La estabilidad de los agregados del suelo es una medida de la capacidad de los agregados del suelo (partículas del suelo que se unen) para resistir la rotura cuando se exponen a fuerzas externas como la erosión hídrica y eólica , procesos de contracción e hinchazón y labranza . [1] [2] La estabilidad de los agregados del suelo es una medida de la estructura del suelo [3] y puede verse afectada por el manejo del suelo . [4]
La estabilidad agregada es uno de los indicadores de la calidad del suelo , ya que combina las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo. [5] La formación de agregados del suelo (o las llamadas partículas secundarias del suelo o peds) se produce debido a las interacciones de las partículas primarias del suelo (es decir, arcilla) a través de la reorganización, la floculación y la cementación.
La estabilidad de los agregados tiene un impacto directo en la distribución del tamaño de los poros del suelo, lo que afecta la retención de agua y el movimiento del agua en el suelo, afectando por lo tanto el movimiento del aire. Un suelo con buena estructura suele tener una mezcla de micro, meso y macroporos. Por lo tanto, con más agregación, se esperaría tener una porosidad total más alta en comparación con un suelo pobremente agregado. [6] Los microporos son importantes para la retención y el almacenamiento de agua en los suelos, mientras que los macroporos y mesoporos permiten el movimiento del agua y el aire hacia el suelo. Un suelo bien aireado es importante para la salud de las plantas y los microbios. Sin acceso al oxígeno , las raíces de las plantas y los microorganismos aeróbicos no pueden respirar y pueden morir. Para tener una alta biodiversidad de organismos del suelo es importante tener una mezcla de diferentes tamaños de poros y hábitats en el suelo. [7] Los poros del suelo crean un espacio en el suelo que permite la penetrabilidad de las raíces. En un suelo compactado con pocos agregados y espacios porosos limitados, las raíces tienen dificultades para crecer y pueden quedar excluidas de los nutrientes y el agua almacenados en diferentes partes del suelo. Los suelos con buena estabilidad de agregados generalmente tienen una tasa de infiltración de agua más alta , lo que permite que entre más agua al perfil del suelo más rápido y no son susceptibles al encharcamiento de agua.
Los agregados del suelo se forman debido a procesos de floculación y cementación, y se mejoran mediante procesos físicos y biológicos. Las partículas primarias del suelo ( arena , limo y arcilla ) están sujetas a estos procesos y pueden unirse para formar submicroagregados más grandes (< 250 μm), microagregados y macroagregados (> 250 μm). Se ha sugerido que los agregados del suelo se forman jerárquicamente, lo que significa que los agregados más grandes y menos densos se componen de agregados más pequeños y más densos (Kay, 1990; [8] Oades, 1993 [9] ).
La floculación se refiere a un estado en el que las partículas primarias del suelo (arena, limo y arcilla) son atraídas entre sí por fuerzas entre partículas para crear flóculos (o grupos) microscópicos. Las fuerzas entre partículas incluyen: fuerzas de van der Waals , fuerzas electrostáticas y enlaces de hidrógeno . Esto es lo opuesto a la dispersión , que ocurre cuando las partículas primarias individuales del suelo se mantienen separadas. La dispersión y floculación de las partículas del suelo están controladas principalmente por el pH del suelo , [10] la conductividad eléctrica (CE) y el contenido de sodio.
Los flóculos microscópicos, se convertirán en agregados una vez que sean estabilizados mediante cementación por uno o varios agentes cementantes como carbonatos , yeso , sesquióxidos , partículas de arcilla y materia orgánica (Tisdall & Oades, 1982) [11] ).
El carbonato de calcio (CaCO 3 ), el carbonato de magnesio (MgCO 3 ) y el yeso (CaSO 4 . 2H 2 O) pueden mejorar la agregación del suelo cuando se asocian con minerales arcillosos . El ion calcio (Ca 2+ ), a través de su efecto puente catiónico sobre la floculación de compuestos de arcilla y materia orgánica , tiene un papel crucial en la formación y estabilidad de los agregados del suelo. El calcio puede intercambiarse con el sodio en los sitios de intercambio. Esto, a su vez, reduce la dispersión de las partículas del suelo, la formación de costras en la superficie y el apagado de los agregados asociados con los suelos sódicos e indirectamente aumenta la estabilidad de los agregados (Nadler et al., 1996 [12] ).
Tisdall y Oades (1982) [11] encontraron que los óxidos hidratados de hierro y aluminio (o sesquióxidos ) pueden actuar como agentes cementantes para formar agregados >100 μm; este efecto se vuelve más pronunciado en suelos que contienen >10% de sesquióxidos . Los sesquióxidos actúan como agentes estabilizantes para agregados porque el hierro y el aluminio en solución actúan como floculantes (es decir, cationes puente entre partículas de suelo cargadas negativamente), y los sesquióxidos tienen potencial para precipitar como gel sobre partículas de arcilla (Amézketa, 1999 [13] ).
Las partículas de arcilla del suelo tienen diversos efectos sobre la formación de agregados, según su tipo. Los suelos con minerales arcillosos de filosilicato de tipo 2:1 (p. ej., montmoriollinita) suelen tener una alta capacidad de intercambio catiónico (CIC), lo que les permite unirse con complejos de materia orgánica con carga polivalente para formar microagregados (Amézketa, 1999 [13] ). Por lo tanto, la materia orgánica del suelo es el principal agente aglutinante en estos suelos (Six et al., 2000a [3] ). Por otro lado, en suelos con óxidos y minerales arcillosos filosiliactos de tipo 1:1 (por ejemplo, caolinita), la materia orgánica del suelo no es el único agente aglutinante y la formación de agregados también se debe a cargas electrostáticas entre los óxidos y las partículas de caolinita . Por lo tanto, en estos suelos la agregación es menos pronunciada (Six et al., 2000a [3] ).
La materia orgánica del suelo puede aumentar la estabilidad de los agregados en el suelo y formar una esponja de carbono en el suelo . La materia orgánica del suelo se puede clasificar según cómo se incorpora a los agregados del suelo: [14]
La materia orgánica temporal estabiliza los macroagregados (> 250 μm), mientras que la materia orgánica transitoria y persistente estabiliza los microagregados. [13] El papel de la materia orgánica del suelo en la estabilidad de los agregados puede ser difícil de determinar, [8] debido a varias razones:
Los ciclos de humectación y secado del suelo pueden tener un efecto beneficioso sobre la agregación del suelo (Utomo y Dexter, 1982; [15] Dexter et al., 1988 [16] ), y un efecto negativo sobre la agregación del suelo (Soulides y Allison, 1961; [ 17] Tisdall y otros, 1978 [18] ). Para ayudar a explicar estos resultados contradictorios, se planteó la hipótesis de que los suelos mantendrán un estado de equilibrio de estabilidad agregada. Si los suelos tienen ciertas propiedades, se alcanzará un nivel umbral en el que un período de humedecimiento y secado conducirá a aumentos o disminuciones en la estabilidad de los agregados dependiendo de la estabilidad de los agregados del suelo en ese momento.
Los ciclos de contracción e hinchazón del suelo están estrechamente relacionados con los ciclos de humedecimiento y secado; sin embargo, también dependen del tipo de minerales de filosilicato arcilloso presentes. Los suelos con un mayor contenido de tipos 2:1 de minerales filosilicatos (como la montmorillonita ) tienen una fuerza de cementación más fuerte que actúa durante los ciclos repetidos de humectación y secado, lo que puede aumentar la estabilidad de los agregados del suelo. [13] Esto se debe a que los minerales de filosilicato de tipo 2:1 se hinchan y aumentan su volumen al cambiar el contenido de agua; lo que significa que estos suelos se expanden cuando están mojados y se contraen cuando se secan.
A través de la acción repetida de contracción e hinchazón, la agregación del suelo ocurre debido a la reorganización de las partículas del suelo debido al estrés del aumento de la succión de agua del suelo (Kay, 1990). Algunos suelos incluso tienen la capacidad de “autocubrirse”, lo que significa que se forma una estructura granular deseable en la superficie del suelo debido a la naturaleza de contracción e hinchazón de las partículas del suelo [19] .
Cuando los suelos se congelan y descongelan, sufren expansión y contracción. Se descubrió que un mayor contenido de agua en el suelo en el momento de la congelación tenía un efecto reductor sobre la estabilidad general de los agregados. El agua se expande en estos suelos y rompe los agregados en agregados más pequeños, mientras que los poros creados por la congelación colapsan una vez que los suelos se descongelan (Amézketa, 1999 [13] ).
Los procesos biológicos del suelo son más importantes en suelos que no tienen minerales arcillosos de filosilicato 2:1 y, por lo tanto, carecen de propiedades de contracción e hinchazón que puedan ayudar en la formación estructural (Oades, 1993 [9] ). Los organismos del suelo pueden tener efectos directos e indirectos sobre la estructura del suelo en diferentes niveles de formación de agregados. Los macroagregados (>2000 μm) se mantienen unidos mediante raíces de plantas e hifas de hongos , los mesoagregados (20-250 μm) se mantienen unidos mediante una combinación de agentes cementantes que incluyen: sesquióxidos y materia orgánica persistente, y los microagregados (2-20 μm) se mantienen unidos. unidos por vínculos orgánicos persistentes. [11] La fauna del suelo mezcla partículas del suelo con materia orgánica para crear asociaciones cercanas entre sí, lo que contribuye a una esponja de carbono del suelo.
Las lombrices de tierra , las termitas y las hormigas son algunos de los invertebrados más importantes capaces de tener un efecto sobre la estructura del suelo (Lee y Foster, 1991 [20] ). Cuando las lombrices de tierra ingieren componentes minerales y orgánicos del suelo, pueden aumentar la estabilidad estructural de ese suelo a través de mayores asociaciones de carbono-minerales y la formación de heces, que aumentan la estabilidad agregada (Tisdall & Oades, 1982; [11] Oades 1993 [9] ). Algunas lombrices de tierra son capaces de crear microagregados estables mediante la floculación de iones Ca 2+ durante la digestión (Shiptalo y Protz, 1989 [21] ). Algunos microartrópodos , incluidos los ácaros y los colémbolos , aunque son pequeños, debido a su gran cantidad, son capaces de mejorar la estructura del suelo. Estos organismos suelen estar asociados con ecosistemas forestales . Ingieren una mezcla de materiales húmicos y restos de plantas. Su producción de gránulos fecales puede mejorar la estructura del suelo. (Lee y Foster, 1991 [20] ).
Tisdall y Oades (1982) [11] encontraron que las raíces y las hifas de los hongos son factores importantes en la formación de agregados. Se consideran un agente aglutinante temporal de agregados y generalmente se asocian con las primeras etapas de formación de agregados. Las raíces pueden actuar ellas mismas como agentes aglutinantes y producir grandes cantidades de exudados que suministran carbono a los organismos de la rizosfera y a la fauna del suelo. Además, dado que las raíces absorben agua, pueden tener un efecto de secado en el suelo cercano. Las hifas de los hongos pueden servir como agente aglutinante que estabiliza los macroagregados y también secretan polisacáridos que contribuyen a la microagregación.
La forma en que los agricultores administran sus tierras puede tener cambios profundos en la estabilidad agregada, que pueden aumentar o disminuir la estabilidad agregada. Los principales perturbadores de la estabilidad agregada son: la labranza , el tráfico de equipos y el tráfico de ganado (Oades, 1993 [9] ). La labranza puede alterar la agregación del suelo de varias maneras: (i) lleva el subsuelo a la superficie, exponiéndolo así a la precipitación y a los ciclos de congelación y descongelación, y (ii) cambia la humedad, la temperatura y el nivel de oxígeno del suelo, aumentando así la descomposición y el carbono. pérdida (Six et al., 2000a [3] ). Se ha demostrado que el uso de prácticas de labranza reducida o labranza cero mejora la agregación del suelo en comparación con los métodos de labranza convencionales (Six et al., 2000b [22] ). Se ha demostrado que el uso de cultivos de cobertura aumenta la agregación del suelo (Liu et al., 2005 [23] ), debido al aumento de la materia orgánica del suelo y la cobertura del suelo que proporcionan. Los cultivos perennes generalmente requieren detener la labranza , lo que evita la alteración de los agregados y permite que la planta desarrolle un sistema de raíces extenso que puede promover la estabilidad de los agregados. Además, los aportes de materia orgánica en forma de mantillo o aplicación de estiércol pueden aumentar la agregación al agregar carbono a la matriz del suelo y aumentar las tasas de actividad biológica en el suelo (Amézketa, 1999 [13] ). Una mayor carga ganadera de ganado, como el ganado vacuno, puede disminuir la estabilidad agregada del suelo debido a la compactación del suelo y la pérdida de vegetación.
Los acondicionadores de suelo son enmiendas que se pueden aplicar al suelo para mejorar propiedades como la estructura y la retención de agua para mejorar los suelos para el uso previsto, pero no específicamente para la fertilidad del suelo , aunque muchas enmiendas del suelo pueden alterar la fertilidad del suelo. Algunas enmiendas típicas incluyen: cal , yeso , azufre , compost , desechos de madera, turba , estiércol , biosólidos y enmiendas biológicas. Para que sean efectivos, los acondicionadores de suelo deben esparcirse uniformemente por todo el campo, aplicarse en el momento correcto para evitar la pérdida de nutrientes y tener el contenido de nutrientes correcto. Además, la aplicación de acondicionadores de suelo es específica del sitio y debe abordarse caso por caso, ya que un acondicionador de suelo puede no funcionar en todos los suelos por igual (Hickman y Whitney, 1988 [24] ).
Las variaciones en el clima y las estaciones pueden afectar la estabilidad agregada del suelo. Según Dimuyiannis (2008), [25] en un clima mediterráneo, se encontró que la estabilidad agregada variaba siguiendo un patrón casi cíclico, con una menor estabilidad agregada en el invierno y principios de la primavera en comparación con una mayor estabilidad agregada en los meses de verano. Se encontró que esta variación en la estabilidad agregada estaba altamente correlacionada con la precipitación mensual total y la precipitación mensual promedio. La estabilidad agregada puede verse afectada por la cantidad e intensidad de la precipitación. Mayores cantidades de precipitación y eventos de lluvia irregulares pueden disminuir la estabilidad de los agregados y aumentar la erosión. Además, las temperaturas más altas pueden aumentar las tasas de descomposición en el suelo, lo que reduce la cantidad de carbono en el sitio, lo que puede reducir la estabilidad de los agregados. Muchas de las influencias que el clima tiene sobre la estabilidad de los agregados del suelo se deben a interacciones del tipo de suelo con humectación/secado, contracción/hinchamiento y congelación/descongelación (Amézketa, 1999 [13] ).
La estabilidad de los agregados del suelo se puede medir de varias maneras, ya que:
1. Los agregados del suelo pueden desestabilizarse por diversas presiones externas provocadas por el viento, el agua o la maquinaria.
2. La estabilidad de los agregados del suelo se puede determinar a diferentes escalas de tamaño.
En la mayoría de los casos, el método de estabilidad del agregado húmedo es más relevante, porque este método imita los efectos de la erosión hídrica , que es la fuerza impulsora de la erosión en la mayoría de los ambientes. Sin embargo, en un ambiente árido , la estabilidad del agregado seco puede ser el método más aplicable porque imita la erosión eólica , que es la fuerza impulsora de la erosión en estos ambientes. Gilmour et al. (1948 [26] ) describe un método en el que los agregados se sumergen en agua y se mide el suelo del que se desprende el agregado. Emerson (1964 [27] ) utilizó un método mediante el cual los agregados se sometían a diferentes presiones de hinchamiento internas a partir de diferentes concentraciones de cloruro de sodio (NaCl). Algunas metodologías comunes se describen a continuación.
Se puede utilizar un aparato de tamizado húmedo descrito por Yoder (1936 [28] ) para determinar la estabilidad del agregado húmedo en el siguiente procedimiento de Kember y Chepil (1965 [29] ), que fue adaptado por Nimmo y Perkins (2002 [30] ).
1. Tamizar el suelo para obtener muestras de suelo con agregados de entre 2 y 4 mm de tamaño.
2. Pesar 15 g de estos agregados de 2 a 4 mm.
3. Colóquelo encima de los nidos de tamiz con aberturas de tamaño de tamiz de 4,76 mm, 2,00 mm, 1,00 mm y 0,21 mm.
4. Humedezca lentamente la tierra usando una botella rociadora y un humidificador hasta que los agregados se saturen y brillen.
5. Coloque los nidos de tamiz en el aparato de tamizado húmedo con 30 rotaciones/minuto durante aproximadamente 10 minutos.
6. Retire los nidos de colador y colóquelos en el horno a 105 °C durante 24 horas.
7. Coloque aproximadamente 7 g de tierra húmeda en una lata pesada y luego colóquela en el horno a 105 °C durante 24 horas.
8. Pesar la tierra seca de cada uno de los nidos del tamiz.
9. Luego se pueden colocar las muestras en una solución de hexametafosfato para dispersar las partículas y luego lavarlas nuevamente a través del tamiz para eliminar las partículas de arena. Luego, estas partículas de arena se pueden secar en un horno a 105 °C durante 24 horas, pesarse y tenerse en cuenta en el cálculo de la estabilidad del agregado.
Para calcular el peso medio se pueden utilizar las siguientes fórmulas:
S 4 = Ws 4,76 / (Ws/1+ø)
S 2 = Ws 2 /(Ws/1+ø)
S 1 = Ws 1 /(Ws/1+ø)
S 0,21 = Ws 0,21 /(Ws/1+ø)
S <0,21 = 1- (S 4,76 + S 2 + S 1 + S 0,21 )
Ø = (Ws húmedo – Ws seco ) / Ws seco
MWD (mm) = (S 4,76 *4,76)+(S 2 *2)+(S 1 *1)+(S 0,21 *0,21)+(S <0,21 *0,105)
Para fórmulas:
Ws 4,76 = tamiz de 4,76 mm
Ws 2 = tamiz de 2 mm
Ws 1 = tamiz de 1 mm
Ws 0,21 = tamiz de 0,21 mm
Ws mojado = peso del suelo mojado
Ws seco = peso del suelo seco
Ø = contenido de agua
MWD (mm) = diámetro de peso medio
Se puede utilizar un cilindro giratorio de tamizado en seco descrito por Chepil (1962 [31] ) en combinación con un diseño de tamiz anidado, como lo describe el siguiente procedimiento de Metting y Rayburn (1983 [32] ):
1. Tamizar muestras de suelo para obtener agregados de 0,92 a 1,68 mm de diámetro.
2. Pesar 2 kg de agregados de muestra de suelo.
3. Disponga nidos de tamiz de suelo con aberturas de >0,84, 0,84-0,42 y <0,42 mm.
4. Luego se alimentaron los agregados sobre los nidos de tamiz usando una cinta transportadora a una velocidad de 10 mm/s.
5. Luego se hace funcionar el cilindro giratorio a 10 rotaciones por minuto hasta que la muestra completa se haya separado en fracciones de agregado >0,84, 0,84-0,42 y <0,42 mm.
6. Luego se mide la estabilidad en seco como un porcentaje de agregados que son >0,42 mm siguiendo el método del cilindro giratorio.
El método de apagado utilizado para medir la estabilidad de los agregados del suelo es una medida de qué tan bien se adhiere un agregado del suelo cuando se sumerge en agua. Existen varios métodos que utilizan este método, uno de los cuales es la aplicación "Moulder: Soil Aggregates" desarrollada por Fajardo y McBratney (2023). [33] Este método utiliza un teléfono inteligente y describe cómo los agricultores y científicos pueden medir la estabilidad agregada utilizando muestras de su campo utilizando el siguiente método: