferentes secciones transversales y se producirán diferentes patrones de difracción.
Para arcillas con tamaños cercanos a la longitud de onda de un haz láser, sería deseable la teoría de Mie . Esto requiere un conocimiento preciso del índice de refracción complejo del material de las partículas, incluido su coeficiente de absorción. [18] Debido a que estos parámetros son a menudo difíciles de recuperar, especialmente los coeficientes de absorción de luz para varias partículas y granos de suelo, la teoría de Fraunhofer , que solo tiene en cuenta los fenómenos de difracción de luz en el borde de las partículas, a menudo se recomienda para suelos naturales. [17]
Existen varios métodos cuantitativos adicionales para determinar la textura del suelo. Algunos ejemplos de estos métodos son el método de la pipeta, la sedimentación por rayos X, el método de materia orgánica particulada (POM) y el método rápido. [19]
La técnica de sedimentación por rayos X es una técnica híbrida que combina la sedimentación y la absorción de rayos X. El tamaño de partícula se calcula a partir de las velocidades terminales de sedimentación de las partículas aplicando la ley de Stokes . La adsorción de la radiación X se utiliza para determinar la concentración de masa relativa para cada clase de tamaño aplicando la ley de Beer-Lambert-Bouguer .