La química del suelo es el estudio de las características químicas del suelo . La composición mineral , la materia orgánica y los factores ambientales afectan a la química del suelo . A principios de la década de 1870, un químico consultor de la Royal Agricultural Society de Inglaterra, llamado J. Thomas Way, realizó muchos experimentos sobre cómo los suelos intercambian iones y se lo considera 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 los años 1960, la química del suelo se centraba principalmente en las reacciones químicas del suelo que contribuyen a la pedogénesis o que afectan al 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 del suelo agrícola a un énfasis en la ciencia del suelo ambiental .
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 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 , complexación 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 , el material parental y la textura . La estructura del suelo puede verse influenciada por una amplia variedad de biota, así como por los métodos de gestión de los seres humanos.
La clasificación de las formas estructurales del suelo se basa en gran medida en la 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, a saber, oxígeno, dióxido de carbono (CO 2 ) y nitrógeno. En la atmósfera, el oxígeno es el 20%, el nitrógeno es el 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 humificación orgánica . El aire en el suelo está compuesto de 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 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 en lo que respecta a 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 partícula que suman un total de 100% para el perfil del suelo. Estas separaciones del suelo 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.
Las partículas de arena varían en tamaño (aproximadamente entre 0,05 y 2 mm). [4] La arena es el grupo de partículas más grueso. Tiene los poros y las partículas de tierra más grandes de todos los grupos de partículas. También es la que se drena con mayor facilidad. Estas partículas participan más en las reacciones químicas cuando están recubiertas de arcilla.
Las partículas de limo varían de tamaño (aproximadamente entre 0,002 y 0,5 mm). Los poros del limo se consideran de tamaño mediano en comparación con los otros grupos de partículas. El limo tiene una consistencia de textura similar a la de la 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 todos los grupos de partículas. También tiene los poros más pequeños, lo que le confiere una mayor porosidad, y no drena bien. La arcilla tiene una textura pegajosa cuando está húmeda. Algunos tipos pueden crecer y disiparse, o en otras palabras, encogerse y hincharse.
El suelo franco es una combinación de arena, limo y arcilla. Puede denominarse según las partículas primarias que lo componen, por ejemplo, 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 los aportes de materia orgánica para mantenerse y aumentar el tamaño de sus poblaciones. A cambio, aportan nutrientes al suelo, generalmente después de que este haya sido reciclado en la red alimentaria trófica del suelo .
Con las muchas interacciones diferentes que tienen lugar, la biota puede tener un gran impacto en su entorno física, química y biológicamente (Pavao-Zuckerman, 2008). Un factor importante 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 en el 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 intercambiando nutrientes con microorganismos y absorbiendo nutrientes, creando gradientes de concentración de cationes y aniones. Además de esto, las diferencias en el potencial hídrico creadas por las plantas influyen en el movimiento del agua en el suelo, lo que afecta la forma y el transporte de varias partículas. La cubierta vegetal en la superficie del suelo reduce en gran medida la erosión , lo que a su vez evita 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 de cationes 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 las redes alimentarias. A continuación, se pueden encontrar algunos tipos de animales del suelo.
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 representan alrededor de 1.000 a 10.000 kg de biomasa por hectárea en algunos suelos (García-Sánchez, 2016). Se les reconoce principalmente 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 el debate 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 del suelo. Sus aportes influyen fuertemente en factores clave del suelo, como los tipos de biota, el pH e incluso el orden del suelo. Los cultivadores de plantas suelen aplicar la materia orgánica del suelo de manera estratégica debido a su capacidad para mejorar la estructura del suelo, suministrar nutrientes, controlar el pH, aumentar la retención de agua y regular la temperatura del suelo (lo que afecta directamente a la dinámica del agua y la biota).
Los principales elementos que se encuentran en el humus , el producto de la descomposición de la materia orgánica en el 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 , las resinas , la urea , etc. El humus es un producto dinámico y cambia constantemente debido a su oxidación, reducción e hidrólisis ; por lo tanto, tiene mucho contenido de carbono y menos nitrógeno. Este material puede provenir de una variedad de fuentes, pero a menudo se deriva del estiércol del ganado y de los residuos vegetales.
Aunque existen muchas otras variables, como la textura, los suelos que carecen de suficiente contenido de materia orgánica son susceptibles a la degradación y la desecación, ya que no hay nada que sostenga 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 de las plantas en el suelo experimentan 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 la 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 se desplaza por el suelo y se vuelve 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 cuanto a movilidad, solubilidad y la velocidad a la que se mueven 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 se utilizan muestras de suelo tomadas de horizontes de suelo no perturbados en el campo en experimentos que incluyen tratamientos replicados y controles. En muchos casos, las muestras de suelo se secan al aire a temperaturas ambiente (por ejemplo, 25 °C (77 °F)) y se tamizan a un tamaño de 2 mm antes de almacenarlas para estudios posteriores. Tal secado y tamizado de las 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 renovado interés en las últimas décadas ha llevado a muchos químicos de suelos a mantener las muestras de suelo en una condición de campo húmedo y almacenarlas 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 añade un volumen dado 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 o matraz de centrífuga). A continuación, la suspensión de suelo se agita o se hace girar durante un tiempo determinado (p. ej., de 15 minutos a muchas horas) para establecer un estado estable 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. [9] A continuación, el filtrado o centrifugado se analiza utilizando uno de varios métodos, incluidos los electrodos específicos de iones, la espectrofotometría de absorción atómica , la espectrometría de plasma acoplado inductivamente , la cromatografía iónica y los 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 (por ejemplo, en mg de ion/mL) por la relación solución-suelo (mL de solución de extracción/g de suelo), el químico obtiene el resultado en mg de ion/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 conocido de solución 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 equilibrios 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 de extracción. Estos métodos suelen utilizar técnicas espectroscópicas de superficie, como la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier , la resonancia magnética nuclear , la espectroscopia 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 las moléculas se asocian con dichas superficies por adsorción, complexación y precipitación. [11]
Estos experimentos y análisis de laboratorio tienen una ventaja sobre los estudios de campo, ya que los mecanismos químicos que determinan 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 suelos diferentes con texturas, contenidos de materia orgánica, tipos de minerales arcillosos y óxidos, pH y condiciones de drenaje diferentes. Los estudios de laboratorio tienen la desventaja de que pierden algo del realismo y la heterogeneidad de los suelos no perturbados en el campo, mientras que ganan control y el poder de extrapolación a suelos no estudiados. Los estudios de laboratorio mecanicistas 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 al que se enfrentan los químicos de suelos es cómo pueden cambiar las poblaciones microbianas y la actividad enzimática en los suelos de campo cuando se perturba el suelo, tanto en el campo como en el laboratorio, en particular 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