El suelo , también conocido comúnmente como tierra o suciedad , es una mezcla de materia orgánica , minerales , gases , líquidos y organismos que, en conjunto, sustentan la vida de las plantas y los organismos del suelo . Algunas definiciones científicas distinguen la suciedad del suelo al restringir el primer término específicamente al suelo desplazado.
El suelo se compone de una fase sólida de minerales y materia orgánica (la matriz del suelo), así como de una fase porosa que contiene gases (la atmósfera del suelo) y agua (la solución del suelo). [1] [2] En consecuencia, el suelo es un sistema de tres estados de sólidos, líquidos y gases. [3] El suelo es un producto de varios factores: la influencia del clima , el relieve (elevación, orientación y pendiente del terreno), los organismos y los materiales parentales del suelo (minerales originales) que interactúan a lo largo del tiempo. [4] Experimenta continuamente un desarrollo a través de numerosos procesos físicos, químicos y biológicos, que incluyen la meteorización con la erosión asociada . [5] Dada su complejidad y fuerte conectividad interna , los ecólogos del suelo consideran al suelo como un ecosistema . [6]
La mayoría de los suelos tienen una densidad aparente seca (densidad del suelo teniendo en cuenta los huecos cuando está seco) entre 1,1 y 1,6 g/cm 3 , aunque la densidad de partículas del suelo es mucho mayor, en el rango de 2,6 a 2,7 g/cm 3 . [7] Poco del suelo del planeta Tierra es más antiguo que el Pleistoceno y ninguno es más antiguo que el Cenozoico , [8] aunque se conservan suelos fosilizados desde el Arcaico . [9]
En conjunto, el conjunto de suelos de la Tierra se denomina pedosfera . La pedosfera interactúa con la litosfera , la hidrosfera , la atmósfera y la biosfera . [10] El suelo tiene cuatro funciones importantes :
Todas estas funciones, a su vez, modifican el suelo y sus propiedades.
La ciencia del suelo tiene dos ramas básicas de estudio: la edafología y la pedología . La edafología estudia la influencia de los suelos en los seres vivos. [11] La pedología se centra en la formación, descripción (morfología) y clasificación de los suelos en su entorno natural. [12] En términos de ingeniería, el suelo se incluye en el concepto más amplio de regolito , que también incluye otros materiales sueltos que se encuentran por encima del lecho de roca, como los que se pueden encontrar en la Luna y otros objetos celestes . [13]
El suelo es un componente importante del ecosistema de la Tierra . Los ecosistemas del mundo se ven afectados de maneras de gran alcance por los procesos que se llevan a cabo en el suelo, con efectos que van desde el agotamiento del ozono y el calentamiento global hasta la destrucción de la selva tropical y la contaminación del agua . Con respecto al ciclo del carbono de la Tierra , el suelo actúa como un importante reservorio de carbono , [14] y es potencialmente uno de los más reactivos a la perturbación humana [15] y al cambio climático. [16] A medida que el planeta se calienta, se ha predicho que los suelos agregarán dióxido de carbono a la atmósfera debido al aumento de la actividad biológica a temperaturas más altas, una retroalimentación positiva (amplificación). [17] Sin embargo, esta predicción ha sido cuestionada al considerar el conocimiento más reciente sobre la renovación del carbono del suelo . [18]
El suelo actúa como un medio de ingeniería, un hábitat para los organismos del suelo , un sistema de reciclaje de nutrientes y desechos orgánicos , un regulador de la calidad del agua , un modificador de la composición atmosférica y un medio para el crecimiento de las plantas , lo que lo convierte en un proveedor de servicios ecosistémicos de importancia crítica . [19] Dado que el suelo tiene una enorme variedad de nichos y hábitats disponibles , contiene una parte importante de la diversidad genética de la Tierra . Un gramo de suelo puede contener miles de millones de organismos, pertenecientes a miles de especies, en su mayoría microbianas y en gran parte aún inexploradas. [20] [21] El suelo tiene una densidad procariota media de aproximadamente 10 8 organismos por gramo, [22] mientras que el océano no tiene más de 10 7 organismos procariotas por mililitro (gramo) de agua de mar. [23] El carbono orgánico retenido en el suelo finalmente se devuelve a la atmósfera a través del proceso de respiración realizado por organismos heterótrofos , pero una parte sustancial se retiene en el suelo en forma de materia orgánica del suelo; La labranza generalmente aumenta la tasa de respiración del suelo , lo que lleva al agotamiento de la materia orgánica del suelo. [24] Dado que las raíces de las plantas necesitan oxígeno, la aireación es una característica importante del suelo. Esta ventilación se puede lograr a través de redes de poros del suelo interconectados , que también absorben y retienen el agua de lluvia, lo que la hace fácilmente disponible para su absorción por las plantas. Dado que las plantas requieren un suministro casi continuo de agua, pero la mayoría de las regiones reciben lluvias esporádicas, la capacidad de retención de agua de los suelos es vital para la supervivencia de las plantas. [25]
Los suelos pueden eliminar eficazmente las impurezas, [26] matar agentes patógenos, [27] y degradar contaminantes , esta última propiedad se denomina atenuación natural . [28] Normalmente, los suelos mantienen una absorción neta de oxígeno y metano y experimentan una liberación neta de dióxido de carbono y óxido nitroso . [29] Los suelos ofrecen a las plantas soporte físico, aire, agua, moderación de la temperatura, nutrientes y protección contra toxinas. [30] Los suelos proporcionan nutrientes fácilmente disponibles para las plantas y los animales al convertir la materia orgánica muerta en varias formas de nutrientes. [31]
Componentes de un suelo franco limoso por porcentaje de volumen
Un suelo típico está compuesto por un 50% de sólidos (45% de materia mineral y 5% de materia orgánica) y un 50% de huecos (o poros), de los cuales la mitad está ocupada por agua y la otra mitad por gas. [32] El porcentaje de contenido mineral y orgánico del suelo se puede considerar una constante (a corto plazo), mientras que el porcentaje de contenido de agua y gas del suelo se considera muy variable, por lo que un aumento de uno se equilibra simultáneamente con una reducción del otro. [33] El espacio poroso permite la infiltración y el movimiento del aire y el agua, ambos críticos para la vida que existe en el suelo. [34] La compactación , un problema común en los suelos, reduce este espacio, impidiendo que el aire y el agua lleguen a las raíces de las plantas y a los organismos del suelo. [35]
Dado el tiempo suficiente, un suelo indiferenciado desarrollará un perfil de suelo que consta de dos o más capas, denominadas horizontes del suelo. Estos difieren en una o más propiedades como su textura , estructura , densidad , porosidad, consistencia, temperatura, color y reactividad . [8] Los horizontes difieren mucho en espesor y generalmente carecen de límites definidos; su desarrollo depende del tipo de material parental , los procesos que modifican esos materiales parentales y los factores formadores del suelo que influyen en esos procesos. Las influencias biológicas en las propiedades del suelo son más fuertes cerca de la superficie, aunque las influencias geoquímicas en las propiedades del suelo aumentan con la profundidad. Los perfiles de suelo maduros típicamente incluyen tres horizontes maestros básicos: A, B y C. El solum normalmente incluye los horizontes A y B. El componente vivo del suelo está confinado en gran medida al solum y generalmente es más prominente en el horizonte A. [36] Se ha sugerido que el pedón , una columna de suelo que se extiende verticalmente desde la superficie hasta el material parental subyacente y lo suficientemente grande como para mostrar las características de todos sus horizontes, podría subdividirse en el humipedón (la parte viva, donde habitan la mayoría de los organismos del suelo, correspondiente a la forma de humus ), el copedón (en posición intermedia, donde tiene lugar la mayor parte de la meteorización de los minerales) y el litopedón (en contacto con el subsuelo). [37]
La textura del suelo está determinada por las proporciones relativas de las partículas individuales de arena , limo y arcilla que lo componen.
La interacción de las partículas minerales individuales con materia orgánica, agua y gases a través de procesos bióticos y abióticos hace que dichas partículas floculen (se peguen entre sí) para formar agregados o peds . [38] Cuando se pueden identificar estos agregados, se puede decir que un suelo está desarrollado y se puede describir más en términos de color, porosidad, consistencia, reacción ( acidez ), etc.
El agua es un agente crítico en el desarrollo del suelo debido a su participación en la disolución, precipitación, erosión, transporte y deposición de los materiales que lo componen. [39] La mezcla de agua y materiales disueltos o suspendidos que ocupan el espacio poroso del suelo se llama solución del suelo. Dado que el agua del suelo nunca es agua pura, sino que contiene cientos de sustancias orgánicas y minerales disueltas, puede llamarse con mayor precisión solución del suelo. El agua es fundamental para la disolución , precipitación y lixiviación de minerales del perfil del suelo . Finalmente, el agua afecta el tipo de vegetación que crece en un suelo, lo que a su vez afecta el desarrollo del suelo, una retroalimentación compleja que se ejemplifica en la dinámica de los patrones de vegetación en bandas en regiones semiáridas. [40]
Los suelos proporcionan nutrientes a las plantas , la mayoría de los cuales se mantienen en su lugar mediante partículas de arcilla y materia orgánica ( coloides ) [41]. Los nutrientes pueden adsorberse en superficies minerales arcillosas, unirse dentro de minerales arcillosos ( absorberse ) o unirse dentro de compuestos orgánicos como parte de los organismos vivos o la materia orgánica del suelo muerto. Estos nutrientes unidos interactúan con el agua del suelo para amortiguar la composición de la solución del suelo (atenuar los cambios en la solución del suelo) a medida que los suelos se humedecen o se secan, a medida que las plantas absorben nutrientes, a medida que las sales se lixivian o a medida que se agregan ácidos o álcalis. [42]
La disponibilidad de nutrientes para las plantas se ve afectada por el pH del suelo , que es una medida de la actividad de los iones de hidrógeno en la solución del suelo. El pH del suelo es una función de muchos factores formadores del suelo y, por lo general, es más bajo (más ácido) donde la meteorización está más avanzada. [43]
La mayoría de los nutrientes de las plantas, con excepción del nitrógeno , se originan a partir de los minerales que componen el material parental del suelo. Parte del nitrógeno se origina a partir de la lluvia en forma de ácido nítrico diluido y amoníaco [44], pero la mayor parte del nitrógeno está disponible en los suelos como resultado de la fijación de nitrógeno por las bacterias . Una vez en el sistema suelo-planta, la mayoría de los nutrientes se reciclan a través de organismos vivos, residuos vegetales y microbianos (materia orgánica del suelo), formas ligadas a minerales y la solución del suelo. Tanto los organismos vivos del suelo (microbios, animales y raíces de plantas) como la materia orgánica del suelo son de importancia crítica para este reciclaje y, por lo tanto, para la formación y la fertilidad del suelo [45] . Las enzimas microbianas del suelo pueden liberar nutrientes de los minerales o la materia orgánica para su uso por parte de las plantas y otros microorganismos, secuestrarlos (incorporarlos) en células vivas o provocar su pérdida del suelo por volatilización (pérdida a la atmósfera en forma de gases) o lixiviación [46] .
Se dice que el suelo se forma cuando la materia orgánica se ha acumulado y los coloides son arrastrados hacia abajo, dejando depósitos de arcilla, humus , óxido de hierro , carbonato y yeso , produciendo una capa distintiva llamada horizonte B. Esta es una definición algo arbitraria, ya que las mezclas de arena, limo, arcilla y humus soportarán la actividad biológica y agrícola antes de ese momento. [47] Estos componentes se mueven de un nivel a otro por el agua y la actividad animal. Como resultado, se forman capas (horizontes) en el perfil del suelo. La alteración y el movimiento de materiales dentro de un suelo provoca la formación de horizontes de suelo distintivos . Sin embargo, las definiciones más recientes de suelo abarcan suelos sin ninguna materia orgánica, como los regolitos que se formaron en Marte [48] y condiciones análogas en los desiertos del planeta Tierra. [49]
Un ejemplo del desarrollo de un suelo comenzaría con la meteorización del lecho rocoso de un flujo de lava, que produciría el material parental puramente mineral a partir del cual se forma la textura del suelo. El desarrollo del suelo procedería más rápidamente a partir de la roca desnuda de flujos recientes en un clima cálido, bajo lluvias fuertes y frecuentes. En tales condiciones, las plantas (en una primera etapa, líquenes fijadores de nitrógeno y cianobacterias , luego plantas superiores epilíticas ) se establecen muy rápidamente en la lava basáltica , aunque hay muy poco material orgánico. [50] Los minerales basálticos comúnmente se meteorizan relativamente rápido, según la serie de disolución de Goldich . [51] Las plantas se sostienen sobre la roca porosa, ya que está llena de agua portadora de nutrientes que transporta minerales disueltos de las rocas. Las grietas y los bolsillos, la topografía local de las rocas, sostendrían materiales finos y albergarían raíces de plantas. Las raíces de las plantas en desarrollo están asociadas con hongos micorrízicos meteorizadores de minerales [52] que ayudan a romper la lava porosa y, por estos medios, la materia orgánica y un suelo mineral más fino se acumulan con el tiempo. Se han descrito etapas iniciales de desarrollo del suelo en volcanes, [53] inselbergs, [54] y morrenas glaciares. [55]
La forma en que se produce la formación del suelo está influenciada por al menos cinco factores clásicos que están entrelazados en la evolución de un suelo: material parental, clima, topografía (relieve), organismos y tiempo. [56] Cuando se reordenan a clima, relieve, organismos, material parental y tiempo, forman el acrónimo CROPT. [57]
Las propiedades físicas de los suelos, en orden decreciente de importancia para los servicios ecosistémicos como la producción de cultivos , son textura , estructura , densidad aparente , porosidad , consistencia, temperatura , color y resistividad. [58] La textura del suelo está determinada por la proporción relativa de los tres tipos de partículas minerales del suelo, llamadas separaciones del suelo: arena , limo y arcilla . En la siguiente escala más grande, las estructuras del suelo llamadas peds o más comúnmente agregados del suelo se crean a partir de las separaciones del suelo cuando los óxidos de hierro , carbonatos , arcilla, sílice y humus , recubren las partículas y hacen que se adhieran en estructuras secundarias más grandes y relativamente estables . [59] La densidad aparente del suelo , cuando se determina en condiciones de humedad estandarizadas, es una estimación de la compactación del suelo . [60] La porosidad del suelo consiste en la parte vacía del volumen del suelo y está ocupada por gases o agua. La consistencia del suelo es la capacidad de los materiales del suelo para unirse. La temperatura y el color del suelo se definen por sí mismos. La resistividad se refiere a la resistencia a la conducción de corrientes eléctricas y afecta la tasa de corrosión de estructuras de metal y hormigón que están enterradas en el suelo. [61] Estas propiedades varían según la profundidad de un perfil de suelo, es decir, a través de los horizontes del suelo . La mayoría de estas propiedades determinan la aireación del suelo y la capacidad del agua de infiltrarse y permanecer dentro del suelo. [62]
El contenido de agua del suelo se puede medir en volumen o peso . Los niveles de humedad del suelo, en orden decreciente de contenido de agua, son saturación, capacidad de campo , punto de marchitamiento , secado al aire y secado al horno. La capacidad de campo describe un suelo húmedo drenado en el punto en el que el contenido de agua alcanza el equilibrio con la gravedad. El riego del suelo por encima de la capacidad de campo corre el riesgo de pérdidas por percolación. El punto de marchitamiento describe el límite seco para las plantas en crecimiento. Durante la temporada de crecimiento, la humedad del suelo no se ve afectada por los grupos funcionales o la riqueza de especies. [63]
La capacidad hídrica disponible es la cantidad de agua contenida en un perfil de suelo disponible para las plantas. A medida que el contenido de agua disminuye, las plantas tienen que trabajar contra fuerzas cada vez mayores de adhesión y sorción para extraer agua. La programación del riego evita el estrés hídrico al reponer el agua agotada antes de que se produzca el estrés. [64] [65]
La acción capilar es responsable de mover el agua subterránea desde las regiones húmedas del suelo a las áreas secas. Los diseños de riego por subsuelo (por ejemplo, lechos absorbentes , jardineras de riego por subsuelo ) dependen de la capilaridad para suministrar agua a las raíces de las plantas. La acción capilar puede resultar en una concentración evaporativa de sales, causando la degradación de la tierra a través de la salinización .
La medición de la humedad del suelo (que mide el contenido de agua del suelo, expresado en términos de volumen o peso) puede basarse en sondas in situ (por ejemplo, sondas de capacitancia , sondas de neutrones ) o métodos de teledetección . La medición de la humedad del suelo es un factor importante para determinar los cambios en la actividad del suelo. [63]
La atmósfera del suelo, o gas del suelo , es muy diferente de la atmósfera superior. El consumo de oxígeno por los microbios y las raíces de las plantas, y su liberación de dióxido de carbono, disminuye el oxígeno y aumenta la concentración de dióxido de carbono. La concentración atmosférica de CO2 es del 0,04%, pero en el espacio poroso del suelo puede variar de 10 a 100 veces ese nivel, contribuyendo así potencialmente a la inhibición de la respiración radicular. [66] Los suelos calcáreos regulan la concentración de CO2 mediante el amortiguamiento de carbonatos , al contrario de los suelos ácidos en los que todo el CO2 respirado se acumula en el sistema poroso del suelo. [67] En niveles extremos, el CO2 es tóxico. [68] Esto sugiere un posible control de retroalimentación negativa de la concentración de CO2 del suelo a través de sus efectos inhibidores sobre la respiración radicular y microbiana (también llamada respiración del suelo ). [69] Además, los huecos del suelo están saturados de vapor de agua, al menos hasta el punto de máxima higroscopicidad , más allá del cual se produce un déficit de presión de vapor en el espacio poroso del suelo. [34] La porosidad adecuada es necesaria, no sólo para permitir la penetración del agua, sino también para permitir que los gases se difundan dentro y fuera. El movimiento de los gases es por difusión desde altas concentraciones a menores, el coeficiente de difusión disminuye con la compactación del suelo . [70] El oxígeno de encima de la atmósfera se difunde en el suelo donde se consume y los niveles de dióxido de carbono en exceso de encima de la atmósfera se difunden con otros gases (incluyendo gases de efecto invernadero ) así como con agua. [71] La textura y estructura del suelo afectan fuertemente la porosidad del suelo y la difusión de gases. Es el espacio poroso total ( porosidad ) del suelo, no el tamaño de los poros, y el grado de interconexión de los poros (o por el contrario, sellado de los poros), junto con el contenido de agua, la turbulencia del aire y la temperatura, lo que determina la tasa de difusión de los gases dentro y fuera del suelo. [72] [71] La estructura laminar del suelo y la compactación del mismo (baja porosidad) impiden el flujo de gas, y una deficiencia de oxígeno puede alentar a las bacterias anaeróbicas a reducir (quitar oxígeno) del nitrato NO3 a los gases N2 , N2O y NO, que luego se pierden en la atmósfera, agotando así el nitrógeno del suelo, un proceso perjudicial llamado desnitrificación . [73] El suelo aireado también es un sumidero neto de metano (CH 4 ) [74], pero un productor neto de metano (un gas de efecto invernadero que absorbe fuertemente el calor ) cuando los suelos se quedan sin oxígeno y están sujetos a temperaturas elevadas. [75]
La atmósfera del suelo también es el asiento de las emisiones de volátiles distintos de los óxidos de carbono y nitrógeno de varios organismos del suelo, por ejemplo, raíces, [76] bacterias, [77] hongos, [78] animales. [79] Estos volátiles se utilizan como señales químicas, lo que hace que la atmósfera del suelo sea la sede de redes de interacción [80] [81] que desempeñan un papel decisivo en la estabilidad, la dinámica y la evolución de los ecosistemas del suelo. [82] Los compuestos orgánicos volátiles biogénicos del suelo se intercambian con la atmósfera sobre el suelo, en la que son solo 1-2 órdenes de magnitud más bajos que los de la vegetación sobre el suelo. [83]
Los humanos pueden obtener una idea de la atmósfera del suelo a través del conocido olor "después de la lluvia", cuando el agua de lluvia que se filtra limpia toda la atmósfera del suelo después de un período de sequía, o cuando se excava el suelo, [84] una propiedad atribuida de manera reduccionista a compuestos bioquímicos particulares como el petricor o la geosmina .
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 , [85] 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. [86]
Un gran número de microbios , animales , plantas y hongos viven en el suelo. Sin embargo, la biodiversidad en el suelo es mucho más difícil de estudiar ya que la mayor parte de esta vida es invisible, por lo que las estimaciones sobre la biodiversidad del suelo han sido insatisfactorias. Un estudio reciente sugirió que es probable que el suelo albergue el 59 ± 15% de las especies de la Tierra. Los enquitraidos (gusanos) tienen el mayor porcentaje de especies en el suelo (98,6%), seguidos de los hongos (90%), las plantas (85,5%) y las termitas ( Isoptera ) (84,2%). Muchos otros grupos de animales tienen fracciones sustanciales de especies que viven en el suelo, por ejemplo, alrededor del 30% de los insectos y cerca del 50% de los arácnidos . [87] Si bien la mayoría de los vertebrados viven sobre el suelo (ignorando las especies acuáticas), muchas especies son fosoriales , es decir, viven en el suelo, como la mayoría de las serpientes ciegas .
La química de un suelo determina su capacidad para suministrar nutrientes disponibles para las plantas y afecta sus propiedades físicas y la salud de su población viva. Además, la química de un suelo también determina su corrosividad , estabilidad y capacidad para absorber contaminantes y filtrar agua. Es la química de la superficie de los coloides minerales y orgánicos la que determina las propiedades químicas del suelo. [88] Un coloide es una partícula pequeña e insoluble que varía en tamaño de 1 nanómetro a 1 micrómetro , por lo tanto lo suficientemente pequeña como para permanecer suspendida por el movimiento browniano en un medio fluido sin sedimentarse. [89] La mayoría de los suelos contienen partículas coloidales orgánicas llamadas humus, así como partículas coloidales inorgánicas de arcillas . La superficie específica muy alta de los coloides y sus cargas eléctricas netas le dan al suelo su capacidad de retener y liberar iones . Los sitios cargados negativamente en los coloides atraen y liberan cationes en lo que se conoce como intercambio de cationes . La capacidad de intercambio catiónico es la cantidad de cationes intercambiables por unidad de peso de suelo seco y se expresa en términos de miliequivalentes de iones con carga positiva por cada 100 gramos de suelo (o centígrados de carga positiva por kilogramo de suelo; cmol c /kg ). De manera similar, los sitios con carga positiva en los coloides pueden atraer y liberar aniones en el suelo, lo que le da al suelo capacidad de intercambio aniónico.
El intercambio de cationes, que tiene lugar entre los coloides y el agua del suelo, amortigua (modera) el pH del suelo, altera la estructura del suelo y purifica el agua percolada al adsorber cationes de todo tipo, tanto útiles como dañinos.
Las cargas negativas o positivas de las partículas coloidales les permiten retener cationes o aniones, respectivamente, en sus superficies. Las cargas proceden de cuatro fuentes. [90]
Los cationes retenidos en los coloides cargados negativamente resisten el arrastre del agua hacia abajo y están fuera del alcance de las raíces de las plantas, preservando así la fertilidad del suelo en zonas de precipitaciones moderadas y temperaturas bajas. [95] [96]
Existe una jerarquía en el proceso de intercambio de cationes en coloides, ya que los cationes difieren en la fuerza de adsorción por el coloide y, por lo tanto, en su capacidad para reemplazarse entre sí ( intercambio iónico ). Si están presentes en cantidades iguales en la solución acuosa del suelo:
Al 3+ reemplaza H + reemplaza Ca 2+ reemplaza Mg 2+ reemplaza K + igual que NH+
4reemplaza Na + [97]
Si se añade un catión en grandes cantidades, puede reemplazar a los demás por la fuerza de su número. Esto se llama ley de acción de masas . Esto es en gran medida lo que ocurre con la adición de fertilizantes catiónicos ( potasa , cal ). [98]
A medida que la solución del suelo se vuelve más ácida ( pH bajo , lo que significa una abundancia de H + ), los otros cationes más débilmente unidos a los coloides son empujados a la solución a medida que los iones de hidrógeno ocupan sitios de intercambio ( protonación ). Un pH bajo puede hacer que el hidrógeno de los grupos hidroxilo sea arrastrado a la solución, dejando sitios cargados en el coloide disponibles para ser ocupados por otros cationes. Esta ionización de los grupos hidroxilo en la superficie de los coloides del suelo crea lo que se describe como cargas superficiales dependientes del pH. [99] A diferencia de las cargas permanentes desarrolladas por sustitución isomorfa , las cargas dependientes del pH son variables y aumentan con el aumento del pH. [100] Los cationes liberados pueden estar disponibles para las plantas, pero también son propensos a ser lixiviados del suelo, posiblemente haciendo que el suelo sea menos fértil. [101] Las plantas pueden excretar H + en el suelo a través de la síntesis de ácidos orgánicos y, por ese medio, cambiar el pH del suelo cerca de la raíz y empujar los cationes fuera de los coloides, haciéndolos así disponibles para la planta. [102]
La capacidad de intercambio catiónico es la capacidad del suelo para eliminar cationes de la solución acuosa del suelo y secuestrar aquellos que se intercambiarán más tarde cuando las raíces de las plantas liberen iones de hidrógeno a la solución. [103] La CIC es la cantidad de catión hidrógeno intercambiable (H + ) que se combinará con 100 gramos de peso seco de suelo y cuya medida es un miliequivalente por cada 100 gramos de suelo (1 meq/100 g). Los iones de hidrógeno tienen una sola carga y una milésima de gramo de iones de hidrógeno por cada 100 gramos de suelo seco da una medida de un miliequivalente de ion hidrógeno. El calcio, con un peso atómico 40 veces mayor que el del hidrógeno y con una valencia de dos, se convierte en (40 ÷ 2) × 1 miliequivalente = 20 miliequivalentes de ion hidrógeno por cada 100 gramos de suelo seco o 20 meq/100 g. [104] La medida moderna de CIC se expresa en centímoles de carga positiva por kilogramo (cmol/kg) de suelo secado al horno.
La mayor parte de la CIC del suelo se produce en coloides de arcilla y humus, y la falta de estos en climas cálidos, húmedos y mojados (como las selvas tropicales ), debido a la lixiviación y la descomposición, respectivamente, explica la aparente esterilidad de los suelos tropicales. [105] Las raíces de las plantas vivas también tienen algo de CIC, vinculada a su área de superficie específica. [106]
La capacidad de intercambio aniónico es la capacidad del suelo para eliminar aniones (como nitrato , fosfato ) de la solución acuosa del suelo y secuestrarlos para un intercambio posterior a medida que las raíces de las plantas liberan aniones de carbonato a la solución acuosa del suelo. [108] Aquellos coloides que tienen una CIC baja tienden a tener cierta AEC. Las arcillas amorfas y sesquioxiladas tienen la AEC más alta, [109] seguidas por los óxidos de hierro. [110] Los niveles de AEC son mucho más bajos que para la CEC, debido a la tasa generalmente más alta de superficies cargadas positivamente (versus negativamente) en los coloides del suelo, con la excepción de los suelos de carga variable. [111] Los fosfatos tienden a mantenerse en sitios de intercambio aniónico. [112]
Las arcillas de hidróxido de hierro y aluminio son capaces de intercambiar sus aniones de hidróxido (OH − ) por otros aniones. [108] El orden que refleja la fuerza de adhesión de los aniones es el siguiente:
La cantidad de aniones intercambiables es de una magnitud de décimas a unos pocos miliequivalentes por cada 100 g de suelo seco. [107] A medida que aumenta el pH, hay relativamente más hidroxilos, que desplazarán a los aniones de los coloides y los forzarán a entrar en solución y salir del almacenamiento; por lo tanto, la AEC disminuye con el aumento del pH (alcalinidad). [113]
La reactividad del suelo se expresa en términos de pH y es una medida de la acidez o alcalinidad del suelo. Más precisamente, es una medida de la concentración de hidronio en una solución acuosa y varía en valores de 0 a 14 (ácido a básico), pero en términos prácticos para los suelos, el pH varía de 3,5 a 9,5, ya que los valores de pH más allá de esos extremos son tóxicos para las formas de vida. [114]
A 25 °C, una solución acuosa que tiene un pH de 3,5 tiene 10 −3,5 moles de H 3 O + (iones hidronio) por litro de solución (y también 10 −10,5 moles por litro de OH − ). Un pH de 7, definido como neutro, tiene 10 −7 moles de iones hidronio por litro de solución y también 10 −7 moles de OH − por litro; como las dos concentraciones son iguales, se dice que se neutralizan entre sí. Un pH de 9,5 tiene 10 −9,5 moles de iones hidronio por litro de solución (y también 10 −2,5 moles por litro de OH − ). Un pH de 3,5 tiene un millón de veces más iones hidronio por litro que una solución con un pH de 9,5 ( 9,5 − 3,5 = 6 o 10 6 ) y es más ácida. [115]
El efecto del pH en un suelo es eliminar del suelo o hacer disponibles ciertos iones. Los suelos con alta acidez tienden a tener cantidades tóxicas de aluminio y manganeso . [116] Como resultado de un equilibrio entre toxicidad y requerimiento, la mayoría de los nutrientes están mejor disponibles para las plantas a un pH moderado, [117] aunque la mayoría de los minerales son más solubles en suelos ácidos. Los organismos del suelo se ven obstaculizados por una alta acidez, y la mayoría de los cultivos agrícolas se desarrollan mejor con suelos minerales de pH 6,5 y suelos orgánicos de pH 5,5. [118] Dado que a un pH bajo los metales tóxicos (por ejemplo, cadmio, zinc, plomo) están cargados positivamente como cationes y los contaminantes orgánicos están en forma no iónica, por lo que ambos están más disponibles para los organismos, [119] [120] se ha sugerido que las plantas, animales y microbios que viven comúnmente en suelos ácidos están preadaptados a todo tipo de contaminación, ya sea de origen natural o humano. [121]
En áreas con altas precipitaciones, los suelos tienden a acidificarse a medida que los cationes básicos son expulsados de los coloides del suelo por la acción masiva de los iones hidronio de la acidez de la lluvia habitual o inusual contra los unidos a los coloides. Las altas tasas de lluvia pueden entonces lavar los nutrientes, dejando el suelo habitado solo por aquellos organismos que son particularmente eficientes para absorber nutrientes en condiciones muy ácidas, como en las selvas tropicales . [122] Una vez que los coloides están saturados con H 3 O + , la adición de más iones hidronio o cationes hidroxilo de aluminio reduce aún más el pH (más ácido) ya que el suelo se ha quedado sin capacidad de amortiguación. [123] En áreas de lluvias extremas y altas temperaturas, la arcilla y el humus pueden ser lavados, reduciendo aún más la capacidad de amortiguación del suelo. [124] En áreas de baja lluvia, el calcio no lixiviado empuja el pH a 8,5 y con la adición de sodio intercambiable, los suelos pueden alcanzar un pH de 10. [125] Más allá de un pH de 9, el crecimiento de las plantas se reduce. [126] Un pH alto produce una baja movilidad de micronutrientes , pero los quelatos solubles en agua de esos nutrientes pueden corregir el déficit. [127] El sodio se puede reducir mediante la adición de yeso (sulfato de calcio), ya que el calcio se adhiere a la arcilla con más fuerza que el sodio, lo que hace que el sodio sea empujado hacia la solución de agua del suelo, donde puede ser lavado por una abundancia de agua. [128] [129]
Hay cationes formadores de ácido (por ejemplo, hidronio, aluminio, hierro) y hay cationes formadores de base (por ejemplo, calcio, magnesio, sodio). La fracción de los sitios de intercambio coloidal del suelo cargados negativamente (CIC) que están ocupados por cationes formadores de base se llama saturación de base . Si un suelo tiene un CIC de 20 meq y 5 meq son cationes aluminio e hidronio (formadores de ácido), el resto de posiciones en los coloides ( 20 − 5 = 15 meq ) se suponen ocupadas por cationes formadores de base, de modo que la saturación de base es 15 ÷ 20 × 100% = 75% (el 25% complementario se supone que son cationes formadores de ácido). La saturación de base es casi directamente proporcional al pH (aumenta con el aumento del pH). [130] Es de utilidad para calcular la cantidad de cal necesaria para neutralizar un suelo ácido (requerimiento de cal). La cantidad de cal necesaria para neutralizar un suelo debe tener en cuenta la cantidad de iones formadores de ácido en los coloides (acidez intercambiable), no solo los de la solución de agua del suelo (acidez libre). [131] La adición de suficiente cal para neutralizar la solución de agua del suelo será insuficiente para cambiar el pH, ya que los cationes formadores de ácido almacenados en los coloides del suelo tenderán a restaurar la condición de pH original a medida que son expulsados de esos coloides por el calcio de la cal agregada. [132]
La resistencia del suelo a los cambios de pH, como resultado de la adición de material ácido o básico, es una medida de la capacidad amortiguadora de un suelo y (para un tipo de suelo en particular) aumenta a medida que aumenta la CIC. Por lo tanto, la arena pura casi no tiene capacidad amortiguadora, aunque los suelos con un alto contenido de coloides (ya sean minerales u orgánicos) tienen una alta capacidad amortiguadora . [133] La amortiguación se produce por intercambio de cationes y neutralización . Sin embargo, los coloides no son los únicos reguladores del pH del suelo. También debe destacarse el papel de los carbonatos . [134] De manera más general, según los niveles de pH, varios sistemas amortiguadores tienen prioridad entre sí, desde el rango amortiguador de carbonato de calcio hasta el rango amortiguador de hierro. [135]
La adición de una pequeña cantidad de amoníaco acuoso altamente básico a un suelo hará que el amonio desplace a los iones hidronio de los coloides y el producto final es agua y amonio fijado coloidalmente, pero poco cambio permanente en general en el pH del suelo.
La adición de una pequeña cantidad de cal , Ca(OH) 2 , desplazará los iones hidronio de los coloides del suelo, provocando la fijación de calcio a los coloides y la evolución de CO 2 y agua, con pocos cambios permanentes en el pH del suelo.
Los ejemplos anteriores son ejemplos de amortiguación del pH del suelo. El principio general es que un aumento de un catión particular en la solución acuosa del suelo hará que ese catión se fije a los coloides (amortiguación) y una disminución de la solución de ese catión hará que se retire del coloide y se mueva a la solución (amortiguación). El grado de amortiguación a menudo está relacionado con la CIC del suelo; cuanto mayor sea la CIC, mayor será la capacidad de amortiguación del suelo. [136]
Las reacciones químicas del suelo implican una combinación de transferencia de protones y electrones. La oxidación se produce si hay una pérdida de electrones en el proceso de transferencia, mientras que la reducción se produce si hay una ganancia de electrones. El potencial de reducción se mide en voltios o milivoltios. Las comunidades microbianas del suelo se desarrollan a lo largo de cadenas de transporte de electrones , formando biopelículas conductoras de electricidad y desarrollando redes de nanocables bacterianos .
Factores redox en el desarrollo del suelo, donde la formación de características de color redoximórficas proporciona información crítica para la interpretación del suelo. Comprender el gradiente redox es importante para gestionar el secuestro de carbono, la biorremediación, la delimitación de humedales y las celdas de combustible microbianas basadas en el suelo .
Diecisiete elementos o nutrientes son esenciales para el crecimiento y reproducción de las plantas. Son carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K), azufre (S), calcio (Ca), magnesio (Mg), hierro (Fe), boro (B), manganeso (Mn), cobre (Cu), zinc (Zn), molibdeno (Mo), níquel (Ni) y cloro (Cl). [138] [139] [140] Los nutrientes necesarios para que las plantas completen su ciclo de vida se consideran nutrientes esenciales . Los nutrientes que mejoran el crecimiento de las plantas pero que no son necesarios para completar el ciclo de vida de la planta se consideran no esenciales. Con la excepción del carbono, hidrógeno y oxígeno, que son suministrados por dióxido de carbono y agua, y el nitrógeno, proporcionado a través de la fijación de nitrógeno, [140] los nutrientes derivan originalmente del componente mineral del suelo. La Ley del Mínimo expresa que cuando la forma disponible de un nutriente no está en suficiente proporción en la solución del suelo, entonces otros nutrientes no pueden ser absorbidos a una tasa óptima por una planta. [141] Por lo tanto, para optimizar el crecimiento de las plantas es necesaria una proporción particular de nutrientes de la solución del suelo, un valor que puede diferir de las proporciones de nutrientes calculadas a partir de la composición de las plantas. [142]
La absorción de nutrientes por parte de las plantas sólo puede tener lugar cuando están presentes en una forma disponible para ellas. En la mayoría de las situaciones, los nutrientes se absorben en forma iónica a partir del agua del suelo (o junto con ella). Aunque los minerales son el origen de la mayoría de los nutrientes, y la mayor parte de la mayoría de los elementos nutritivos del suelo se mantienen en forma cristalina dentro de los minerales primarios y secundarios , se erosionan demasiado lentamente para permitir un crecimiento rápido de las plantas. Por ejemplo, la aplicación de minerales finamente molidos, feldespato y apatita , al suelo rara vez proporciona las cantidades necesarias de potasio y fósforo a un ritmo suficiente para un buen crecimiento de las plantas, ya que la mayoría de los nutrientes permanecen ligados a los cristales de esos minerales. [143]
Los nutrientes adsorbidos en las superficies de los coloides arcillosos y la materia orgánica del suelo proporcionan un reservorio más accesible de muchos nutrientes para las plantas (por ejemplo, K, Ca, Mg, P, Zn). A medida que las plantas absorben los nutrientes del agua del suelo, el depósito soluble se repone a partir del depósito de la superficie. La descomposición de la materia orgánica del suelo por microorganismos es otro mecanismo por el cual se repone el depósito soluble de nutrientes; esto es importante para el suministro de N, S, P y B disponibles para las plantas a partir del suelo. [144]
Gramo por gramo, la capacidad del humus para retener nutrientes y agua es mucho mayor que la de los minerales arcillosos, y la mayor parte de la capacidad de intercambio catiónico del suelo surge de los grupos carboxílicos cargados de la materia orgánica. [145] Sin embargo, a pesar de la gran capacidad del humus para retener agua una vez empapado, su alta hidrofobicidad disminuye su humectabilidad una vez seco. [146] En general, pequeñas cantidades de humus pueden aumentar notablemente la capacidad del suelo para promover el crecimiento de las plantas. [147] [144]
La materia orgánica del suelo está formada por compuestos orgánicos e incluye material vegetal, animal y microbiano, tanto vivo como muerto. Un suelo típico tiene una composición de biomasa de 70% de microorganismos, 22% de macrofauna y 8% de raíces. El componente vivo de un acre de suelo puede incluir 900 libras de lombrices de tierra, 2400 libras de hongos, 1500 libras de bacterias, 133 libras de protozoos y 890 libras de artrópodos y algas. [148]
Un pequeño porcentaje de la materia orgánica del suelo, con un pequeño tiempo de residencia , consiste en biomasa microbiana y metabolitos de bacterias, mohos y actinomicetos que trabajan para descomponer la materia orgánica muerta. [149] [150] Si no fuera por la acción de estos microorganismos, toda la parte de dióxido de carbono de la atmósfera estaría secuestrada como materia orgánica en el suelo. Sin embargo, al mismo tiempo, los microbios del suelo contribuyen al secuestro de carbono en la capa superior del suelo a través de la formación de humus estable. [151] Con el objetivo de secuestrar más carbono en el suelo para aliviar el efecto invernadero, sería más eficiente a largo plazo estimular la humificación que disminuir la descomposición de la hojarasca . [152]
La mayor parte de la materia orgánica del suelo es un conjunto complejo de pequeñas moléculas orgánicas, llamadas colectivamente humus o sustancias húmicas . El uso de estos términos, que no se basan en una clasificación química clara, se ha considerado obsoleto. [153] Otros estudios demostraron que la noción clásica de molécula no es conveniente para el humus, que escapó a la mayoría de los intentos realizados durante dos siglos para resolverlo en componentes unitarios, pero aún así es químicamente distinto de los polisacáridos, las ligninas y las proteínas. [154]
La mayoría de los seres vivos en los suelos, incluidas las plantas, los animales, las bacterias y los hongos, dependen de la materia orgánica para obtener nutrientes y/o energía. Los suelos tienen compuestos orgánicos en distintos grados de descomposición, cuya velocidad depende de la temperatura, la humedad del suelo y la aireación. Las bacterias y los hongos se alimentan de la materia orgánica cruda, que es alimentada por los protozoos , que a su vez son alimentados por nematodos , anélidos y artrópodos , capaces de consumir y transformar la materia orgánica cruda o humificada. Esto se ha llamado la red alimentaria del suelo , a través de la cual se procesa toda la materia orgánica como en un sistema digestivo . [155] La materia orgánica mantiene los suelos abiertos, lo que permite la infiltración de aire y agua, y puede contener hasta el doble de su peso en agua. Muchos suelos, incluidos los suelos desérticos y rocosos-gravosos, tienen poca o ninguna materia orgánica. Los suelos que son toda materia orgánica, como la turba ( histosoles ), son infértiles. [156] En su etapa más temprana de descomposición, el material orgánico original se suele denominar materia orgánica cruda. La etapa final de descomposición se denomina humus.
En los pastizales , gran parte de la materia orgánica que se añade al suelo proviene de los sistemas de raíces profundas y fibrosas de las hierbas. Por el contrario, las hojas de los árboles que caen al suelo del bosque son la principal fuente de materia orgánica del suelo en el bosque. Otra diferencia es la frecuente ocurrencia en los pastizales de incendios que destruyen grandes cantidades de material sobre el suelo pero estimulan contribuciones aún mayores de las raíces. Además, la acidez mucho mayor debajo de cualquier bosque inhibe la acción de ciertos organismos del suelo que de otra manera mezclarían gran parte de la hojarasca superficial en el suelo mineral. Como resultado, los suelos debajo de los pastizales generalmente desarrollan un horizonte A más grueso con una distribución más profunda de materia orgánica que en suelos comparables debajo de los bosques, que característicamente almacenan la mayor parte de su materia orgánica en el suelo del bosque ( horizonte O ) y un horizonte A delgado. [157]
El humus se refiere a la materia orgánica que ha sido descompuesta por la microflora y la fauna del suelo hasta el punto en que es resistente a una mayor descomposición. El humus generalmente constituye solo el cinco por ciento del suelo o menos en volumen, pero es una fuente esencial de nutrientes y agrega importantes cualidades de textura cruciales para la salud del suelo y el crecimiento de las plantas. [158] El humus también alimenta a los artrópodos, las termitas y las lombrices de tierra que mejoran aún más el suelo. [159] El producto final, el humus, se suspende en forma coloidal en la solución del suelo y forma un ácido débil que puede atacar a los minerales de silicato al quelar sus átomos de hierro y aluminio. [160] El humus tiene una alta capacidad de intercambio de cationes y aniones que, en base al peso seco, es muchas veces mayor que la de los coloides de arcilla. También actúa como un amortiguador, como la arcilla, contra los cambios en el pH y la humedad del suelo. [161]
Los ácidos húmicos y fúlvicos , que comienzan como materia orgánica cruda, son componentes importantes del humus. Después de la muerte de plantas, animales y microbios, los microbios comienzan a alimentarse de los residuos a través de su producción de enzimas del suelo extracelulares, lo que finalmente da como resultado la formación de humus. [162] A medida que los residuos se descomponen, solo las moléculas hechas de hidrocarburos alifáticos y aromáticos , ensambladas y estabilizadas por enlaces de oxígeno e hidrógeno, permanecen en forma de conjuntos moleculares complejos llamados colectivamente humus. [154] El humus nunca es puro en el suelo, porque reacciona con metales y arcillas para formar complejos que contribuyen aún más a su estabilidad y a la estructura del suelo. [161] Aunque la estructura del humus tiene en sí misma pocos nutrientes (con excepción de metales constitutivos como calcio, hierro y aluminio), es capaz de atraer y unir, mediante enlaces débiles, nutrientes catiónicos y aniónicos que pueden ser liberados posteriormente a la solución del suelo en respuesta a la absorción selectiva por las raíces y a los cambios en el pH del suelo, un proceso de suma importancia para el mantenimiento de la fertilidad en suelos tropicales. [163]
La lignina es resistente a la descomposición y se acumula en el suelo. También reacciona con las proteínas , [164] lo que aumenta aún más su resistencia a la descomposición, incluida la descomposición enzimática por microbios. [165] Las grasas y ceras de la materia vegetal tienen aún más resistencia a la descomposición y persisten en los suelos durante miles de años, de ahí su uso como trazadores de vegetación pasada en capas de suelo enterradas. [166] Los suelos arcillosos a menudo tienen mayores contenidos orgánicos que persisten durante más tiempo que los suelos sin arcilla, ya que las moléculas orgánicas se adhieren a la arcilla y son estabilizadas por ella. [167] Las proteínas normalmente se descomponen fácilmente, a excepción de las escleroproteínas , pero cuando se unen a partículas de arcilla se vuelven más resistentes a la descomposición. [168] En cuanto a otras proteínas, las partículas de arcilla absorben las enzimas exudadas por los microbios, disminuyendo la actividad enzimática al tiempo que protegen a las enzimas extracelulares de la degradación. [169] La adición de materia orgánica a los suelos arcillosos puede hacer que esa materia orgánica y cualquier nutriente añadido sean inaccesibles para las plantas y los microbios durante muchos años. [170] Un estudio mostró una mayor fertilidad del suelo tras la adición de compost maduro a un suelo arcilloso. [171] Un alto contenido de taninos en el suelo puede provocar que el nitrógeno se secuestre en forma de complejos de tanino-proteína resistentes. [172] [173]
La formación de humus es un proceso que depende de la cantidad de material vegetal añadido cada año y del tipo de suelo base. Ambos se ven afectados por el clima y el tipo de organismos presentes. [157] Los suelos con humus pueden variar en contenido de nitrógeno, pero normalmente tienen entre un 3 y un 6 por ciento de nitrógeno. La materia orgánica cruda, como reserva de nitrógeno y fósforo, es un componente vital que afecta a la fertilidad del suelo . [156] El humus también absorbe agua y se expande y contrae entre estados secos y húmedos en mayor medida que la arcilla, lo que aumenta la porosidad del suelo. [174] El humus es menos estable que los componentes minerales del suelo, ya que se reduce por la descomposición microbiana y, con el tiempo, su concentración disminuye sin la adición de nueva materia orgánica. Sin embargo, el humus en sus formas más estables puede persistir durante siglos, si no milenios. [175] El carbón vegetal es una fuente de humus altamente estable, llamado carbono negro , [176] que se había utilizado tradicionalmente para mejorar la fertilidad de los suelos tropicales pobres en nutrientes. Esta práctica antiquísima, como se constata en la génesis de las tierras oscuras amazónicas , se ha renovado y popularizado bajo el nombre de biocarbón . Se ha sugerido que el biocarbón podría utilizarse para secuestrar más carbono en la lucha contra el efecto invernadero. [177]
La producción, acumulación y degradación de materia orgánica dependen en gran medida del clima. Por ejemplo, cuando se produce un deshielo , el flujo de gases del suelo con los gases atmosféricos se ve afectado significativamente. [178] La temperatura, la humedad del suelo y la topografía son los principales factores que afectan la acumulación de materia orgánica en los suelos. La materia orgánica tiende a acumularse en condiciones húmedas o frías donde la actividad de descomposición se ve impedida por las bajas temperaturas [179] o el exceso de humedad que da lugar a condiciones anaeróbicas. [180] Por el contrario, la lluvia excesiva y las altas temperaturas de los climas tropicales permiten una rápida descomposición de la materia orgánica y la lixiviación de los nutrientes de las plantas. Los ecosistemas forestales en estos suelos dependen del reciclaje eficiente de nutrientes y materia vegetal por parte de la biomasa vegetal y microbiana viva para mantener su productividad, un proceso que se ve alterado por las actividades humanas. [181] La pendiente excesiva, en particular en presencia de cultivos con fines agrícolas, puede fomentar la erosión de la capa superior del suelo que contiene la mayor parte de la materia orgánica cruda que de otro modo acabaría convirtiéndose en humus. [182]
Tipos y porcentajes típicos de componentes de residuos vegetales
La celulosa y la hemicelulosa sufren una rápida descomposición por hongos y bacterias, con una vida media de 12 a 18 días en un clima templado. [183] Los hongos de podredumbre parda pueden descomponer la celulosa y la hemicelulosa, dejando atrás la lignina y los compuestos fenólicos . El almidón , que es un sistema de almacenamiento de energía para las plantas, sufre una rápida descomposición por bacterias y hongos. La lignina consiste en polímeros compuestos de 500 a 600 unidades con una estructura amorfa altamente ramificada, unida a la celulosa, la hemicelulosa y la pectina en las paredes celulares de las plantas . La lignina sufre una descomposición muy lenta, principalmente por hongos de podredumbre blanca y actinomicetos ; su vida media en condiciones templadas es de unos seis meses. [183]
Una capa horizontal del suelo, cuyas características físicas, composición y edad son distintas de las de arriba y de abajo, se denomina horizonte del suelo. La denominación de un horizonte se basa en el tipo de material del que está compuesto. Esos materiales reflejan la duración de procesos específicos de formación del suelo. Se etiquetan utilizando una notación abreviada de letras y números que describen el horizonte en términos de su color, tamaño, textura, estructura, consistencia, cantidad de raíces, pH, huecos, características de los límites y presencia de nódulos o concreciones. [184] Ningún perfil de suelo tiene todos los horizontes principales. Algunos, llamados entisoles , pueden tener solo un horizonte o actualmente se considera que no tienen horizonte, en particular los suelos incipientes de depósitos de desechos mineros no recuperados , [185] morrenas , [186] conos volcánicos [187] dunas de arena o terrazas aluviales . [188] Los horizontes superiores del suelo pueden faltar en suelos truncados después de la ablación por el viento o el agua, con el consiguiente enterramiento de los horizontes del suelo en laderas, un proceso natural agravado por prácticas agrícolas como la labranza. [189] El crecimiento de los árboles es otra fuente de perturbación, creando una heterogeneidad a microescala que todavía es visible en los horizontes del suelo una vez que los árboles han muerto. [190] Al pasar de un horizonte a otro, desde la parte superior hasta la parte inferior del perfil del suelo, uno retrocede en el tiempo, con eventos pasados registrados en los horizontes del suelo como en las capas de sedimentos . El muestreo de polen , amebas testadas y restos de plantas en los horizontes del suelo puede ayudar a revelar cambios ambientales (por ejemplo, cambio climático, cambio de uso de la tierra ) que ocurrieron en el curso de la formación del suelo. [191] Los horizontes del suelo se pueden fechar mediante varios métodos, como el radiocarbono , utilizando trozos de carbón siempre que sean de tamaño suficiente para escapar de la pedoturbación por la actividad de las lombrices de tierra y otras perturbaciones mecánicas. [192] Los horizontes de suelo fósiles de paleosuelos se pueden encontrar dentro de secuencias de rocas sedimentarias , lo que permite el estudio de entornos pasados. [193]
La exposición del material parental a condiciones favorables produce suelos minerales que son marginalmente adecuados para el crecimiento de las plantas, como es el caso de los suelos erosionados. [194] El crecimiento de la vegetación da como resultado la producción de residuos orgánicos que caen al suelo como hojarasca para las partes aéreas de las plantas ( hojarasca ) o se producen directamente bajo tierra para los órganos subterráneos de las plantas (hojarasca), y luego liberan materia orgánica disuelta . [195] La capa orgánica superficial restante, llamada horizonte O , produce un suelo más activo debido al efecto de los organismos que viven en él. Los organismos colonizan y descomponen los materiales orgánicos, poniendo a disposición nutrientes de los que pueden vivir otras plantas y animales. [196] Después de un tiempo suficiente, el humus se mueve hacia abajo y se deposita en una capa superficial orgánico-mineral distintiva llamada horizonte A, en la que la materia orgánica se mezcla con materia mineral a través de la actividad de los animales excavadores, un proceso llamado pedoturbación. Este proceso natural no se completa en presencia de condiciones perjudiciales para la vida del suelo, como fuerte acidez, clima frío o contaminación, y tiene su origen en la acumulación de materia orgánica no descompuesta dentro de un único horizonte orgánico suprayacente al suelo mineral [197] y en la yuxtaposición de materia orgánica humificada y partículas minerales, sin mezcla íntima, en los horizontes minerales subyacentes. [198]
Uno de los primeros sistemas de clasificación de suelos fue desarrollado por el científico ruso Vasily Dokuchaev alrededor de 1880. [199] Fue modificado varias veces por investigadores estadounidenses y europeos y se convirtió en el sistema comúnmente utilizado hasta la década de 1960. Se basaba en la idea de que los suelos tienen una morfología particular basada en los materiales y factores que los forman. En la década de 1960, comenzó a surgir un sistema de clasificación diferente que se centraba en la morfología del suelo en lugar de los materiales parentales y los factores formadores del suelo. Desde entonces, ha sufrido más modificaciones. La Base de Referencia Mundial para los Recursos del Suelo [200] tiene como objetivo establecer una base de referencia internacional para la clasificación del suelo.
El suelo se utiliza en la agricultura, donde sirve como ancla y base de nutrientes primaria para las plantas. Los tipos de suelo y la humedad disponible determinan las especies de plantas que se pueden cultivar. La ciencia del suelo agrícola fue el dominio primigenio del conocimiento del suelo, mucho antes de la llegada de la pedología en el siglo XIX. Sin embargo, como lo demuestran la aeroponía , la acuaponía y la hidroponía , el material del suelo no es absolutamente esencial para la agricultura, y los sistemas de cultivo sin suelo se han proclamado como el futuro de la agricultura para una humanidad en constante crecimiento. [201]
El suelo también es un componente crítico en las industrias de minería, construcción y desarrollo paisajístico. [202] El suelo sirve como base para la mayoría de los proyectos de construcción. El movimiento de volúmenes masivos de suelo puede estar involucrado en la minería a cielo abierto , la construcción de carreteras y la construcción de presas . El refugio de tierra es la práctica arquitectónica de usar el suelo como masa térmica externa contra las paredes de los edificios. Muchos materiales de construcción están basados en el suelo. La pérdida de suelo a través de la urbanización está creciendo a un ritmo alto en muchas áreas y puede ser crítica para el mantenimiento de la agricultura de subsistencia . [203]
Los recursos del suelo son fundamentales para el medio ambiente, así como para la producción de alimentos y fibras, produciendo el 98,8% de los alimentos consumidos por los seres humanos. [204] El suelo proporciona minerales y agua a las plantas de acuerdo con varios procesos involucrados en la nutrición de las plantas. El suelo absorbe el agua de lluvia y la libera más tarde, evitando así las inundaciones y la sequía, siendo la regulación de las inundaciones uno de los principales servicios ecosistémicos proporcionados por el suelo. [205] El suelo limpia el agua a medida que se filtra a través de él. [206] El suelo es el hábitat de muchos organismos: la mayor parte de la biodiversidad conocida y desconocida está en el suelo, en forma de lombrices de tierra, cochinillas , milpiés , ciempiés , caracoles , babosas , ácaros , colémbolos , enquitreidos , nematodos , protistas ), bacterias, arqueas , hongos y algas ; y la mayoría de los organismos que viven sobre el suelo tienen parte de ellos ( plantas ) o pasan parte de su ciclo de vida ( insectos ) bajo tierra. [207] La biodiversidad superficial y subterránea están estrechamente interconectadas, [157] [208] lo que hace que la protección del suelo sea de suma importancia para cualquier plan de restauración o conservación .
El componente biológico del suelo es un sumidero de carbono extremadamente importante, ya que aproximadamente el 57% del contenido biótico es carbono. Incluso en los desiertos, las cianobacterias, los líquenes y los musgos forman costras biológicas en el suelo que capturan y secuestran una cantidad significativa de carbono mediante la fotosíntesis . Los métodos de cultivo y pastoreo deficientes han degradado los suelos y han liberado gran parte de este carbono secuestrado a la atmósfera. La restauración de los suelos del mundo podría compensar el efecto del aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero y frenar el calentamiento global, al tiempo que mejora el rendimiento de los cultivos y reduce las necesidades de agua. [209] [210] [211]
La gestión de residuos a menudo tiene un componente de suelo. Los campos de drenaje séptico tratan el efluente de los tanques sépticos mediante procesos aeróbicos del suelo. La aplicación de aguas residuales en la tierra se basa en la biología del suelo para tratar aeróbicamente la DBO . Alternativamente, los vertederos utilizan el suelo como cobertura diaria , aislando los depósitos de residuos de la atmósfera y evitando olores desagradables. El compostaje se utiliza ahora ampliamente para tratar aeróbicamente los residuos domésticos sólidos y los efluentes secos de los estanques de sedimentación . Aunque el compost no es suelo, los procesos biológicos que tienen lugar durante el compostaje son similares a los que ocurren durante la descomposición y humificación de la materia orgánica del suelo. [212]
Los suelos orgánicos, especialmente la turba, sirven como un importante recurso de combustible y horticultura . Los suelos de turba también se utilizan comúnmente para la agricultura en los países nórdicos, porque los sitios de turbera, cuando se drenan, proporcionan suelos fértiles para la producción de alimentos. [213] Sin embargo, amplias áreas de producción de turba, como las turberas de esfagno de secano , también llamadas turberas de manta o turberas elevadas , ahora están protegidas debido a su interés patrimonial. Como ejemplo, Flow Country , que cubre 4.000 kilómetros cuadrados de extensión ondulada de turberas de manta en Escocia, ahora es candidato para ser incluido en la Lista del Patrimonio Mundial . En el calentamiento global actual, se cree que los suelos de turba están involucrados en un proceso de autorreforzamiento (retroalimentación positiva) de aumento de la emisión de gases de efecto invernadero (metano y dióxido de carbono) y aumento de la temperatura, [214] una afirmación que todavía está en debate cuando se reemplaza a escala de campo e incluye el crecimiento estimulado de las plantas. [215]
La geofagia es la práctica de comer sustancias similares al suelo. Tanto los animales como los humanos consumen ocasionalmente tierra con fines medicinales, recreativos o religiosos. [216] Se ha demostrado que algunos monos consumen tierra, junto con su comida preferida ( follaje de árboles y frutas ), para aliviar la toxicidad de los taninos. [217]
Los suelos filtran y purifican el agua y afectan su química. El agua de lluvia y el agua estancada de estanques, lagos y ríos se filtran a través de los horizontes del suelo y los estratos rocosos superiores , convirtiéndose así en agua subterránea . Las plagas ( virus ) y los contaminantes , como los contaminantes orgánicos persistentes ( pesticidas clorados , bifenilos policlorados ), los aceites ( hidrocarburos ), los metales pesados ( plomo , zinc, cadmio ) y el exceso de nutrientes (nitratos, sulfatos , fosfatos) son filtrados por el suelo. [218] Los organismos del suelo los metabolizan o los inmovilizan en su biomasa y necromasa, [219] incorporándolos así al humus estable. [220] La integridad física del suelo también es un prerrequisito para evitar deslizamientos de tierra en paisajes accidentados. [221]
La degradación de la tierra es un proceso natural o inducido por el hombre que afecta la capacidad de la tierra para funcionar. [222] La degradación del suelo implica acidificación , contaminación , desertificación , erosión o salinización . [223]
La acidificación del suelo es beneficiosa en el caso de suelos alcalinos , pero degrada la tierra cuando reduce la productividad de los cultivos , la actividad biológica del suelo y aumenta la vulnerabilidad del suelo a la contaminación y la erosión. Los suelos son inicialmente ácidos y permanecen así cuando sus materiales parentales son bajos en cationes básicos (calcio, magnesio, potasio y sodio ). En materiales parentales más ricos en minerales meteorizables, la acidificación ocurre cuando los cationes básicos son lixiviados del perfil del suelo por la lluvia o exportados por la cosecha de cultivos forestales o agrícolas. La acidificación del suelo se acelera por el uso de fertilizantes nitrogenados formadores de ácido y por los efectos de la precipitación ácida . La deforestación es otra causa de la acidificación del suelo, mediada por el aumento de la lixiviación de los nutrientes del suelo en ausencia de copas de los árboles . [224]
La contaminación del suelo en niveles bajos a menudo está dentro de la capacidad del suelo para tratar y asimilar el material de desecho . La biota del suelo puede tratar los desechos transformándolos, principalmente a través de la actividad enzimática microbiana . [225] La materia orgánica del suelo y los minerales del suelo pueden adsorber el material de desecho y disminuir su toxicidad , [226] aunque cuando están en forma coloidal pueden transportar los contaminantes adsorbidos a entornos subterráneos. [227] Muchos procesos de tratamiento de desechos dependen de esta capacidad natural de biorremediación . Exceder la capacidad de tratamiento puede dañar la biota del suelo y limitar la función del suelo. Los suelos abandonados ocurren donde la contaminación industrial u otra actividad de desarrollo daña el suelo a tal grado que la tierra no puede usarse de manera segura o productiva. La remediación del suelo abandonado utiliza principios de geología, física, química y biología para degradar, atenuar, aislar o eliminar los contaminantes del suelo para restaurar las funciones y los valores del suelo . Las técnicas incluyen lixiviación , aspersión de aire , acondicionadores de suelo , fitorremediación , biorremediación y atenuación natural monitoreada . Un ejemplo de contaminación difusa con contaminantes es la acumulación de cobre en viñedos y huertos a los que se aplican fungicidas repetidamente, incluso en agricultura orgánica . [228]
Las microfibras de los textiles sintéticos son otro tipo de contaminación plástica del suelo: el 100% de las muestras de suelo agrícola del sudoeste de China contenían partículas de plástico, de las cuales el 92% eran microfibras. Las fuentes de microfibras probablemente incluían cuerdas o cordeles, así como agua de riego en la que se había lavado la ropa. [229]
La aplicación de biosólidos de lodos de depuradora y compost puede introducir microplásticos en los suelos, lo que se suma a la carga de microplásticos procedentes de otras fuentes (por ejemplo, la atmósfera). Aproximadamente la mitad de los lodos de depuradora de Europa y América del Norte se aplican a tierras agrícolas. En Europa, se ha estimado que por cada millón de habitantes se añaden a los suelos agrícolas entre 113 y 770 toneladas de microplásticos cada año. [229]
La desertificación , un proceso ambiental de degradación de los ecosistemas en regiones áridas y semiáridas, suele estar causada por actividades humanas mal adaptadas, como el pastoreo excesivo o la recolección excesiva de leña . Es un error común pensar que la sequía causa desertificación. [230] Las sequías son comunes en tierras áridas y semiáridas. Las tierras bien gestionadas pueden recuperarse de la sequía cuando regresan las lluvias. Las herramientas de gestión del suelo incluyen el mantenimiento de los niveles de nutrientes y materia orgánica del suelo, la reducción de la labranza y el aumento de la cobertura. [231] Estas prácticas ayudan a controlar la erosión y mantener la productividad durante los períodos en que hay humedad disponible. Sin embargo, el abuso continuo de la tierra durante las sequías aumenta la degradación de la tierra . El aumento de la población y la presión del ganado sobre las tierras marginales acelera la desertificación. [232] Ahora se cuestiona si el calentamiento climático actual favorecerá o desfavorecerá la desertificación, con informes contradictorios sobre las tendencias de lluvia previstas asociadas con el aumento de la temperatura y fuertes discrepancias entre regiones, incluso en el mismo país. [233]
La erosión del suelo es causada por el agua , el viento , el hielo y el movimiento en respuesta a la gravedad . Puede ocurrir más de un tipo de erosión simultáneamente. La erosión se distingue de la meteorización , ya que la erosión también transporta el suelo erosionado lejos de su lugar de origen (el suelo en tránsito puede describirse como sedimento ). La erosión es un proceso natural intrínseco, pero en muchos lugares se incrementa en gran medida por la actividad humana, especialmente las prácticas de uso de la tierra inadecuadas. [234] Estas incluyen actividades agrícolas que dejan el suelo desnudo durante épocas de fuertes lluvias o vientos, pastoreo excesivo , deforestación y actividades de construcción inadecuadas . Una mejor gestión puede limitar la erosión. Las técnicas de conservación del suelo que se emplean incluyen cambios de uso de la tierra (como reemplazar cultivos propensos a la erosión con pasto u otras plantas que fijan el suelo), cambios en el momento o tipo de operaciones agrícolas, construcción de terrazas , uso de materiales de cobertura que supriman la erosión (incluidos cultivos de cobertura y otras plantas), limitar las perturbaciones durante la construcción y evitar la construcción durante períodos propensos a la erosión y en lugares propensos a la erosión, como pendientes pronunciadas. [235] Históricamente, uno de los mejores ejemplos de erosión del suelo a gran escala debido a prácticas inadecuadas de uso de la tierra es la erosión eólica (el llamado " dust bowl" ) que arruinó las praderas estadounidenses y canadienses durante la década de 1930, cuando los agricultores inmigrantes, alentados por el gobierno federal de ambos países, se establecieron y convirtieron la pradera original de pastos cortos en cultivos agrícolas y cría de ganado .
En China , en el curso medio del río Amarillo y en el curso superior del río Yangtsé , se produce un grave y prolongado problema de erosión hídrica . Desde el río Amarillo, más de 1.600 millones de toneladas de sedimentos fluyen cada año al océano. Los sedimentos se originan principalmente a partir de la erosión hídrica (erosión de barrancos) en la región de la meseta de Loess , en el noroeste de China. [236]
La erosión del suelo es una forma particular de erosión del suelo que ocurre debajo de la superficie del mismo. [237] Provoca la falla de diques y presas, así como la formación de sumideros . El flujo turbulento remueve el suelo a partir de la desembocadura del flujo de filtración y la erosión del subsuelo avanza en sentido ascendente. [238] El término ebullición de arena se utiliza para describir la apariencia del extremo de descarga de una tubería de suelo activa. [239]
La salinización del suelo es la acumulación de sales libres hasta tal punto que conduce a la degradación del valor agrícola de los suelos y la vegetación. Las consecuencias incluyen daños por corrosión , reducción del crecimiento de las plantas, erosión debido a la pérdida de la cubierta vegetal y la estructura del suelo, y problemas de calidad del agua debido a la sedimentación . La salinización se produce debido a una combinación de procesos naturales y provocados por el hombre. Las condiciones áridas favorecen la acumulación de sal. Esto es especialmente evidente cuando el material parental del suelo es salino. El riego de tierras áridas es especialmente problemático. [240] Toda el agua de riego tiene algún nivel de salinidad. El riego, especialmente cuando implica fugas de canales y riego excesivo en el campo, a menudo eleva el nivel freático subyacente . La salinización rápida ocurre cuando la superficie de la tierra está dentro de la franja capilar de agua subterránea salina. El control de la salinidad del suelo implica el control del nivel freático y el lavado con niveles más altos de agua aplicada en combinación con drenaje de tejas u otra forma de drenaje subterráneo . [241] [242]
Los suelos que contienen altos niveles de arcillas particulares con altas propiedades de hinchamiento, como las esmectitas , suelen ser muy fértiles. Por ejemplo, los suelos de arroz ricos en esmectitas de las llanuras centrales de Tailandia se encuentran entre los más productivos del mundo. Sin embargo, el uso excesivo de fertilizantes minerales nitrogenados y pesticidas en la producción intensiva de arroz irrigado ha puesto en peligro estos suelos, obligando a los agricultores a implementar prácticas integradas basadas en principios operativos de reducción de costos. [243]
Sin embargo, muchos agricultores de las zonas tropicales tienen dificultades para retener la materia orgánica y la arcilla en los suelos que trabajan. En los últimos años, por ejemplo, la productividad ha disminuido y la erosión del suelo ha aumentado en los suelos poco arcillosos del norte de Tailandia, tras el abandono de la agricultura migratoria en favor de un uso más permanente de la tierra. [244] Los agricultores respondieron inicialmente añadiendo materia orgánica y arcilla procedente de los montículos de termitas , pero esto no era sostenible a largo plazo debido a la rarefacción de los montículos de termitas. Los científicos experimentaron añadiendo bentonita , una de las arcillas de la familia de las esmectitas, al suelo. En pruebas de campo, realizadas por científicos del Instituto Internacional de Gestión del Agua (IWMI) en cooperación con la Universidad de Khon Kaen y agricultores locales, esto tuvo el efecto de ayudar a retener el agua y los nutrientes. Complementar la práctica habitual del agricultor con una única aplicación de 200 kilogramos por rai (1.300 kg/ha; 1.100 lb/acre) de bentonita dio como resultado un aumento medio del rendimiento del 73%. [245] Otros estudios demostraron que la aplicación de bentonita a suelos arenosos degradados redujo el riesgo de fracaso de los cultivos durante los años de sequía. [246]
En 2008, tres años después de los ensayos iniciales, los científicos del IWMI realizaron una encuesta entre 250 agricultores del noreste de Tailandia, la mitad de los cuales habían aplicado bentonita a sus campos. La mejora media para los que utilizaron la adición de arcilla fue un 18% mayor que para los que no la utilizaron. El uso de la arcilla había permitido a algunos agricultores pasarse al cultivo de hortalizas, que necesitan un suelo más fértil, lo que contribuyó a aumentar sus ingresos. Los investigadores calcularon que 200 agricultores del noreste de Tailandia y 400 de Camboya habían adoptado el uso de arcillas, y que otros 20.000 agricultores habían conocido la nueva técnica. [247]
Si el suelo tiene un contenido demasiado alto de arcilla o sales (por ejemplo, suelo sódico salino ), agregar yeso, arena de río lavada y materia orgánica (por ejemplo, residuos sólidos urbanos ) equilibrará la composición. [248]
La adición de materia orgánica, como virutas de madera o compost , a un suelo pobre en nutrientes y con un alto contenido de arena aumentará su calidad y mejorará la producción. [249] [250]
Mención especial merece el uso de carbón vegetal , y más generalmente de biocarbón , para mejorar suelos tropicales pobres en nutrientes, proceso basado en la mayor fertilidad de las Tierras Oscuras Amazónicas precolombinas antropogénicas , también llamadas Terra Preta de Índio, debido a las interesantes propiedades físicas y químicas del carbono negro del suelo como fuente de humus estable. [251] Sin embargo, la aplicación incontrolada de productos de desecho carbonizados de todo tipo puede poner en peligro la vida del suelo y la salud humana. [252]
La historia del estudio del suelo está íntimamente ligada a la urgente necesidad de los seres humanos de proveerse de alimentos y forraje a sus animales. A lo largo de la historia, las civilizaciones han prosperado o decaído en función de la disponibilidad y productividad de sus suelos. [253]
El historiador griego Jenofonte (450-355 a. C. ) fue el primero en exponer los méritos de los cultivos abonados con abono verde: «Pero las malas hierbas que hay en el suelo, al convertirse en tierra, enriquecen el suelo tanto como el estiércol». [254]
En De la agricultura de Columela , alrededor del año 60 d. C. , se abogaba por el uso de cal y por que el trébol y la alfalfa ( abono verde ) se voltearan, [255] y se utilizó durante 15 generaciones (450 años) bajo el Imperio Romano hasta su colapso. [254] [256] Desde la caída de Roma hasta la Revolución Francesa , el conocimiento del suelo y la agricultura se transmitió de padres a hijos y, como resultado, los rendimientos de los cultivos fueron bajos. Durante la Edad Media europea , el manual de Yahya Ibn al-'Awwam , [257] con su énfasis en el riego, guió a los pueblos del norte de África, España y Oriente Medio ; una traducción de esta obra finalmente se llevó al suroeste de los Estados Unidos cuando estaba bajo influencia española. [258] Olivier de Serres , considerado el padre de la agronomía francesa , fue el primero en sugerir el abandono del barbecho y su reemplazo por prados de heno dentro de las rotaciones de cultivos . También destacó la importancia del suelo (el terroir francés ) en la gestión de los viñedos. Su famoso libro Le Théâtre d'Agriculture et mesnage des champs [259] contribuyó al surgimiento de una agricultura moderna y sostenible y al colapso de antiguas prácticas agrícolas como la enmienda del suelo para los cultivos mediante la eliminación de la hojarasca forestal y el assarting , que arruinaron los suelos de Europa occidental durante la Edad Media e incluso más tarde según las regiones. [260]
Los experimentos sobre lo que hacía que las plantas crecieran llevaron primero a la idea de que la ceniza que quedaba cuando se quemaba materia vegetal era el elemento esencial, pero pasaron por alto el papel del nitrógeno, que no queda en el suelo después de la combustión, una creencia que prevaleció hasta el siglo XIX. [261] Alrededor de 1635, el químico flamenco Jan Baptist van Helmont pensó que había demostrado que el agua era el elemento esencial a partir de su famoso experimento de cinco años con un sauce cultivado con solo la adición de agua de lluvia. Su conclusión provino del hecho de que el aumento en el peso de la planta aparentemente se había producido solo por la adición de agua, sin reducción en el peso del suelo. [262] [263] [264] John Woodward ( fallecido en 1728) experimentó con varios tipos de agua, desde limpia hasta fangosa, y descubrió que el agua fangosa era la mejor, por lo que concluyó que la materia terrosa era el elemento esencial. Otros concluyeron que era el humus en el suelo el que pasaba algo de esencia a la planta en crecimiento. Otros sostenían que el principio vital del crecimiento era algo que pasaba de las plantas o animales muertos a las nuevas plantas. A principios del siglo XVIII, Jethro Tull demostró que era beneficioso cultivar (remover) el suelo, pero su opinión de que la remoción hacía que las partes finas del suelo estuvieran disponibles para la absorción de las plantas era errónea. [263] [265]
A medida que la química se fue desarrollando, se aplicó a la investigación de la fertilidad del suelo. El químico francés Antoine Lavoisier demostró en 1778 aproximadamente que las plantas y los animales deben quemar oxígeno internamente para vivir. Pudo deducir que la mayor parte del peso de 75 kg del sauce de van Helmont provenía del aire. [266] Fue el agricultor francés Jean-Baptiste Boussingault quien, mediante la experimentación, obtuvo evidencia que demostraba que las principales fuentes de carbono, hidrógeno y oxígeno para las plantas eran el aire y el agua, mientras que el nitrógeno se obtenía del suelo. [267] Justus von Liebig, en su libro Química orgánica en sus aplicaciones a la agricultura y la fisiología (publicado en 1840), afirmó que los químicos de las plantas deben provenir del suelo y del aire y que, para mantener la fertilidad del suelo, los minerales utilizados deben reemplazarse. [268] Sin embargo, Liebig creía que el nitrógeno provenía del aire. El enriquecimiento del suelo con guano por parte de los incas fue redescubierto en 1802 por Alexander von Humboldt . Esto condujo a su extracción y a la del nitrato chileno y a su aplicación al suelo en los Estados Unidos y Europa después de 1840. [269]
The work of Liebig was a revolution for agriculture, and so other investigators started experimentation based on it. In England John Bennet Lawes and Joseph Henry Gilbert worked in the Rothamsted Experimental Station, founded by the former, and (re)discovered that plants took nitrogen from the soil, and that salts needed to be in an available state to be absorbed by plants. Their investigations also produced the superphosphate, consisting in the acid treatment of phosphate rock.[270] This led to the invention and use of salts of potassium (K) and nitrogen (N) as fertilizers. Ammonia generated by the production of coke was recovered and used as fertiliser.[271] Finally, the chemical basis of nutrients delivered to the soil in manure was understood and in the mid-19th century chemical fertilisers were applied. However, the dynamic interaction of soil and its life forms was still not understood.
In 1856, J. Thomas Way discovered that ammonia contained in fertilisers was transformed into nitrates,[272] and twenty years later Robert Warington proved that this transformation was done by living organisms.[273] In 1890 Sergei Winogradsky announced he had found the bacteria responsible for this transformation.[274]
It was known that certain legumes could take up nitrogen from the air and fix it to the soil but it took the development of bacteriology towards the end of the 19th century to lead to an understanding of the role played in nitrogen fixation by bacteria. The symbiosis of bacteria and leguminous roots, and the fixation of nitrogen by the bacteria, were simultaneously discovered by the German agronomist Hermann Hellriegel and the Dutch microbiologist Martinus Beijerinck.[270]
Crop rotation, mechanisation, chemical and natural fertilisers led to a doubling of wheat yields in western Europe between 1800 and 1900.[275]
The scientists who studied the soil in connection with agricultural practices had considered it mainly as a static substrate. However, soil is the result of evolution from more ancient geological materials, under the action of biotic and abiotic processes. After studies of the improvement of the soil commenced, other researchers began to study soil genesis and as a result also soil types and classifications.
In 1860, while in Mississippi, Eugene W. Hilgard (1833–1916) studied the relationship between rock material, climate, vegetation, and the type of soils that were developed. He realised that the soils were dynamic, and considered the classification of soil types.[276] (See also at Project Gutenberg). His work was not continued. At about the same time, Friedrich Albert Fallou was describing soil profiles and relating soil characteristics to their formation as part of his professional work evaluating forest and farm land for the principality of Saxony. His 1857 book, Anfangsgründe der Bodenkunde (First principles of soil science), established modern soil science.[277] Contemporary with Fallou's work, and driven by the same need to accurately assess land for equitable taxation, Vasily Dokuchaev led a team of soil scientists in Russia who conducted an extensive survey of soils, observing that similar basic rocks, climate and vegetation types lead to similar soil layering and types, and established the concepts for soil classifications. Due to language barriers, the work of this team was not communicated to western Europe until 1914 through a publication in German by Konstantin Glinka, a member of the Russian team.[278]
Curtis F. Marbut, influenced by the work of the Russian team, translated Glinka's publication into English,[279] and, as he was placed in charge of the U.S. National Cooperative Soil Survey, applied it to a national soil classification system.[263]
Our analysis of pedon data from several disturbed soil profiles suggests that physical disturbances and anthropogenic inputs of various materials (direct effects) can greatly alter the amount of C stored in these human "made" soils.
Irrigators must have knowledge of the readily available moisture capacity so that water can be applied before plants have to expend excessive energy to extract moisture
Only a portion of the available water holding capacity is easily used by the crop before crop water stress develop
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