La química del suelo es el estudio de las características químicas del suelo . La química del suelo se ve afectada por la composición mineral , la materia orgánica y los factores ambientales .
Historia [ editar ]
Hasta finales de la década de 1960, la química del suelo se centró principalmente en las reacciones químicas en el suelo que contribuyen a la pedogénesis o que afectan el crecimiento de las plantas. Desde entonces, han aumentado las preocupaciones sobre la contaminación ambiental , la contaminación orgánica e inorgánica del suelo y los posibles riesgos para la salud ecológica y la salud ambiental . En consecuencia, el énfasis en la química del suelo ha pasado de la pedología y la ciencia agrícola del suelo a un énfasis en la ciencia ambiental del suelo .
Química ambiental del suelo [ editar ]
El conocimiento de la química ambiental del suelo es primordial para predecir el destino de los contaminantes, así como los procesos por los cuales se liberan inicialmente en el suelo. Una vez que un químico está expuesto al ambiente del suelo, pueden ocurrir innumerables reacciones químicas que pueden aumentar o disminuir la toxicidad de los contaminantes. Estas reacciones incluyen adsorción / desorción , precipitación , polimerización , disolución , complejación y oxidación / reducción . Los científicos e ingenieros involucrados en la remediación ambiental a menudo ignoran estas reacciones.. 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.
Conceptos [ editar ]
- Capacidad de intercambio aniónico y catiónico
- PH del suelo
- Procesos de formación y transformación de minerales y pedogénesis.
- Mineralogía de arcilla
- Reacciones de sorción y precipitación en el suelo.
- Química de suelos problemáticos.
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El suelo es una mezcla de materia orgánica , minerales , gases , líquidos y organismos que en conjunto sostienen la vida . El cuerpo de tierra de la Tierra , llamado pedosfera , tiene cuatro funciones importantes :
- como medio para el crecimiento de las plantas
- como medio de almacenamiento , suministro y purificación de agua
- como modificador de la atmósfera terrestre
- como hábitat para organismos
Todas estas funciones, a su vez, modifican el suelo.
La pedosfera interactúa con la litosfera , la hidrosfera , la atmósfera y la biosfera . [1] El término pedolito , usado comúnmente para referirse al suelo, se traduce como piedra fundamental en el sentido de "piedra fundamental". [2] El suelo consiste en una fase sólida de minerales y materia orgánica (la matriz del suelo), así como una fase porosa que contiene gases (la atmósfera del suelo) y agua (la solución del suelo). [3] [4] [5] En consecuencia, los científicos del suelo pueden concebir los suelos como un sistema de tres estados de sólidos, líquidos y gases.[6]
El suelo es 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 con el tiempo. [7] Continuamente se desarrolla mediante numerosos procesos físicos, químicos y biológicos, que incluyen la meteorización con erosión asociada . Dada su complejidad y su fuerte conexión interna , los ecologistas del suelo consideran el suelo como un ecosistema . [8]
La mayoría de los suelos tienen una densidad aparente seca (densidad del suelo teniendo en cuenta los vacíos cuando está seco) entre 1.1 y 1.6 g / cm 3 , mientras que la densidad de partículas del suelo es mucho mayor, en el rango de 2.6 a 2.7 g / cm 3 . [9] Poco del suelo del planeta Tierra es más antiguo que el Pleistoceno y ninguno es más antiguo que el Cenozoico , [10] aunque los suelos fosilizados se conservan desde el Arqueano . [11]
La ciencia del suelo tiene dos ramas básicas de estudio: edafología y pedología . La edafología estudia la influencia de los suelos en los seres vivos. [12] La pedología se centra en la formación, descripción (morfología) y clasificación de los suelos en su entorno natural. [13] En términos de ingeniería, el suelo está incluido en el concepto más amplio de regolito , que también incluye otro material suelto que yace sobre la roca madre, como se puede encontrar en la Luna y en otros objetos celestes. [14] El suelo también se conoce comúnmente como tierra o tierra ; algunas definiciones científicas distinguen la suciedad del suelorestringiendo el primer término específicamente al suelo desplazado.
Descripción general [ editar ]
Funciones [ editar ]
El suelo es un componente importante de la Tierra 's ecosistema . Los ecosistemas del mundo se ven afectados de gran alcance por los procesos llevados a cabo en el suelo, 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 de carbono de la Tierra , el suelo es un importante reservorio de carbono , y es potencialmente uno de los más reactivos a las perturbaciones humanas [16] y al cambio climático. [17] A medida que el planeta se calienta, se ha predicho que los suelos agregarán dióxido de carbono a la atmósfera debido al aumento biológicoactividad a temperaturas más altas, una retroalimentación positiva (amplificación). [18] Esta predicción, sin embargo, ha sido cuestionada en consideración de los conocimientos más recientes sobre el recambio de carbono del suelo. [19]
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 , por lo que es un proveedor de servicios ecosistémicos de importancia crítica. . [20] Dado que el suelo tiene una gran variedad de nichos y hábitats disponibles, contiene la mayor parte 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 sin explorar. [21] [22] El suelo tiene una media procariotadensidad de aproximadamente 10 8 organismos por gramo, [23] mientras que el océano no tiene más de 10 7 organismos procariotas por mililitro (gramo) de agua de mar. [24] El carbono orgánico retenido en el suelo finalmente se devuelve a la atmósfera a través del proceso de respiración realizado por organismos heterotróficos , 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. [25]Como las raíces de las plantas necesitan oxígeno, la ventilación es una característica importante del suelo. Esta ventilación se puede lograr a través de redes de poros de suelo interconectados , que también absorben y retienen el agua de lluvia, lo que la hace fácilmente disponible para su absorción por las plantas. Como las plantas requieren un suministro de agua casi continuo, 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. [26]
Los suelos pueden eliminar eficazmente las impurezas, [27] matar a los agentes patógenos, [28] y degradar los contaminantes, esta última propiedad se llama atenuación natural. [29] Típicamente, los suelos mantienen una absorción neta de oxígeno y metano y experimentan una liberación neta de dióxido de carbono y óxido nitroso . [30] Los suelos ofrecen a las plantas soporte físico, aire, agua, moderación de la temperatura, nutrientes y protección contra las toxinas. [31] Los suelos proporcionan nutrientes fácilmente disponibles para plantas y animales al convertir la materia orgánica muerta en varias formas de nutrientes. [32]
Descripción [ editar ]
Un suelo típico tiene aproximadamente 50% de sólidos (45% de materia mineral y 5% de materia orgánica), y 50% de huecos (o poros) de los cuales la mitad está ocupada por agua y la otra por gas. [33] El porcentaje de contenido mineral y orgánico del suelo puede tratarse como una constante (a corto plazo), mientras que el porcentaje de contenido de agua y gas del suelo se considera altamente variable, por lo que un aumento en uno se equilibra simultáneamente con una reducción en el otro. [34] El espacio de los poros permite la infiltración y el movimiento del aire y el agua, los cuales son críticos para la vida existente en el suelo. [35] La compactación, un problema común con los suelos, reduce este espacio, evitando que el aire y el agua lleguen a las raíces de las plantas y a los organismos del suelo. [36]
Dado el tiempo suficiente, un suelo indiferenciado desarrollará un perfil de suelo que consta de dos o más capas, denominadas horizontes del suelo , que difieren en una o más propiedades, como su textura, estructura, densidad, porosidad, consistencia, temperatura, color. y reactividad. [10] Los horizontes difieren mucho en grosor y generalmente carecen de límites definidos; su desarrollo depende del tipo de material parental , los procesos que modifican esos materiales parentales y los factores que forman el sueloque influyen en esos procesos. Las influencias biológicas en las propiedades del suelo son más fuertes cerca de la superficie, mientras que las influencias geoquímicas en las propiedades del suelo aumentan con la profundidad. Los perfiles de suelo maduro típicamente incluyen tres horizontes maestros básicos: A, B y C. El solum normalmente incluye los horizontes A y B. El componente vivo del suelo se limita en gran medida al solum, y generalmente es más prominente en el horizonte A. [37]
La textura del suelo está determinada por las proporciones relativas de las partículas individuales de arena, limo y arcilla que componen el suelo. La interacción de las partículas minerales individuales con materia orgánica, agua, gases a través de procesos bióticos y abióticos hace que esas partículas floculen (se peguen entre sí) para formar agregados o peds . [38] Cuando se pueden identificar estos agregados, se puede decir que se desarrolla un suelo, 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 componen el suelo. [39] La mezcla de agua y materiales disueltos o suspendidos que ocupan el poro 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 la 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 suministran nutrientes a las plantas, la mayoría de las cuales se mantienen en su lugar mediante partículas de arcilla y materia orgánica ( coloides ) [41]. Los nutrientes pueden adsorberse en las superficies minerales de la arcilla, unirse a los minerales de la arcilla ( absorberse ) o unirse a los compuestos orgánicos como parte de los organismos vivos o 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, se lixivian las sales o se agregan ácidos o álcalis. [42] [43]
La disponibilidad de nutrientes de la planta se ve afectada por el pH del suelo , que es una medida de la actividad de iones de hidrógeno en la solución del suelo. El pH del suelo es una función de muchos factores de formación del suelo, y generalmente es más bajo (más ácido) donde la meteorización es más avanzada. [44]
La mayoría de los nutrientes de las plantas, con excepción del nitrógeno, se originan de los minerales que componen el material parental del suelo. Parte del nitrógeno se origina en la lluvia como ácido nítrico diluido y amoníaco , [45] 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 de plantas y microbios ( materia orgánica del suelo ), formas ligadas a minerales y la solución del suelo. Tanto los microorganismos vivos como la materia orgánica del suelo son de importancia crítica para este reciclaje y, por lo tanto, para la formación del suelo y la fertilidad del suelo. [46]La actividad microbiana en los suelos puede liberar nutrientes de minerales o materia orgánica para su uso por las plantas y otros microorganismos, secuestrarlos (incorporarlos) a las células vivas o causar su pérdida del suelo por volatilización (pérdida a la atmósfera como gases) o lixiviación .
Historia de los estudios [ editar ]
Fertilidad [ editar ]
La historia del estudio del suelo está íntimamente ligada a la necesidad urgente de los humanos de proporcionar alimentos y forraje para sus animales. A lo largo de la historia, las civilizaciones han prosperado o disminuido en función de la disponibilidad y productividad de sus suelos. [47]
Al historiador griego Jenofonte (450–355 a. C.) se le atribuye ser el primero en exponer los méritos de los cultivos de abono verde: "Pero luego, las malas hierbas que se encuentran en el suelo, que se convierten en tierra, enriquecen el suelo tanto como el estiércol. " [48]
El "Manejo" de Columella , alrededor del año 60 d. C., abogaba por el uso de la cal y que el trébol y la alfalfa ( abono verde ) debían ser rechazados, y fue utilizado por 15 generaciones (450 años) bajo el Imperio Romano hasta su colapso. [48] [49] 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 , [50]Con su énfasis en el riego, guió a los pueblos del norte de África, España y Oriente Medio; una traducción de este trabajo fue finalmente llevada al suroeste de los Estados Unidos bajo influencia española. [51] Olivier de Serres , considerado el padre de la agronomía francesa , fue el primero en sugerir el abandono del barbecho y su reemplazo por los prados de heno dentro de las rotaciones de cultivos , y destacó la importancia del suelo (el terroir francés ) en el manejo de viñedos . Su famoso libro Le Théâtre d'Agriculture et mesnage des champs [52] contribuyó al surgimiento de la modernidad,agricultura sostenible y el colapso de las viejas prácticas agrícolas , como la mejora del suelo (enmienda) para los cultivos mediante el levantamiento de la basura forestal y el asalto , que arruinó los suelos de Europa occidental durante la Edad Media e incluso más tarde según las regiones. [53]
Los experimentos sobre lo que hizo crecer las plantas primero llevaron a la idea de que la ceniza que quedaba cuando se quemaba la materia vegetal era el elemento esencial, pero pasaba por alto el papel del nitrógeno, que no se deja en el suelo después de la combustión, una creencia que prevaleció hasta el siglo XIX. . [54] Alrededor de 1635, el químico flamenco Jan Baptist van Helmont pensó que había demostrado que el agua era el elemento esencial de su famoso experimento de cinco años con un sauce crecido con solo la adición de agua de lluvia. Su conclusión vino 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. [55] [56] John Woodward(m. 1728) experimentó con varios tipos de agua, desde limpia hasta fangosa, y encontró que el agua fangosa era la mejor, por lo que concluyó que la materia terrena era el elemento esencial. Otros concluyeron que era el humus en el suelo el que transmitía algo de esencia a la planta en crecimiento. Otros sostuvieron que el principal crecimiento vital 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 agitación hacía que las partes finas del suelo estuvieran disponibles para la absorción de las plantas era errónea. [55] [57]
A medida que se desarrolló la química, se aplicó a la investigación de la fertilidad del suelo . El químico francés Antoine Lavoisier demostró en aproximadamente 1778 que las plantas y los animales deben [quemar] oxígeno internamente para vivir y fue capaz de deducir que la mayor parte del peso de 165 libras del sauce de Van Helmont deriva del aire. [58] Fue el agricultor francés Jean-Baptiste Boussingault quien, mediante 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 extraía del suelo. [59] Justus von Liebig en su libro Química orgánica en sus aplicaciones a la agricultura y la fisiología.(publicado en 1840), afirmó que los químicos en las plantas deben haber venido del suelo y del aire y que para mantener la fertilidad del suelo, los minerales usados deben ser reemplazados. [60] Liebig, sin embargo, creía que el nitrógeno se suministraba desde el aire. El enriquecimiento del suelo con guano por los incas fue redescubierto en 1802, por Alexander von Humboldt . Esto condujo a su extracción y la del nitrato chileno y a su aplicación al suelo en los Estados Unidos y Europa después de 1840. [61]
El trabajo de Liebig fue una revolución para la agricultura, por lo que otros investigadores comenzaron a experimentar basándose en él. En Inglaterra, John Bennet Lawes y Joseph Henry Gilbert trabajaron en la Estación Experimental Rothamsted , fundada por el primero, y (re) descubrieron que las plantas tomaban nitrógeno del suelo y que las sales debían estar disponibles para ser absorbidas por las plantas. Sus investigaciones también produjeron el " superfosfato ", que consiste en el tratamiento ácido de la roca de fosfato. [62] Esto condujo a la invención y al uso de sales de potasio (K) y nitrógeno (N) como fertilizantes. El amoníaco generado por la producción de coque fue recuperado y utilizado como fertilizante. [63]Finalmente, se entendió la base química de los nutrientes entregados al suelo en el estiércol y a mediados del siglo XIX se aplicaron fertilizantes químicos. Sin embargo, la interacción dinámica del suelo y sus formas de vida aún esperaba ser descubierta.
En 1856, J. Thomas Way descubrió que el amoníaco contenido en los fertilizantes se transformaba en nitratos, [64] y veinte años después Robert Warington demostró que esta transformación fue realizada por organismos vivos. [65] En 1890 Sergei Winogradsky anunció que había encontrado la bacteria responsable de esta transformación. [66]
Se sabía que ciertas leguminosas podían absorber nitrógeno del aire y fijarlo al suelo, pero el desarrollo de la bacteriología a finales del siglo XIX llevó a comprender el papel desempeñado en la fijación de nitrógeno por las bacterias. La simbiosis de bacterias y raíces leguminosas, y la fijación de nitrógeno por las bacterias, fueron descubiertas simultáneamente por el agrónomo alemán Hermann Hellriegel y el microbiólogo holandés Martinus Beijerinck . [62]
La rotación de cultivos , la mecanización, los fertilizantes químicos y naturales condujeron a una duplicación de los rendimientos de trigo en Europa occidental entre 1800 y 1900. [67]
Formación [ editar ]
Los científicos que estudiaron el suelo en relación con las prácticas agrícolas lo habían considerado principalmente como un sustrato estático. Sin embargo, el suelo es el resultado de la evolución de materiales geológicos más antiguos, bajo la acción de procesos bióticos y abióticos (no asociados con la vida). Después de que comenzaron los estudios sobre la mejora del suelo, otros comenzaron a estudiar la génesis del suelo y, como resultado, también los tipos y clasificaciones del suelo.
En 1860, en Mississippi, Eugene W. Hilgard estudió la relación entre el material rocoso, el clima y la vegetación, y el tipo de suelos que se desarrollaron. Se dio cuenta de que los suelos eran dinámicos y consideró la clasificación de los tipos de suelo. [68] Desafortunadamente su trabajo no continuó. Aproximadamente al mismo tiempo, Friedrich Albert Fallou describía los perfiles del suelo y relacionaba las características del suelo con su formación como parte de su trabajo profesional en la evaluación de tierras forestales y agrícolas para el principado de Sajonia . Su libro de 1857, Anfangsgründe der Bodenkunde (Primeros principios de la ciencia del suelo) estableció la ciencia moderna del suelo. [69]Contemporáneo con el trabajo de Fallou, e impulsado por la misma necesidad de evaluar con precisión la tierra para obtener impuestos equitativos, Vasily Dokuchaev dirigió un equipo de científicos del suelo en Rusia que realizó un extenso estudio de suelos, observando que rocas básicas similares, tipos de clima y vegetación conducen a similares capas y tipos de suelo, y estableció los conceptos para las clasificaciones de suelo. Debido a las barreras del idioma, el trabajo de este equipo no se comunicó a Europa occidental hasta 1914 a través de una publicación en alemán por Konstantin Dmitrievich Glinka , un miembro del equipo ruso. [70]
Curtis F. Marbut fue influenciado por el trabajo del equipo ruso, tradujo la publicación de Glinka al inglés [71] y, cuando fue puesto a cargo de la Encuesta Cooperativa Nacional de Suelos de EE. UU. , La aplicó a un sistema nacional de clasificación de suelos. [55]
Formación [ editar ]
La formación del suelo, o pedogénesis , es el efecto combinado de los procesos físicos, químicos, biológicos y antropogénicos que trabajan en el material parental del suelo. Se dice que el suelo se forma cuando la materia orgánica se acumula y los coloides se lavan hacia abajo, dejando depósitos de arcilla, humus, óxido de hierro, carbonato y yeso, produciendo una capa distinta llamada horizonte B. Esta es una definición algo arbitraria ya que las mezclas de arena, limo, arcilla y humus apoyarán la actividad biológica y agrícola antes de ese momento. 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 los materiales dentro de un suelo provoca la formación de distintivos.horizontes del suelo . Sin embargo, las definiciones más recientes de suelo abarcan suelos sin ninguna materia orgánica, como los regolitos que se formaron en Marte [72] y condiciones análogas en los desiertos del planeta Tierra. [73]
Un ejemplo del desarrollo de un suelo comenzaría con la erosión del lecho de roca de 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 de la roca desnuda de los flujos recientes en un clima cálido, bajo fuertes y frecuentes lluvias. En tales condiciones, las plantas (en una primera etapa, los líquenes fijadores de nitrógeno y las cianobacterias y luego las plantas superiores epilíticas ) se establecen muy rápidamente en la lava basáltica , a pesar de que hay muy poco material orgánico. Las plantas son soportadas por la roca porosa ya que está llena de nutrientes.-portando agua que transporta minerales disueltos de las rocas. Las grietas y los bolsillos, la topografía local de las rocas, mantendrían materiales finos y albergarían raíces de plantas. Las raíces de las plantas en desarrollo se asocian con hongos micorrícicos meteorizados por minerales [74] que ayudan a romper la lava porosa, y de este modo la materia orgánica y un suelo mineral más fino se acumulan con el tiempo. Tales etapas iniciales del desarrollo del suelo se han descrito en volcanes, [75] inselbergs, [76] y morrenas glaciales.
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