Unidad 1. 2. Propiedades del suelo

 

Es importante entender que los suelos presentan ciertas características tanto físicas como fisicoquímicas, que pueden ser medibles, pero, sobre todo, explican el comportamiento de las diferentes sustancias contenidas en él, como pueden ser contaminantes. Basado en el texto de Dorronsoro y la publicación de la FAO, a continuación, se explican, en primer lugar, las principales propiedades físicas: textura, estructura, porosidad, color y dinámica del agua en el suelo; en segundo lugar, se estudian las propiedades fisicoquímicas: presencia de coloides, el intercambio iónico, el pH y el potencial de oxido-reducción.

1.   2. 1. Propiedades físicas.

Las propiedades físicas de un suelo son aquellas que proporcionan información del comportamiento de un suelo debido a las partículas sólidas que lo conforman, los vacíos que se encuentran y la relación que guardan con el agua como vehículo que transporta sustancias como los contaminantes; las propiedades físicas son la textura, la estructura, la porosidad, el color y la dinámica del agua.

Textura del suelo. Se refiere a la cantidad en porcentaje del volumen total de grava, arena, arcilla y limo en un suelo, que están diferenciados por el tamaño de las partículas sólidas. En un suelo, por lo general, se encuentran diferentes tamaños de partículas, algunas en mayor cantidad que otras, y tambien están distribuidas ya sea uniformemente o no, lo que en conjunto determinas la textura de un suelo. Esta propiedad física condiciona la cantidad y flujo de agua en un suelo. De acuerdo al Sistema Universal de Clasificación del Suelo, las partículas se pueden clasificar de la siguiente manera:

Tabla 1. Clasificación de partículas sólidas del suelo de acuerdo al tamaño.

Textura del suelo	Tamaño de partícula (mm)	Abreviación
Limo	< 0.002	c
Arcilla	0.002 a 0.05	si
Arena fina	0.05 a 0.1	fs
Arena media	0.1 a 0.5	ms
Arena gruesa	0.5 a 1.0	cos
Arena muy gruesa	1.0 a 2.0	vcos
Grava	2.0 a 762.0	g
Guijarro	>762.0	gb

Para facilitar su estudio, la USDA ha creado un diagrama que, con base en el porcentaje de cada partícula, nombra al suelo:

Ilustración 1. Textura del suelo.

En el esquema anterior podrás observar que en un textura fina como en los suelos de limo, arcillo limoso, franco arcillo limoso, el agua es fuertemente retenida principalmente por la fuerza de adsorción; entonces esta agua retenida no permite que sea aprovechada por las plantas. En un suelo de textura media, por ejemplo, suelos franco arcilloso, limoso arenoso, arcillo arenoso, tienen la capacidad de filtración y retención media de agua, lo que favorece el desarrollo de plantas y la disponibilidad de nutrientes. En contraste, los suelos con textura gruesa como franco arenoso, arena, facilitan una rápida infiltración de agua, que es un factor para el transporte de sustancias como los contaminantes.

Otro factor que afecta tanto a la textura como a la capacidad de filtración de agua es el grado de compactación del suelo inducida por el hombre; de esta manera, un suelo de textura media o gruesa puede pasar a textura fina e impedir la infiltración, flujo y aprovechamiento de agua, asi como de sustancias disueltas en él; sin embargo, puede ser una barrera para el paso de contaminantes.

Estructura del suelo. La estructura del suelo se refiere a la forma en que están arregladas las partículas en él. Por lo general se estudian los grumos o agregados que se forman a partir de su grado (diferenciación entre grumos cohesivos y adhesivos) y forma de los agregados (esférico, prismático, plano). De esta manera, los suelos se pueden clasificar por el grado, forma y tamaño de la estructura, como a continuación se muestra en las tablas:

Tabla 2. Clasificación de suelos por el grado de su estructura

Grado	Abreviación	Descripción
Sin estructura	0	No se observa agregación de materiales
Débil	1	Agregados pobremente formados
Moderado	2	Agregados bien formados
Fuerte	3	Terrones consolidados

 

Tabla 3. Clasificación de suelos por la forma de su estructura.

Forma	Abreviación	Descripción
Granular	gr	Relativamente no poroso, no se une a otros agregados
Migajosa	cr	Relativamente poroso, no se une a otros agregados
Laminar	pl	Agregados en forma laminar, son permeables.
Bloque	bk	Agregados en forma de bloque que se unen y rompen.
Bloque angular	abk	Agregados en forma de bloque angular que se unen.
Prismático	pr	Forman columnas y pirámides
Columnar	cpr	Forman columnas que se superponen.
Granuloso	sg	Partículas que no tienden a adherirse a otras.
Masivo	m	Se observa un conjunto único.

En la siguiente imagen podrás observar los tipos de estructura del suelo y su formación.

Ilustración 2. Tipos de estructura del suelo y su formación.

Porosidad. Retomando lo anterior, un suelo está conformado por tres fases: la sólida, la liquida y la gaseosa, presenta una estructura y textura de acuerdo a la cantidad y forma de las partículas sólidas, y entre ellas se encuentran espacios que pueden ser ocupados ya sea por líquidos (agua y sustancias diluidas en esta) o por gases (observa la siguiente figura), de tal forma que al porcentaje total de espacios o poros que existe en un suelo se le llama porosidad, que es otra propiedad física del suelo y cuya importancia radica en que, entre mayor porosidad, mayor actividad biológica puede presentar un suelo.

Ilustración 3. Porosidad del suelo.

Asi que la capacidad de retención del agua tambien es una función del tamaño y cantidad de poros en el suelo, que es importante para el desarrollo de los vegetales o para permitir el flujo de agua y, por tanto, de sustancias como pueden ser contaminantes.

Color del suelo. Esta característica es el reflejo principalmente de las reacciones que ocurrieron entre la materia orgánica y los minerales. El color del suelo está determinado por tres características: tono, valor y cromo, que se comparan con un patrón; el más empleado es la escala de Munsell, la cual se presenta en la figura siguiente:

Ilustración 4. Escala de Munsell para determinar el color del suelo.

El tono se refiere al color dominante; el valor indica la luminosidad o brillo del tono; el cromo se refiere a la pureza del tono. A continuación, se presenta una tabla de colores de suelo:

Tabla 4. Color de suelos.

Color del suelo	Características	Condiciones ambientales
Café a negro	Acumulación de materia orgánica, humus	Baja temperatura, precipitación elevada.
Negro	Acumulación de manganeso, presencia de basalto
Amarillo luminoso	Horizonte eluvial	Alta presencia de arcillas
Amarillo a rojo	Hierro oxidado	Suelos bien aireados
Gris a verde azulado	Hierro reducido	Suelos con poco drenaje.
Blanco a gris	Acumulación de sales

A continuación, revisaras el color de los suelos según la tabla anterior.

Ilustración 5. Color de los suelos.

Dinámica del agua. El agua en el suelo puede circular o ser retenida, lo cual depende de la textura, estructura y porosidad, y tambien por fuerzas que actúan en ella. Estas fuerzas pueden ser de retención: succión, osmótico y matricial (adsorción y capilaridad); o bien, desplazamiento, que es la gravitacional. El que el agua circule o no a través del suelo, condiciona algunos fenómenos. Entre los más importantes se pueden destacar:

Ilustración 6. Fenómenos del agua en el suelo.

Se han repasado las principales propiedades físicas que presentan los suelos, las cuales ayudan a caracterizarlos y a entender en forma clara las propiedades fisicoquímicas que a continuación se muestran.

1.   2. 2. Propiedades fisicoquímicas y biológicas.

Las propiedades fisicoquímicas de un suelo explican el comportamiento y la relación entre las fases sólida y liquida, es decir, las reacciones que ocurren entre los minerales, la materia orgánica (humus) y el agua. Esto sucede a nivel molecular, siendo las principales las reacciones de solubilización para formar coloides y, posteriormente, la adsorción al interactuar estos últimos con otras sustancias como pueden ser contaminantes. En este subtema estudiaras la formación de coloides en el suelo, el intercambio iónico, el pH y el potencial de oxido-reducción.

Coloides en el suelo. Esta acción está condicionada por la presencia de coloides. En el suelo existen coloides llamados suspensiones, que están formados por partículas sólidas (fase dispersa) que son relativamente más grandes que las sustancias liquidas (fase dispersante), en donde se unen. Existen dos tipos de suspensiones, las estables (las partículas sólidas y las sustancias liquidas están en equilibrio y separadas) y las floculadas (cuando las partículas sólidas y las sustancias liquidas están unidas); ademas, tienen una carga eléctrica negativa, lo que las hace capaces de unirse con otras sustancias por medio de cargas positivas o viceversa (unión de cationes). Por lo general los coloides en el suelo están formados por minerales de arcilla e hidróxidos de hierro y aluminio (coloides inorgánicos), y las sustancias húmicas (coloides orgánicos), puesto que presentan una gran superficie especifica.

Como ya se mencionó, los coloides tienen una carga eléctrica que se modifica por el pH y por la concentración de hidrogeno, asi como tambien forman una llamada doble capa eléctrica difusa. El que esta sea positiva o negativa condiciona la unión del coloide con otros iones, ya sea de minerales del mismo suelo o de sustancias exógenas, es decir, contaminantes. Lo anterior se denomina intercambio iónico, y constituye el principal fenómeno entre sustancias que ocurre en el suelo.

Intercambio iónico. Son los procesos por los cuales las partículas sólidas del suelo adsorben iones (cationes o aniones) de la fase liquida liberando al mismo tiempo, otros iones en cantidades equivalentes, estableciendo un equilibrio entre ambas fases. Este es un proceso dinámico que se desarrolla en la superficie de las partículas del suelo, que se origina por el desequilibrio eléctrico de las partículas, lo que induce la neutralización al adsorber iones que se pegan a la superficie de estas partículas, las cuales quedan débilmente retenidas y se pueden intercambiar con la solución del suelo. Entonces, cuanta más superficie tenga el material y más desequilibrada se encuentre, más iones se fijarán.

En el suelo son varios materiales que pueden cambiar cationes. Esto lo puedes observar en la siguiente tabla. Los principales cambiadores son las arcillas y la materia orgánica (los dos materiales presentan propiedades coloidales). Las causas de la capacidad de cambio de cationes de las arcillas son: sustituciones atómicas dentro de la red, existencia de bordes, disociación de los OH de las capas basales, enlaces de Van der Waals. Las causas de la capacidad de cambio de materia orgánica son: disociación de los OH y de los COOH.

Tabla 5. Capacidad de cambio catiónico (CCC) de algunos materiales.

Naturaleza de la partícula	CCC, meq/100g
Cuarzo y feldespatos	1 – 2
Óxidos e hidrox. Fe y Al	4
Caolinita	3 – 15
Ilita y clorita	10 – 40
Montmorillonita	80 – 150
Vermiculita	100 – 160
Materia orgánica	300 – 500

En cuanto a los factores que hacen que un suelo tenga una determinada capacidad de cambio de cationes, estos son el tamaño de las partículas (cuanto más pequeña sea la partícula, más grande será la capacidad de cambio), la naturaleza de las partículas (la composición y estructura de las partículas influirá en las posibilidades de cambio de sus cationes), el pH (en un nivel bajo los hidrogeniones están fuertemente retenidos en las superficies de las partículas; con pH altos los H de los grupos carboxílicos primero, y de los OH después, se disocian y los H+ pueden ser intercambiados por cationes). Los cationes que frecuentemente ocupan las posiciones de cambio en los suelos son: Ca++, Mg++, K+, Na+, H+, Fe+++, Al+++, Fe++, NH₄+, Mn++, Cu++ y Zn++. En los suelos ácidos predominan H+ y Al+++, en los suelos alcalinos predominan las bases, fundamentalmente el Na+, y en los neutros, el Ca++.

La importancia de la capacidad de cambio radica en el control de la disponibilidad de nutrientes para las plantas: K+, Mg++, Ca++, entre otros; interviene en los procesos de floculación y dispersión de arcilla, por consiguiente, en el desarrollo de la estructura y estabilidad de los agregados; y determina el papel del suelo como depurador natural al permitir la retención de elementos contaminantes incorporados al suelo. Esto es cuando al suelo se vierten aguas residuales que contienen una gran cantidad de sustancias toxicas, en primera instancia, el suelo trabaja como un filtro que retiene los contaminantes, ya que se presenta un intercambio iónico, lo que impide su transmisión a los vegetales y su paso a nivel subterráneo; sin embargo, puede alcanzar un nivel en donde sobrepasa la capacidad de retención del suelo (capacidad de intercambio catiónico) y comienza la contaminación. Esto sucede con mayor rapidez cuando se vierten cationes metálicos (metales pesados) y exceso de nutrientes y sustancias para la actividad agropecuaria (fitosanitarios).

Con lo visto anteriormente, resalta el termino de capacidad de intercambio catiónico (CIC) de un suelo, el cual es un indicador de la capacidad de retención de sustancias, que, son sustancias contaminantes. La CIC es el resultado del producto entre la superficies especifica (S en m²/g) y la densidad de carga de un determinado mineral. Asi que, para diferentes tipos de arcilla y para el humus, se tienen los valores a continuación mostrados en la tabla.

Tabla 6. Capacidad de intercambio iónico (CIC) para materiales coloidales en suelo.

Material	CIC (cmol/kg)
Óxidos coloidales	1 a 5
Caolinita	10
Ilita	20 a 40
Montmorillonita	80 a 120
Humus	200 a 400

La CIC se modifica en un suelo por la estructura misma, ya que el suelo está formado por diversos minerales y materia orgánica; ademas, puede alterarse por cambios en el pH y cantidad de nitrógeno que, a su vez, se modifican por la influencia del clima, biomasa y sobre todo, por la actividad humana; esta última por labores agropecuarias, mineras y vertidos de sustancias directamente al suelo.

pH. Esta propiedad mide la concentración en hidrogeniones y condiciona el grado de acidez o de basicidad de un suelo. Por lo general se dice que el suelo muestra una fuerte resistencia a cualquier modificación de pH, y a esto se le llama poder de taponamiento. Sin embargo existen factores que pueden modificar este valor; entre los principales se encuentran:

 

Tabla 7. Factores que modifican el pH en un suelo.

Material original	·         Según la naturaleza de la roca madre puede originar reacciones acidas o básicas.
Factor biótico	·         Los residuos de la actividad orgánica y el proceso de humificación son de naturaleza acida.
Lluvia	·         Tienden a acidificar el suelo al intercambiar los H+ del agua lluvia por los Ca++, Mg++, K+, Na+.
Complejo adsorbente	·         El suelo se torna más o menos acido en función del tipo de iones adsorbidos, ya sean cationes o aniones.

La importancia del pH en los suelos radica principalmente en que influye en el resto de las propiedades físicas y fisicoquímicas. Por ejemplo, con pH muy ácidos (< 5.5) hay una intensa alteración de minerales y la estructura se vuelve inestable. Para pH alcalino (> 7.3), la arcilla se dispersa, se destruye la estructura, y se reduce la asimilación de nutrientes del suelo, porque se espera que las mejores condiciones del desarrollo de plantas ocurran con pH entre 6.0 y 7.5.

Potencial de oxidación – reducción. Esta propiedad es de gran importancia porque interviene directamente en las etapas de formación del suelo, fundamentalmente en la alteración química. De esta manera, la composición de un suelo está regulada principalmente por esta propiedad, como se puede ver en la transformación de la materia orgánica que tiende a oxidarse por la presencia de oxígeno; en contraparte, con la presencia de agua, al saturarse el suelo, este tiende a reducirse.

Los procesos de oxidación-reducción involucran a diferentes elementos que pueden actuar con diferentes valencias, y entre ellos se encuentran: Fe, Mn, S, N. algunos ejemplos de procesos de oxidación en el suelo son:

·         Oxidación: del hierro, formando óxidos e hidróxidos; del manganeso; la oxidación de azufre para formar sulfatos; la nitrificación o sea la transformación de NH₄ en nitritos y nitratos.

·         Reducción: la desnitrificación, la desulfuración, la formación de compuestos Fe+2 y Mn+2.

Otras de las propiedades del suelo son las biológicas, conferidas por los tipos de microorganismos encontrados en el ecosistema edafológico. Entre ellas se pueden encontrar: bacterias, hongos y protozoarios. Su principal función es la aportación de nutrientes al metabolizar los componentes que existen en el suelo. Dentro de los procesos que aporta la presencia de microorganismos figuran la mineralización y la humificación. El primer proceso, mineralización, al tener interacción con los microorganismos, aporta componentes inorgánicos tales como iones amonio (NH₄⁺), CO₂, Ca, Mg, K, etc. El segundo proceso, humificación, descompone la materia orgánica y puede originar los mismos elementos inorgánicos.

Estas propiedades biológicas del suelo se encuentran ligadas con otro tipo de condiciones óptimas de humedad, temperatura, aireación, pH y presencia de materia orgánica; si alguna de ellas se encuentra en un estado inestable, estas propiedades podrían no existir en el suelo, impactando en los ecosistemas.

Otra propiedad biológica en el suelo es la mesofauna (nematodos, ácaros, moluscos), la cual brinda al suelo propiedades físicas como es la porosidad, grado de compactación, filtración, humedad y características químicas como el pH, presencia de nutrientes, entre otros. Estas propiedades participan en los ciclos biogeoquímicos porque reintegran nitrógeno, carbono, fosforo y azufre en estos ciclos.

Para revisar la importancia biológica de los suelos y el impacto que puede tener en un cultivo de caña de azúcar, consulta el siguiente caso llamado Las propiedades biológicas del suelo e influencia de enfermedades para definir la zona de aplicación del laboreo localizado en los suelos arcillosos pesados. En este podrás observar que microorganismos y factores externos como el sol se tomaron en cuenta para la disminución de enfermedades; asimismo, podrás revisar los materiales y métodos utilizados en el caso, asi como sus etapas, los resultados obtenidos y la discusión acerca de dicho estudio, ademas de las conclusiones generadas.