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 1870, un químico consultor de la Real Sociedad Agrícola de Inglaterra, llamado J. Thomas Way, realizó muchos experimentos sobre cómo los suelos intercambian iones y es considerado el padre de la química del suelo. [1] Otros científicos que contribuyeron a esta rama de la ecología incluyen a Edmund Ruffin y Linus Pauling . [1]
Hasta finales de la década de 1960, la química del suelo se centraba principalmente en las reacciones químicas del suelo que contribuyen a la pedogénesis o que afectan el crecimiento de las plantas . Desde entonces, han aumentado las preocupaciones sobre la contaminación ambiental , la contaminación orgánica e inorgánica del suelo y los posibles riesgos para la salud ecológica y ambiental . En consecuencia, el énfasis en la química del suelo ha pasado de la pedología y la ciencia agrícola del suelo a un énfasis en la ciencia ambiental del suelo .
Un conocimiento de la química ambiental del suelo es fundamental para predecir el destino de los contaminantes , así como los procesos mediante los cuales se liberan inicialmente en el suelo. Una vez que una sustancia química se expone al ambiente del suelo, pueden ocurrir innumerables reacciones químicas que pueden aumentar o disminuir la toxicidad del contaminante. Estas reacciones incluyen adsorción / desorción , precipitación , polimerización , disolución , hidrólisis , hidratación , complejación 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 .
La estructura del suelo se refiere a la manera en que estas partículas individuales del suelo se agrupan para formar grupos de partículas llamados agregados. Esto está determinado por los tipos de formación del suelo , material parental y textura . La estructura del suelo puede verse influenciada por una amplia variedad de biota, así como por métodos de manejo por parte de los humanos.
La clasificación de las formas estructurales del suelo se basa en gran medida en su forma.
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 a la atmósfera circundante. Los macroporos [3] ayudan a transportar moléculas y sustancias dentro y fuera de los microporos. Los microporos están comprendidos dentro de los propios agregados.
La atmósfera contiene tres gases principales: oxígeno, dióxido de carbono (CO 2 ) y nitrógeno. En la atmósfera, el oxígeno es del 20%, el nitrógeno es del 79% y el CO 2 es del 0,15% al 0,65% en volumen. El CO 2 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 a la humificación orgánica . El aire del 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 tiene deficiencia de 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 .
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 las 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 utilizar para calcular los porcentajes de cada tipo de partículas que suman un total del 100 % para el perfil del suelo. Estos separadores de suelo difieren no sólo en su tamaño 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.
Las partículas de arena varían en tamaño (alrededor de 0,05 a 2 mm). [4] La arena es el más grueso de los grupos de partículas. La arena tiene los poros y las partículas de suelo más grandes de los grupos de partículas. También drena más fácilmente. Estas partículas se involucran más en reacciones químicas cuando se recubren con arcilla.
Las partículas de limo varían en tamaño (alrededor de 0,002 a 0,5 mm). Los poros del limo se consideran de tamaño mediano en comparación con los otros grupos de partículas. El limo tiene una textura consistente 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.
La arcilla tiene partículas de tamaño más pequeño (aproximadamente <0,002 mm) de los grupos de partículas. La arcilla también tiene los poros más pequeños lo que le da 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.
La marga es 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.
La biota son organismos que, junto con la materia orgánica, ayudan a formar el sistema biológico del suelo. La gran mayoría de la actividad biológica tiene lugar cerca de la superficie del suelo, generalmente en el horizonte A de un perfil de suelo . La biota depende de aportes de materia orgánica para mantenerse y aumentar el tamaño de la población. A cambio, aportan nutrientes al suelo, generalmente después de que éste haya pasado por su ciclo en la red alimentaria trófica del suelo .
Con las diferentes interacciones que tienen lugar, la biota puede impactar en gran medida su entorno física, química y biológicamente (Pavao-Zuckerman, 2008). Un factor destacado que ayuda a proporcionar cierto grado de estabilidad a estas interacciones es la biodiversidad , un componente clave de todas las comunidades ecológicas. La biodiversidad permite un flujo constante de energía a través de los niveles tróficos e influye fuertemente en la estructura de las comunidades ecológicas del suelo.
Los tipos de biota viva del suelo se pueden dividir en categorías de plantas (flora), animales (fauna) y microorganismos. Las plantas desempeñan un papel en la química del suelo al intercambiar nutrientes con microorganismos y absorber nutrientes, creando gradientes de concentración de cationes y aniones. Además de esto, las diferencias en el potencial hídrico creado por las plantas influyen en el movimiento del agua en el suelo, lo que afecta la forma y el transporte de diversas partículas. La cubierta vegetal en la superficie del suelo reduce en gran medida la erosión , lo que a su vez previene la compactación y ayuda a mantener la aireación en el espacio poroso del suelo , proporcionando oxígeno y carbono a la biota y los sitios de intercambio catiónico que dependen de ella (Peri et al., 2022). Los animales son esenciales para la química del suelo, ya que regulan el ciclo de nutrientes y energía en diferentes formas. Esto se hace principalmente a través de redes alimentarias. Algunos tipos de animales del suelo se pueden encontrar a continuación.
Los microbios del suelo desempeñan un papel importante en una multitud de actividades biológicas y químicas que tienen lugar en el suelo. Se dice que estos microorganismos constituyen alrededor de 1.000 a 10.000 kg de biomasa por hectárea en algunos suelos (García-Sánchez, 2016). Son principalmente reconocidos por su asociación con las plantas. El ejemplo más conocido de esto son las micorrizas , que intercambian carbono por nitrógeno con las raíces de las plantas en una relación simbiótica. Además, los microbios son responsables de la mayor parte de la respiración que tiene lugar en el suelo, lo que tiene implicaciones para la liberación de gases como el metano y el óxido nitroso del suelo (lo que le da importancia en la discusión sobre el cambio climático ) (Frouz et al., 2020) . Dada la importancia de los efectos de los microbios en su entorno, muchos cultivadores de plantas, conservacionistas y ecologistas suelen desear la conservación y promoción de la vida microbiana.
La materia orgánica del suelo es la mayor fuente de nutrientes y energía en un suelo. Sus aportes influyen fuertemente en factores clave del suelo, como los tipos de biota, el pH e incluso el orden del suelo. Los productores de plantas suelen aplicar estratégicamente la materia orgánica del suelo debido a su capacidad para mejorar la estructura del suelo, suministrar nutrientes, gestionar el pH, aumentar la retención de agua y regular la temperatura del suelo (lo que afecta directamente la dinámica del agua y la biota).
Los principales elementos que se encuentran en el humus , producto de la descomposición de la materia orgánica del suelo, 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 , resinas , urea , etc. El humus es un producto dinámico y cambia constantemente debido a su oxidación, reducción e hidrólisis ; por tanto, tiene mucho contenido de carbono y menos nitrógeno. Este material puede provenir de diversas fuentes, pero a menudo deriva de estiércol de ganado y residuos vegetales.
Aunque hay muchas otras variables, como la textura, los suelos que carecen de suficiente contenido de materia orgánica son susceptibles a la degradación y la sequía, ya que no hay nada que soporte la estructura del suelo. Esto a menudo conduce a una disminución de la fertilidad del suelo y a un aumento de la erosionabilidad.
Otros conceptos asociados:
Muchos nutrientes vegetales del suelo sufren ciclos biogeoquímicos en todo su entorno. Estos ciclos están influenciados por el agua, el intercambio de gases, la actividad biológica, la inmovilización y la dinámica de mineralización , pero cada elemento tiene su propio curso de flujo (Deemy et al., 2022). Por ejemplo, el nitrógeno pasa de una forma gaseosa aislada a los compuestos nitrato y nitrito a medida que avanza por el suelo y queda disponible para las plantas. En comparación, un elemento como el fósforo se transfiere en forma mineral, ya que está contenido en el material rocoso. Estos ciclos también varían mucho en movilidad, solubilidad y la velocidad a la que avanzan a través de sus ciclos naturales. Juntos, impulsan todos los procesos de la química del suelo.
Los nuevos conocimientos sobre la química de los suelos a menudo provienen de estudios en el laboratorio, en los que muestras de suelo tomadas de horizontes no perturbados en el campo se utilizan en experimentos que incluyen tratamientos y controles replicados. En muchos casos, las muestras de suelo se secan al aire a temperatura ambiente (p. ej., 25 °C (77 °F)) y se tamizan a un tamaño de 2 mm antes de almacenarlas para su posterior estudio. Dicho secado y tamizado de muestras de suelo altera 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. [7] El interés renovado en las últimas décadas ha llevado a muchos químicos del suelo a mantener muestras de suelo en condiciones húmedas de campo y almacenadas a 4 °C (39 °F) en condiciones aeróbicas antes y durante las investigaciones. [8]
En las investigaciones de laboratorio sobre química del suelo se utilizan con frecuencia dos enfoques. 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 por 5 g de suelo en un tubo o matraz de centrífuga ). Luego, la lechada de suelo se agita o se agita durante un período de tiempo determinado (por ejemplo, de 15 minutos a muchas horas) para establecer un estado estacionario o condición de equilibrio antes de filtrar o centrifugar a alta velocidad para separar granos de arena, partículas de limo y coloides de arcilla. de la solución equilibrada. [9] Luego, el filtrado o centrifugado se analiza utilizando uno de varios métodos, incluidos electrodos de iones específicos, 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 multiplicando la concentración o actividad medida (p. ej., en mg de ion/mL) por la relación solución-suelo (mL de extracción solución/g de suelo), el químico obtiene el resultado en mg de iones/g de suelo. Este resultado basado en la masa de suelo permite realizar comparaciones entre diferentes suelos y tratamientos. Un enfoque relacionado utiliza un volumen de solución conocido para lixiviar (infiltrar) la solución de extracción a través de una cantidad de suelo en pequeñas columnas a una velocidad controlada para simular cómo la lluvia, el agua de deshielo y el agua de riego pasan a través de los suelos en el campo. Luego, el filtrado se analiza utilizando los mismos métodos que se utilizan en los equilibrados por lotes. [10]
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 extractora de suelo. Estos métodos suelen utilizar técnicas espectroscópicas de superficie, como la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier , la resonancia magnética nuclear , la espectroscopia de Mössbauer 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 moléculas se asocian con dichas superficies mediante adsorción, complejación y precipitación. [11]
Estos experimentos y análisis de laboratorio tienen una ventaja sobre los estudios de campo en que a partir de los datos se pueden inferir mecanismos químicos sobre cómo reaccionan los iones y las moléculas en los suelos. Se pueden sacar conclusiones o formular nuevas hipótesis sobre reacciones similares en diferentes suelos con diversas texturas, contenidos de materia orgánica, tipos de minerales y óxidos arcillosos, pH y condiciones de drenaje. Los estudios de laboratorio tienen la desventaja de que pierden algo del realismo y la heterogeneidad del suelo no perturbado en el campo, mientras ganan control y poder de extrapolación a suelos no estudiados. Los estudios mecanicistas de laboratorio combinados con estudios de campo observacionales 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. Otro desafío que enfrentan los químicos del suelo es cómo las poblaciones microbianas y la actividad enzimática en los suelos de campo pueden cambiar cuando se altera el suelo, tanto en el campo como en el laboratorio, particularmente cuando las muestras de suelo se secan antes de los estudios y análisis de laboratorio. [12]
Medios relacionados con la química del suelo en Wikimedia Commons