Composición del suelo
La composición del suelo incluye:
- fase sólida;
- fase líquida, o solución del suelo;
- fase gaseosa (gas), o aire del suelo.
Suelo — cuerpo natural organomineral histórico-natural independiente, surgido en la superficie de la Tierra como resultado de la acción prolongada de factores bióticos, abióticos y antrópicos, compuesto de partículas minerales y orgánicas sólidas, agua y aire y que posee rasgos y propiedades genético-morfológicos específicos que crean condiciones adecuadas para el crecimiento y desarrollo de las plantas. El suelo es un sistema único bioinerte multicomponente autorregulado complejo.
El suelo es un sistema homogéneo compuesto de tres fases: sólida, líquida y gaseosa.
La fase sólida consta de una parte mineral y otra orgánica y representa el esqueleto del suelo. Incluye partículas sólidas, entre las cuales hay vacíos libres: poros llenos de agua o aire.
La proporción de las fases sólida, líquida y gaseosa determina el régimen de provisión de las plantas con factores terrestres de vida. Para diferentes tipos de suelo es diferente, y su cambio permite regular las condiciones de vida de las plantas. Se considera óptima la proporción 2:1:1, es decir, fase sólida: 50%, líquida y gaseosa: 25% cada una.
La creación y mantenimiento de una proporción óptima de los volúmenes de las fases del suelo se logra mediante una serie de métodos de labranza del suelo, amelioración y aplicación de fertilizantes, gracias a lo cual mejoran los regímenes hídrico, térmico, aéreo y nutricional, creando así condiciones favorables para el crecimiento y desarrollo de las plantas.
Fase gaseosa
Fase gaseosa es el resultado de la interacción del aire atmosférico y los gases formados en el suelo. En su composición se observa un contenido más alto, en comparación con el aire atmosférico, de dióxido de carbono: 0,3–1%, a veces hasta 2–3% o más, y un contenido menor de oxígeno. La fase gaseosa se distingue por una alta movilidad, que depende de muchas condiciones: contenido de materia orgánica, condiciones meteorológicas, carácter de la vegetación, etc.
Un contenido suficiente de oxígeno en el suelo crea condiciones favorables para la actividad de microorganismos aerobios. Por el contrario, cuando es insuficiente, se crean condiciones para el desarrollo de bacterias anaerobias, que a menudo son patógenas para las plantas.
El volumen del aire del suelo está en equilibrio dinámico con la fase líquida: cuanto más agua, menos aire. Los procesos de intercambio gaseoso en el suelo ocurren constantemente como resultado de la descomposición de sustancias orgánicas, la respiración de las raíces de las plantas y los organismos del suelo, así como de algunas reacciones químicas. Como resultado del intercambio gaseoso, el aire sobre el suelo se enriquece con dióxido de carbono, mejorando las condiciones de la fotosíntesis. Cuando el dióxido de carbono interactúa con el agua de la fase líquida, se produce una ligera acidificación de la solución del suelo según la reacción:
La acidificación favorece la transición de algunas sustancias minerales de la fase sólida, por ejemplo, fosfatos y sulfato de calcio, a una forma disponible para las plantas. Al mismo tiempo, el exceso de dióxido de carbono provoca deficiencia de oxígeno y la creación de condiciones anaerobias, lo que se observa en el encharcamiento y la compactación excesiva de los suelos. La deficiencia de oxígeno en la fase gaseosa frena el crecimiento y desarrollo de microorganismos y plantas, impide la asimilación de nutrientes e intensifica los procesos reductores en las fases líquida y sólida.
El aire del suelo se concentra en los poros no capilares, es decir, en los grandes intersticios del suelo. Cuando todos los poros se llenan de agua, el aire del suelo es desplazado; por el contrario, si el suelo está seco, el aire llena todos los poros: capilares y no capilares.
La proporción más óptima de agua y aire se forma en suelos sueltos, estructurados, cultivados y labrados. La regulación de los regímenes hídrico y aéreo de los suelos mediante los tratamientos correspondientes en combinación con el uso de fertilizantes y ameliorantes mejora la nutrición radicular y aérea de las plantas, con ello aumenta la cantidad y calidad de la producción y favorece el desarrollo de la biota del suelo.
Fase líquida
Fase líquida, o solución del suelo, es una solución de sustancias minerales y gaseosas solubles en agua. Es la fase más activa y dinámica del suelo, de la cual las plantas asimilan nutrientes y al mismo tiempo ocurre la interacción de las plantas con fertilizantes, ameliorantes, las fases sólida y gaseosa.
La solución del suelo incluye cationes (Ca2+, Mg2+, H+, Na+, K+, NH4+, etc.), aniones (HCO3-, OH-, Cl-, NO3-, SO4-, H2PO4-, etc.), compuestos orgánicos solubles en agua y gases solubles CO2, O2, NH3, etc. La entrada de iones a la solución del suelo ocurre desde las fases sólida y gaseosa, fertilizantes y ameliorantes, excreciones de la biota del suelo, precipitaciones atmosféricas y aguas subterráneas. Así, la composición y concentración, acidez, capacidad amortiguadora y presión osmótica de la solución del suelo son dinámicas y están determinadas por las condiciones edafoclimáticas y el impacto antrópico.
La concentración de sales en la solución del suelo depende de las propiedades, composición mineral, tipo de suelo, condiciones naturales, grado de salinización y migración de sales a lo largo del perfil del suelo, impacto antrópico, etc. La concentración de diversas sales puede variar desde milésimas hasta centésimas de por ciento (10–200 mg/L) en suelos poco fértiles hasta 1% o más (>10 000 mg/L) en suelos fuertemente salinos (solonchaks), y en suelos de fertilidad media, alrededor de 500 mg/L. El exceso de sales superior a 2000 mg/L suele afectar negativamente a los cultivos agrícolas, especialmente en las primeras 2–4 semanas después de la germinación de las semillas. Con la edad, la resistencia a concentraciones altas aumenta.
Las propiedades de la fase líquida en general están determinadas por el régimen hídrico del suelo.
Fase sólida
La fase sólida del suelo consta de:
- parte mineral, cuya proporción es del 90% al 99,5%;
- parte orgánica, o materia orgánica del suelo, que representa del 0,5% al 10%.
La parte orgánica, o materia orgánica del suelo, son restos de organismos vegetales y animales y productos de su descomposición y neosíntesis, entre los cuales predomina el humus.
El oxígeno, silicio, aluminio y hierro representan casi el 93% de la fase sólida; carbono, potasio y calcio, el 4,6%, y el 2,5% corresponde a todos los elementos restantes. El carbono, oxígeno, hidrógeno, fósforo y azufre están contenidos en las partes mineral y orgánica, mientras que el nitrógeno, casi por completo, en la orgánica.
Tabla. Composición química promedio de la fase sólida del suelo (% en masa) según A. P. Vinogradov.
| Elemento | Contenido | Elemento | Contenido | Elemento | Contenido |
|---|---|---|---|---|---|
| Oxígeno | 49,0 | Bario | 0,05 | Galio | 0,001 |
| Silicio | 33,0 | Estroncio | 0,03 | Estaño | 0,001 |
| Aluminio | 7,1 | Circonio | 0,03 | Cobalto | 8·10-4 |
| Hierro | 3,7 | Flúor | 0,02 | Torio | 6·10-4 |
| Carbono | 2,0 | Cromo | 0,02 | Arsénico | 5·10-4 |
| Calcio | 1,3 | Cloro | 0,01 | Yodo | 5·10-4 |
| Potasio | 1,3 | Vanadio | 0,01 | Cesio | 5·10-4 |
| Sodio | 0,6 | Rubidio | 0,006 | Molibdeno | 3·10-4 |
| Magnesio | 0,6 | Zinc | 0,005 | Uranio | 1·10-4 |
| Hidrógeno | 0,5 | Cerio | 0,005 | Berilio | 1·10-4 |
| Titanio | 0,46 | Níquel | 0,004 | Germanio | 1·10-4 |
| Nitrógeno | 0,10 | Litio | 0,003 | Cadmio | 5·10-5 |
| Fósforo | 0,08 | Cobre | 0,002 | Selenio | 1·10-6 |
| Azufre | 0,08 | Boro | 0,001 | Mercurio | 1·10-6 |
| Manganeso | 0,08 | Plomo | 0,001 | Radio | 8·10-11 |
Parte mineral del suelo — componente principal de los suelos; representa fragmentos y partículas de rocas y minerales primarios, minerales secundarios, es decir, recién formados, óxidos, sales y otros compuestos que se forman en el proceso de meteorización y formación del suelo. La parte mineral incluye todas las sustancias de cenizas y 1–3% de nitrógeno del total.
La parte mineral del suelo surgió durante los procesos de meteorización de rocas y minerales de las capas superiores de la litosfera y sus transformaciones. Esto se confirma por la composición química similar de la litosfera y los suelos. La cobertura del suelo se formó bajo la influencia combinada sobre la naturaleza mineral de factores físicos y químicos, así como de organismos vivos, principalmente plantas y microorganismos.
La composición geoquímica del suelo se hereda de las rocas formadoras del suelo. Así, un alto contenido de óxido de silicio determina su alto contenido en el suelo. Sobre rocas carbonatadas se forman suelos enriquecidos con elementos alcalinotérreos.
Silicatos y aluminosilicatos
Según su estructura química, los minerales se dividen en silicatos y aluminosilicatos. Entre los silicatos, para todos los tipos de suelo en las fracciones de arena y limo predomina el cuarzo — SiO2, caracterizado por una baja capacidad de absorción y una alta permeabilidad al agua. En los suelos, su contenido es, por regla general, superior al 60%, y en los arenosos, superior al 90%. El cuarzo es químicamente inerte y se distingue por su alta resistencia.
Grupos de combinaciones de tetraedros de silicio.
La base de la parte mineral de los suelos está formada por compuestos de silicio y oxígeno. El mineral del suelo más común es el cuarzo, u óxido de silicio. El aluminio y el hierro forman parte principalmente de minerales aluminosilicatados y ferrosilicatados. Los átomos de silicio y oxígeno forman grupos SiO4 fuertemente unidos, que tienen una estructura tetraédrica. Debido a la tetravalencia del silicio, los grupos SiO4 pueden formar entre sí diversas combinaciones complejas.
En las estructuras de los minerales de las fracciones finamente dispersas de los suelos, los tetraedros de silicio-oxígeno pueden unirse en capas, cadenas o grupos individuales de tetraedros SiO4. El estado de oxidación total de estos grupos es negativo. En combinaciones complejas de tetraedros de silicio-oxígeno, parte de los átomos de silicio puede ser sustituida por átomos de aluminio.
Grupos de combinaciones de tetraedros de silicio.
En la red cristalina del cuarzo, los tetraedros SiO4 están unidos entre sí mediante átomos de oxígeno con otros cuatro tetraedros SiO4. La fórmula general del cuarzo es (SiO2))n. En la estructura cristalina de los feldespatos, parte de los átomos de silicio está sustituida por aluminio. Para compensar la carga negativa que surge en el armazón de silicio-aluminio-oxígeno, en su composición se incluyen átomos de sodio, calcio y otros, que se insertan en las “cavidades” de la red. Así, el feldespato albita tiene la fórmula Na[SiAlO8].
El aluminio en coordinación tetraédrica con iones de oxígeno o el grupo hidroxilo OH forma grupos octaédricos, donde el átomo de aluminio está rodeado por seis átomos de oxígeno o grupos hidroxilo. La fórmula de tal compuesto (capa) [Al(OH)3]⋅n corresponde al mineral gibbsita (hidrargilita).
La estructura de tales minerales se puede representar de la siguiente manera:
La fórmula refleja la composición química de la capa (paquete), y los puntos, los espacios entre paquetes.
La parte mineral de los suelos consta de minerales primarios y secundarios. En los suelos arenosos y franco-arenosos predominan principalmente los minerales primarios; los suelos francos constan de minerales primarios y secundarios, y los arcillosos, predominantemente de minerales secundarios con una mezcla de cuarzo. La división de los minerales en primarios, es decir, con un tamaño de partícula superior a 0,001 mm, y secundarios, inferiores a 0,001 mm, es convencional, ya que los últimos son productos de la meteorización físico-química de los primarios y de la formación de hidratos de sesquióxidos, sílice y otros compuestos.
Durante la meteorización, la hidrólisis del feldespato y la mica conduce a la sustitución de cationes metálicos en las redes cristalinas de los minerales por iones de hidrógeno:
La meteorización físico-química es inseparable de la transformación biológica de rocas y minerales bajo la influencia de organismos vivos y productos de su actividad vital.
Minerales primarios del suelo
Minerales primarios del suelo — minerales que pasaron de la corteza terrestre al suelo sin cambiar su estructura. A ellos pertenecen los minerales del esqueleto del suelo:
- cuarzo y sus variedades;
- feldespatos: ortoclasas, plagioclasas, micas, hornblendas, augita, turmalina, magnetita, calcita, dolomita, etc.
Los minerales primarios del suelo forman parte de las rocas madre formadoras del suelo, formadas como resultado de la meteorización y destrucción de las rocas. En los suelos están presentes en forma de partículas de arena de tamaño de 0,05 a 1,0 mm y partículas de limo de tamaño de 0,001 a 0,05 mm. En pequeña cantidad están presentes en forma de partículas arcillosas de tamaño inferior a 1 µm y coloidales de tamaño inferior a 0,25 µm.
A partir de los minerales primarios, bajo la influencia de procesos físico-químicos como hidratación, hidrólisis, oxidación y la actividad vital de los organismos del suelo, se forman hidratos de sesquióxidos y sílices, sales minerales y también minerales secundarios.
Durante la destrucción de feldespatos y micas se liberan potasio, calcio, magnesio, hierro y algunos otros nutrientes para las plantas.
Minerales secundarios del suelo
Minerales secundarios, o minerales de arcilla, — caolinita, montmorillonita, hidromicas, etc. Están representados principalmente en forma de partículas arcillosas y coloidales, menos frecuentemente en forma de partículas de limo.
En las redes cristalinas de los minerales aluminosilicatados de la fracción finamente dispersa de los suelos hay combinaciones de capas tetraédricas de silicio-oxígeno y octaédricas de aluminio-hidroxilo.
La red cristalina de la caolinita está formada por paquetes de dos capas unidas entre sí por átomos de oxígeno: una capa tetraédrica de silicio-oxígeno y una octaédrica de aluminio-hidroxilo:
Las redes cristalinas de la montmorillonita y las hidromicas están formadas por una capa de aluminio-hidroxilo y dos capas de silicio-oxígeno unidas a ella:
La unión entre paquetes en los minerales del grupo de la caolinita es más fuerte, y los espacios entre paquetes son pequeños. Por eso, la interacción de las partículas microcristalinas con el agua ocurre solo en la superficie externa.
En los minerales del grupo de la montmorillonita, los espacios entre paquetes son mayores y la unión entre paquetes es más débil, por lo que las moléculas de agua pueden penetrar en los espacios entre paquetes. En el intercambio catiónico con la solución del suelo de los minerales de este grupo participan cationes situados en la superficie de las partículas y en los espacios entre paquetes. Esto explica la alta capacidad de absorción de intercambio de los minerales del grupo de la montmorillonita y la presencia de absorción no intercambiable de cationes. Este grupo se caracteriza por una alta dispersión, capacidad de hinchamiento, pegajosidad y viscosidad.
Los minerales arcillosos del suelo se dividen en:
- montmorilloníticos (montmorillonita — Al2Si4O10(OH)2·nH2O, beidellita — Al3Si3O9(OH)3·nH2O, nontronita, saponita, sauconita, etc.).
- caoliníticos (caolinita — Al2Si2O5(OH)4 y halloysita Al2Si2O5(OH)4·2H2O),
- hidromicas (hidromuscovita (illita) (K,H3O)Al2(OH)2[Al,Si]4·nH2O, hidrobiotita, vermiculita),
- minerales de sesquióxidos (hematita, boehmita, hidrargilita, goethita, etc.).
Los minerales montmorilloníticos poseen la mayor capacidad de absorción, y la caolinita, la menor. Así, la capacidad de absorción de la caolinita es 8–15 veces menor que la de la montmorillonita. Esta característica es importante en la absorción de fertilizantes.
La montmorillonita — Mg3(OH)4[Si4O8(OH)2]·H2O — se caracteriza por una alta dispersión: 40–50% de partículas coloidales (tamaño inferior a 0,0001 mm) y 60–80% de partículas arcillosas (tamaño inferior a 0,001 mm). Predomina en los chernozems. Debido a su alta dispersión, la capacidad de absorción alcanza 120 mg·eq/100 g; al humedecerse se hincha. En el espacio interplanar de la estructura cristalina pueden penetrar cationes (K+, NH4+, Na+, Ca2+, etc.), que durante la deshidratación (secado) del suelo se fijan y se vuelven inaccesibles para las plantas hasta la siguiente saturación con humedad.
Los minerales aluminosilicatados secundarios se encuentran en el suelo en forma de cristales finamente dispersos y se caracterizan por una alta capacidad de absorción.
El grupo de las caolinitas es menos disperso, posee poca capacidad de hinchamiento y pegajosidad, capacidad de absorción no superior a 25 mg·eq/100 g de suelo, tamaño de partícula inferior a 0,001 mm y buena permeabilidad al agua.
En los suelos césped-podzólicos y chernozems formados sobre francos de cobertura, en la composición de las fracciones altamente dispersas predominan la montmorillonita y las hidromicas. En los suelos rojos, suelos amarillos y suelos césped-podzólicos formados sobre productos de la antigua meteorización húmeda del granito, el contenido de minerales del grupo de la caolinita es significativamente mayor.
Las hidromicas se forman a partir de las micas, tienen composición química inconstante y, por sus propiedades físicas, ocupan una posición intermedia entre la montmorillonita y la caolinita. Las hidromicas están presentes en todos los suelos en las fracciones arcillosa y coloidal. Debido a su alta dispersión, poseen una gran superficie y capacidad de absorción.
Las micas determinan las propiedades agroquímicas y agrofísicas del suelo. Son una fuente de nutrición potásica de las plantas; en su composición entra hasta 5–7% de potasio. La energía de absorción coloidal del potasio es grande, por lo que en el complejo absorbente contiene 0,510 mmol/100 g de suelo. Los suelos rojos y las lateritas, debido al bajo contenido de micas e hidromicas y al exceso de minerales del grupo de la caolinita con bajo contenido de potasio, se distinguen por deficiencia de potasio.
Entre los minerales poco cristalizados que influyen significativamente en la capacidad de absorción de los suelos se encuentran la alófana, el ácido silícico libre, diversos ácidos y sus sales. La parte mineral del suelo incluye sustancias amorfas: hidratos de óxidos de aluminio Al2O3 ⋅ nH2O, hierro Fe2O3 ⋅ nH2O y silicio SiO2 ⋅ nH2O. Su mayor contenido se observa en los suelos rojos y amarillos. En los puntos isoeléctricos, estas sustancias forman precipitados amorfos que, a medida que envejecen, forman nuevos minerales:
Sales minerales
En el suelo hay sales minerales: carbonatos, sulfatos, nitratos, cloruros, fosfatos de calcio, magnesio, potasio, sodio, hierro, aluminio, manganeso. Todos los nitratos y cloruros, así como las sales de potasio y sodio, son bien solubles en agua, pero su contenido en los suelos (excepto los salinizados) es relativamente pequeño. Las sales poco solubles (carbonatos de calcio, magnesio y sulfato de calcio) se encuentran en la composición de la fase sólida en algunos suelos en cantidades significativas, y las insolubles — fosfatos de calcio, magnesio, hierro y aluminio — en todos los suelos.
Tabla. Contenido de microelementos en el suelo y la litosfera, % en masa.
| Elemento | Contenido | Elemento | Contenido | ||
|---|---|---|---|---|---|
| en el suelo | en la litosfera | en el suelo | en la litosfera | ||
| Manganeso | 0,085 | 0,09 | Cobre | 0,002 | 0,01 |
| Flúor | 0,02 | 0,027 | Zinc | 0,005 | 0,005 |
| Wolframio | 0,01 | 0,015 | Cobalto | 8·10-4 | 0,003 |
| Boro | 0,001 | 3·10-4 | Molibdeno | 3·10-4 | 3·10-4 |
| Níquel | 0,004 | 0,008 | Yodo | 5·10-4 | 3·10-5 |
La principal fuente de microelementos en el suelo son las rocas formadoras del suelo. Así, los suelos formados sobre productos de meteorización de rocas ácidas, es decir, granitos, liparitas, pórfidos graníticos, son pobres en níquel, cobalto y cobre. Los suelos formados sobre productos de meteorización de rocas básicas (basaltos, gabro), por el contrario, están enriquecidos en estos elementos.
Algunos microelementos, por ejemplo, yodo, boro, flúor, selenio, arsénico, pueden llegar al suelo desde el aire atmosférico, erupciones volcánicas y precipitaciones. Para el yodo y el flúor, estas fuentes son las principales.
Factor biológico de la formación del suelo
Gracias a la actividad de los organismos vivos, en el suelo, en comparación con la corteza terrestre, el contenido de carbono aumentó 20 veces, y el de nitrógeno, 10 veces.
La formación del suelo en condiciones naturales transcurre muy lentamente. La aplicación de fertilizantes y prácticas agrotécnicas permite acelerar este proceso. Así, la aplicación de fertilizantes intensifica la actividad vital de las plantas y la microflora del suelo, lo que conduce a la acumulación de sustancias orgánicas y elementos biológicamente importantes.
Lista de fuentes
- Mineev V. G., Sychev V. G., Gamzikov G. P. et al. (2017). Agroquímica. Libro de texto. Ed. de Mineev V. G. Moscú: Editorial VNIIA que lleva el nombre de D. N. Pryanishnikov.
- Yagodin B. A., Zhukov Yu. P., Kobzarenko V. I. (2002). Agroquímica. Ed. de B. A. Yagodin. Moscú: Kolos.
- Niklyaev V. S. (2000). Fundamentos de la tecnología de la producción agrícola. Agricultura y producción de cultivos. Moscú: Bylina.
- Bazdyrev G. I., Loshakov V. G., Puponin A. I. et al. (2000). Agricultura. Libro de texto para universidades. Moscú: Editorial Kolos.
