La capacidad de absorción de los suelos es la propiedad del suelo de retener sustancias disueltas en la solución del suelo y en contacto con su fase sólida. La capacidad de absorción la proporciona el complejo de absorción del suelo. Las sustancias pueden ser retenidas en estado disuelto, como partículas coloidales y suspensiones.
En función de la forma de absorción existen diferentes tipos de capacidad de absorción de los suelos:
- mecánico;
- física;
- físico-químico (intercambio);
- química;
- biológico.
El complejo de absorción del suelo es un conjunto de partículas minerales, orgánicas y organominerales de la fase sólida del suelo.
La doctrina de la capacidad de absorción de los suelos fue creada por primera vez por K.K. Giedroytz y desarrollada posteriormente en los trabajos de G. Wigner y S. Mattson. Mattson.
Capacidad de absorción mecánica
La capacidad de absorción mecánica del suelo es la capacidad de retener mecánicamente en los poros del suelo las partículas agitadas por el agua que atraviesa el perfil del suelo. Retiene suspensiones de partículas de aluminosilicato y orgánicas y sustancias coloidales dispersas, lo que permite la retención de fracciones coloidales, fertilizantes poco solubles y mejoradores.
La intensidad de la absorción mecánica depende de la porosidad del suelo, del tamaño de los poros y de la dispersión de las sustancias. Por lo tanto, los suelos arcillosos y limosos son más absorbentes mecánicamente que los suelos arenosos y limosos.
Este tipo de capacidad de absorción también interviene en la distribución de los microorganismos en el perfil del suelo.
Capacidad de absorción física
La capacidad de absorción física de los suelos es la capacidad de retener sustancias minerales y orgánicas en la superficie de la fase sólida debido a la acción de fuerzas de adsorción. La absorción física está causada por la presencia de una fase del suelo altamente dispersa «suelo + solución del suelo» que posee energía superficial libre debido a la cual el agua del suelo y las sustancias que contiene son atraídas y acumuladas en la superficie de los sólidos del suelo.
En los suelos de grano grueso, como los arenosos, las fuerzas de adsorción son relativamente pequeñas y, por tanto, su capacidad de absorción física es baja. Con el aumento de la dispersión de los suelos, la cantidad de limo y la fracción coloidal aumentan las fuerzas de adsorción.
El aumento de la concentración de la sustancia disuelta en la capa del medio de dispersión adyacente a las partículas de la fase sólida se denomina adsorción positiva. Las sustancias que aumentan la tensión superficial del medio de dispersión provocan una adsorción negativa. En el caso de la adsorción positiva, la fase dispersa atrae las sustancias disueltas del medio de dispersión hacia su superficie, mientras que en el caso de la adsorción negativa las repele. Los hidratos de óxidos metálicos y las sales formadas por bases fuertes y ácidos débiles se adsorben positivamente. Los aniones se adsorben negativamente.
Con este tipo de adsorción no se modifican las sustancias de la solución del suelo.
Debido a muchos factores (composición del suelo, condiciones meteorológicas) que pueden afectar a la absorción física, este tipo de absorción es dinámico.
La adsorción positiva es importante en los procesos del suelo y la nutrición de las plantas: se evita que las sustancias disueltas se filtren a las capas más profundas del suelo y se crean diferentes concentraciones de nutrientes, lo que permite a las plantas elegir la solución con la mejor concentración para ellas.
La absorción física en el suelo también puede ser el resultado de la coagulación (adhesión) de partículas coloidales. Este proceso detiene la lixiviación de limo y nutrientes de la zona de las raíces. La absorción física es difícil de determinar, ya que está interrelacionada con la absorción química y la adsorción por intercambio.
La absorción física es relevante para el uso racional de los fertilizantes que contienen, por ejemplo, nitratos y cloruros solubles. Por ejemplo, grandes cantidades de iones de cloruro son tóxicos para muchos cultivos y, por tanto, los fertilizantes de cloruro se aplican en otoño para que puedan ser eliminados del suelo durante las lluvias de otoño y primavera. Por el contrario, en el caso de los abonos nitrogenados, esta lixiviación no es deseable, por lo que se aplican en primavera, antes de la siembra, o en abono de cobertura.
La capacidad de absorción física de los suelos es importante desde el punto de vista ecológico: la adsorción de los plaguicidas reduce su penetración en el entorno adyacente, incluidas las plantas.
Absorción biológica
La absorción biológica es la absorción de nutrientes, fertilizantes y aire por parte de las plantas y la microflora del suelo. En el proceso de actividad de las plantas y los microorganismos del suelo se acumula materia orgánica que incluye elementos de ceniza y nitrógeno.
La peculiaridad del proceso de absorción biológica es selectiva: las raíces de las plantas y los microorganismos absorben del suelo los elementos que necesitan.
La absorción biológica incluye la fijación de nitrógeno libre por parte de microorganismos fijadores de nitrógeno. Los fijadores de nitrógeno convierten el nitrógeno molecular atmosférico en formas accesibles para las plantas. El proceso de fijación del nitrógeno puede ser regulado por los fertilizantes, los mejoradores, los cultivos de leguminosas y las prácticas de cultivo. Las bacterias nitrificantes oxidan el nitrógeno amoniacal en nitrógeno nítrico que, si no es asimilado por las plantas y los microorganismos, se lixivia del suelo y/o se desnitrifica. La absorción biológica es la única forma de retener los nitratos y los cloruros en el suelo.
Una parte de los nutrientes aplicados al suelo con el abono es consumida por los microorganismos. Si el proceso es muy pronunciado, puede tener un efecto negativo en la nutrición de las plantas. En los suelos podológicos cultivados, el plasma celular microbiano contiene unos 125 kg de nitrógeno, unos 40 kg de P2O5 y unos 25 kg de K2O por 1 ha.
Según los estudios radioisotópicos que utilizan el isótopo 15N, el 10-20% del nitrógeno en forma de nitratos se fija en forma orgánica en el suelo y el 20-40% en forma de amonio de los fertilizantes nitrogenados aplicados.
La intensidad de la absorción biológica está influenciada por:
- el régimen de aire de los suelos;
- contenido de materia orgánica del suelo, residuos de cultivos y fertilizantes orgánicos;
- régimen térmico de los suelos;
- reacciones atmosféricas.
Una fuente de material energético fácilmente disponible para los microorganismos son los excrementos de las raíces de las plantas. Por tanto, los procesos microbiológicos son especialmente intensos en la zona de la rizosfera.
Los hongos y sus micorrizas, que se desarrollan en la zona de la rizosfera, desempeñan un importante papel en la nutrición de las plantas. Los hongos se abastecen de oxígeno a través del sistema radicular de las plantas; tienen la capacidad de descomponer la materia orgánica del suelo y proporcionar minerales y agua a la planta huésped.
Los procesos microbiológicos del suelo pueden regularse mediante la aplicación de fertilizantes orgánicos y minerales, el encalado, la fertilización bacteriana, la rotación de cultivos, el calendario y los métodos de tratamiento del suelo y otras prácticas agronómicas.
Capacidad de absorción química
La capacidad de absorción química de los suelos es la capacidad del suelo para retener iones mediante la formación de compuestos insolubles a través de reacciones químicas, o, la capacidad del suelo para convertir aniones y cationes de la solución del suelo en sustancias insolubles.
Los nitratos y los cloruros (NO3— y Cl—) no participan en la absorción química, ya que no forman sustancias insolubles con ningún catión del suelo. Los carbonatos y los sulfatos (СO32-, SO42-) se absorben químicamente cuando el calcio Ca2+ y el magnesio Mg2+ son altos en el suelo. Los fosfatos forman fácilmente compuestos insolubles con todos los cationes divalentes y trivalentes (Ca2+, Mg2+, Fe3+, Al3+).
En los suelos neutros o de reacción ligeramente alcalina, que contienen hidrocarbonatos de calcio, calcio o magnesio absorbidos por intercambio en la solución del suelo, la absorción química del ácido fosfórico se produce como resultado de la formación de fosfatos de calcio y magnesio poco solubles. Así, cuando se aplican fertilizantes fosfatados solubles en agua (superfosfato) a suelos con alto contenido en calcio, se producen reacciones:
Ca(Н2РO4)2 + Ca(НСO3)2 → 2СaНРO4 + 2H+ + СО32-,
Ca(H2PO4)2 + 2Сa(НСO3)2 → Ca3(РO4)2 + 8H+ + 4CO32-.
Con el calcio absorbido por el intercambio en el suelo:
[suelo]=Ca + Ca(H2PO4)2 → [suelo]H2 + 2CaHPO4↓.
Reacciones químicas similares hacen que las sales poco solubles se precipiten y pasen de la solución del suelo a la fase sólida del mismo.
Junto con la absorción química (retrogradación) del fosfato en los suelos, es posible el proceso inverso, la movilización del fósforo: su transferencia desde formas inaccesibles a otras disponibles. La movilización se produce cuando el suelo se acidifica, lo que, en particular, es posible con un aumento de la concentración de ácidos carbónicos, nítricos y orgánicos formados en el proceso de actividad vital y descomposición de las plantas y la biota. Así, el ácido nítrico formado durante el proceso de nitrificación convierte el fosfato de calcio trisustituido en uno monosustituido:
4HNO3 + Ca3(PO4)2 = 2Ca(NO3)2 + Ca(H2PO4)2.
En los suelos con una acidez hidrolítica superior a 2,5 mg-eq/100 g las plantas son capaces de asimilar los fosfatos trisustituidos. Además, cuanto más ácido es el suelo, más intenso es este proceso, no inferior a la absorción de fosfatos monosustituidos.
En un entorno ácido, pueden formarse fosfatos de hierro y aluminio poco solubles:
Fe(OH)3 + H3PO4 → FePO4 + 3H2O o
Al(OH)3 + H3PO4 → AIPO4 + 3H2O.
A diferencia de los fosfatos de calcio, los fosfatos de aluminio y de hierro son poco solubles en las soluciones del suelo con una reacción ácida. Por lo tanto, la absorción química del fosfato se produce de forma diferente en los distintos suelos. En los suelos de reacción ácida se forman fosfatos de halógeno poco solubles, mientras que en los neutros y alcalinos se forman fosfatos de calcio poco solubles.
Los fosfatos trisustituidos de hierro, aluminio y calcio recién depositados pueden ser absorbidos por las plantas a través de las excreciones de las raíces, pero su disponibilidad para las plantas disminuye a medida que la precipitación envejece. El fosfato de calcio biosustituido (CaHPO4) es soluble en ácidos débiles y, por tanto, es absorbido por las plantas a través de las excreciones ácidas de las raíces. Durante el periodo que va desde la germinación de la semilla hasta la aparición de las raíces desarrolladas, las plantas sólo consumen fosfato monosustituido soluble en agua. Sin embargo, son éstos los que se unen químicamente con rapidez en todos los tipos de suelo, no sólo a los iones solubles, sino también a los de calcio, magnesio, hierro y aluminio en estado absorbido.
En orden de aumento de la capacidad de absorción química del fosfato, los suelos se ordenan en la secuencia: chernozems < suelos grises < suelos soddy-podzolic < suelos rojos. La intensa absorción de fosfatos requiere la aplicación e incorporación de fertilizantes fosfatados a cierta profundidad cerca de los sitios de las raíces, ya que no pueden migrar. Para reducir la absorción química de las formas disponibles de abono fosforado, se reduce la superficie total de contacto del abono con el suelo mediante la granulación de las formas en polvo y la localización de las formas en polvo y granulares durante la aplicación previa a la siembra. Gracias a esta técnica, el superfosfato granulado, en cualquier método de aplicación y en todos los suelos, proporciona un mayor aumento del rendimiento de los cultivos que el pulverizado. Las plantas absorben mejor el fósforo de los abonos orgánicos (estiércol y compost) que el de los abonos minerales.
Capacidad de absorción físico-química o intercambiable
La absorbencia fisicoquímica, o intercambiable, es la capacidad del suelo de retener iones en la superficie de las partículas, o la capacidad de los coloides finos de las partículas del suelo con carga negativa de absorber cationes de la solución. La absorción intercambiable consiste en un intercambio equilibrado de cationes entre la solución y la fase sólida.
K.K. Giedroytz formuló la ley básica de la adsorción por intercambio de los suelos: Todos los suelos tienen la capacidad de intercambiar los cationes contenidos en su complejo absorbente por los cationes del electrolito, y la cantidad de cationes absorbidos por el suelo es equivalente a la cantidad de cationes desplazados a la solución.
En la absorción de intercambio de cationes, la energía superficial es importante. En la absorción de intercambio, los electrolitos de la solución del suelo reaccionan químicamente con las moléculas de la superficie de las partículas del suelo. Esta reacción química es posible en presencia de energía superficial, por un lado, y de partículas coloidales del suelo cargadas negativamente, que atraen los cationes de la solución del suelo a su superficie, donde estos cationes entran en reacción de intercambio con los cationes situados en la superficie de las partículas. Estas reacciones de intercambio son de naturaleza física y química.
A diferencia de la absorción química, la absorción por intercambio no modifica la concentración de la solución, sino que cambia la composición de los cationes en la solución, la concentración de los aniones casi no cambia. Cuando se absorbe un catión de la solución, el suelo cede a la solución una cantidad equivalente de otro catión que estaba previamente en la fase sólida:
[suelo]Ca + 2NH4NO3 → [suelo](NH4)2 + Ca(NO3)2,
[suelo]Ca + 2NaCl → [suelo]Na2 + CaCl2.
Dependiendo de la concentración de la solución, de la naturaleza de los cationes y de las propiedades de las partículas de suelo adsorbentes, se establece un equilibrio dinámico entre los cationes de la solución y la fase sólida. Así, el cambio de la composición de la solución del suelo durante la aplicación de fertilizantes, la formación de varios compuestos solubles durante la vida de los microorganismos, la liberación de dióxido de carbono y otras sustancias por las raíces de las plantas son factores que cambian el equilibrio.
La absorción de intercambio en los suelos fue estudiada por primera vez por K.K. Giedroytz. Llamó complejo de absorción del suelo (CAE) al conjunto de partículas minerales y orgánicas del suelo finamente dispersas, que son las portadoras de la capacidad de absorción intercambiable del suelo. Se compone de coloides del suelo, es decir, partículas de 0,25 a 1 micra de tamaño. Con el aumento del tamaño, la capacidad de absorción del intercambio disminuye. Los coloides del suelo se subdividen en:
- orgánica;
- mineral;
- organomineral.
La reacción de intercambio de los fertilizantes con el complejo absorbente del suelo puede representarse mediante la siguiente ecuación:
[CAE](Ca, Mg, H) + 5NH4NO3 ⇔ [CAE](NH4)5 + Ca(NO3)2 + Mg(NO3)2 + HNO3.
Los coloides orgánicos son principalmente sustancias de humus. Los coloides minerales incluyen minerales arcillosos cristalinos de los grupos de la caolinita y la montmorillonita, hidrómicos y compuestos amorfos (hidratos de halóxidos, ácido silícico, etc.). Las partículas de coloides orgánicos y minerales están cargadas negativamente, excepto los coloides de hidróxidos de aluminio y hierro. Esto explica la pronunciada capacidad de la mayoría de los suelos para absorber cationes en lugar de aniones. Los minerales arcillosos del grupo de la caolinita bajo reacción ácida pueden adquirir cargas positivas.
Los grupos hidroxilos conectados con el aluminio en la capa octaédrica situada en la superficie exterior de las partículas de caolinita microcristalina pueden separarse bajo la reacción ácida y formar cargas positivas en partes separadas de las partículas. En este caso son capaces de absorber aniones de la solución del suelo, intercambiándolos por OH—. Por esta razón, cuanto más minerales del grupo de la caolinita e hidróxidos de aluminio y hierro haya en el complejo absorbente, menor será la capacidad de intercambio de cationes y mayor la capacidad de intercambio de aniones absorbentes. Las principales propiedades de estos coloides se muestran en suelos sod-podzol fuertemente ácidos y en suelos rojos.
En el complejo absorbente del suelo de los suelos fuertemente ácidos, como los cenagosos, podzólicos, rojos y amarillos, enriquecidos con hidróxidos de hierro y aluminio, junto a los coloides acidoides hay cargas positivas (bazoides), que contienen como contraiones aniones desplazados por otros aniones de la solución del suelo:
[Al(OH)2]HPO4 + (NH4)2SO4 ⇔ [Al(OH)2]SO4 + (NH4)2HPO4.
Leyes de absorción del cambio
- La reacción de intercambio procede en proporciones equivalentes y es reversible. Establece un equilibrio dinámico entre la fase sólida del suelo y la solución. Este equilibrio depende de la composición y concentración de la solución, de la naturaleza del anión y del catión y de las propiedades del suelo. Los fertilizantes, los mejoradores, el grado y la intensidad de la mineralización de la materia orgánica, la humedad y el consumo de iones por parte de las plantas modifican el equilibrio.
- A concentración constante de la solución, la cantidad de cationes desplazados de la fase sólida a la solución aumenta con el aumento del volumen de la solución; a volumen constante, la cantidad de cationes desplazados del suelo a la solución aumenta con el aumento de la concentración de la solución.
- La velocidad de las reacciones de intercambio es alta: hasta el 85 % de los cationes del complejo absorbente del suelo se intercambian por una cantidad equivalente de iones durante 3-5 minutos desde el momento de la aplicación de los fertilizantes hidrosolubles con el complejo absorbente del suelo.
- Los diferentes cationes se caracterizan por tener diferentes energías de absorción y retención en el estado absorbido.
Cuanto mayor es la masa atómica relativa y la carga del catión, más fuerte es su absorción y más difícil es su desplazamiento desde el estado de absorción. En la serie de cationes monovalentes la absorción aumenta en el orden:
Li+ < Na+ < NH4+ < K+ < Rb+
El peso atómico relativo de estos cationes es respectivamente igual a 6, 9, 23, 18, 39, 85. Los cationes divalentes están en el siguiente orden: Mg2+ < Ca2+ < Co2+ (peso atómico relativo 24, 40, 59 en consecuencia), trivalentes: Al3+ < Fe3+ (peso atómico relativo 27 y 56).
Los cationes de magnesio con doble carga se absorben mejor que los cationes de sodio con una sola carga, y el calcio se absorbe mejor que el potasio. Para evaluar la sorbibilidad de los cationes, K.K. Giedroytz introdujo el concepto de «energía de absorción de los cationes».
En orden ascendente de su capacidad de absorción, los cationes están dispuestos en una serie:
7Li+ < 25Na+ < 18NH4+ < 39K+ < 89Rb+ << 27Mg2+ < 40Ca2+ < 59Co2+ << 27Al3+ < 56Fe3+.
Entre los cationes monovalentes, debido al menor tamaño de los iones en estado hidratado, las excepciones son el amonio y el hidrógeno H+ o H3O+ (hidroxonio), que tiene 4 veces la energía de absorción del calcio y 17 veces la del sodio.
El aumento de la energía de absorción de los cationes con el aumento de su peso atómico se explica por la disminución de su grado de hidratación. Los cationes débilmente hidratados son más fuertemente atraídos por la superficie del coloide. Los minerales del grupo de la caolinita absorben los cationes en la superficie exterior del cristal, porque tienen un pequeño espacio libre entre las bolsas de la red (2,8 A). El espacio libre entre los paquetes de los minerales del grupo de la montmorillonita es mayor, 9,4 A en seco y hasta 21 A al hincharse.
El intercambio de cationes puede tener lugar en la superficie exterior (extramicro) o interior del coloide (intramicro). Los minerales arcillosos del grupo de la montmorillonita con una red cristalina de tres capas pueden absorber cationes de forma extramicelular e intramicelular cuando se humedecen. Cuando el suelo se seca, el espacio intersticial se encoge y encierra los cationes absorbidos en hexágonos. Cuando el suelo se humedece, los cationes vuelven a estar disponibles para las plantas.
La absorción de cationes de potasio y amonio aumenta con el incremento del contenido mineral de montmorillonita. La aplicación de fertilizantes de amonio y potasio en capas de suelo con un contenido de humedad estable, permite reducir la absorción sin intercambio (fijación) de cationes y mantenerlos en forma accesible para las plantas.
La absorción de intercambio catiónico determina la reacción, la amortiguación, el estado estructural y otras propiedades del suelo. En los suelos neutros la interacción se produce principalmente entre las formas hidrosolubles, en los suelos ácidos y alcalinos se produce por el intercambio de iones entre el complejo absorbente del suelo y los fertilizantes, el complejo absorbente del suelo y los mejoradores.
Absorción no intercambiable de cationes
La absorción sin intercambio de cationes también se produce en los suelos, por lo que los cationes son fijados por minerales de arcilla con una red cristalina de tres capas.
La absorción sin intercambio de amonio y potasio varía mucho, dependiendo de las propiedades genéticas del suelo y de su composición granulométrica y mineralógica. Es más fuerte en los suelos chernozem que en los suelos soddy-podzolic. También aumenta con la humectación y el secado periódicos. Por lo tanto, la incrustación poco profunda de los fertilizantes de amonio y potasio en las capas del suelo que están expuestas a la humidificación y a la desecación aumenta la absorción no intercambiable de amonio y potasio. El amonio y el potasio no absorbidos por intercambio se liberan más lentamente a las formas disponibles que las formas absorbidas por intercambio.
Capacidad de absorción de cationes del suelo
La capacidad de absorción de cationes del suelo, o capacidad de absorción o capacidad de intercambio de cationes (CEC), es la cantidad máxima de cationes que puede ser absorbida metabólicamente por el suelo. La capacidad de absorción se expresa en milimoles por 100 g de suelo. Por ejemplo, si 100 g de suelo contienen 500 mg de calcio absorbido en ausencia de otros cationes, la capacidad de absorción será de 500 : 20 = 25 mmol equivalente/100g de suelo, donde 20 es la masa equivalente de calcio (40 : 2 = 20) y 1 mmol equivalente de calcio es 20 mg. Si todo el calcio (500 mg en el ejemplo) es desplazado por NH4+, se absorberán 450 mg de NH4+ en lugar de calcio, porque la masa equivalente del ion NH4+ es 18. Por lo tanto, cuando se intercambia Ca2+ por NH4+, se absorben 18 mg de amonio en lugar de 20 mg de Ca. La capacidad de absorción en este caso sigue siendo la misma: en milimoles-equivalentes será también de 25 mmol/100 g de suelo, ya que 450 : 18 = 25. Así, la capacidad de absorción para un suelo específico es un valor constante.
La capacidad de absorción puede expresarse en miligramos equivalentes por 100 g de suelo. Por ejemplo, si 100 g de suelo contienen 160 mg de calcio, 24 mg de magnesio y 3 mg de hidrógeno en el estado de intercambio absorbido, la capacidad de intercambio catiónico (T) es igual:
T = 160/20 + 24/12 + 3/1 = 13.0 mg-eq/100 g.
donde 20 es la masa equivalente de Ca, 12 de Mg y 1 de H.
El valor de la capacidad de absorción depende de:
- el contenido de partículas altamente dispersas en el suelo;
- la composición química y mineralógica de los coloides del suelo;
- reacción del suelo (pH).
Los suelos con un alto contenido de partículas muy dispersas tienen una gran capacidad de absorción; los suelos arcillosos tienen una mayor capacidad de absorción que los arenosos.
Los diferentes grupos de coloides del suelo tienen diferentes capacidades de absorción. De los minerales de arcilla más capacidad de absorción catiónica tiene los minerales de montmorillonita con alta dispersabilidad, su capacidad de absorción alcanza 60-150 mmol por 100 gramos de mineral. La caolinita se caracteriza por una baja dispersabilidad y una superficie activa, la capacidad de absorción de cationes es de 3-15 mmol/100 g de un mineral.
Los coloides orgánicos del suelo tienen mayor capacidad de absorción que los coloides minerales. La capacidad de intercambio catiónico de los ácidos húmicos de diferente origen está determinada por el contenido de grupos funcionales: los ácidos húmicos de los suelos podzólicos tienen una capacidad de unos 350 mmol/100 g de sustancia a un pH = 7,0, y los ácidos húmicos de los suelos de chernozems y castaños — 400-500 mmol/100 g en las mismas condiciones. Por lo tanto, los chernozems se distinguen por un valor más alto de la capacidad de absorción 40-60 mmol/100 g de suelo en comparación con los suelos sod-podzólicos con una capacidad de absorción de 10-15 mmol/100 g. La capacidad de absorción de la materia orgánica de la fase sólida del suelo es 10-30 veces mayor que la parte mineral y con un contenido de humus del 5-6% su parte consiste en más del 50% de la capacidad total.
La capacidad de absorción de los coloides minerales amorfos depende de la relación SiO2 : R2O3 en su composición. Cuanto mayor sea esta relación y la parte acidoidea, mayor será el valor de la capacidad de absorción. Un aumento del pH provoca un aumento de la capacidad de absorción debido a un aumento de la carga negativa de los coloides y, por tanto, de la capacidad de absorción.
La capacidad de intercambio depende de la composición de los coloides del suelo. Cuanto mayor sea la proporción de fracción fina de materia orgánica y de minerales de montmorillonita, mayor será la capacidad de absorción. La capacidad de la materia orgánica del suelo para adsorber cationes viene determinada por la naturaleza ácida (acidoide) del humus, debido a que los coloides orgánicos tienen una carga negativa procedente de los grupos carboxílicos:
RCOOH → RCOO— + H+.
La reacción de intercambio catiónico de los coloides orgánicos del suelo, puede representarse de la siguiente forma:
(RCOO)Ca + 2KCl ⇔ 2RCOOK + CaCl2.
La capacidad de intercambio de cationes en las partículas minerales de la fracción fina también está asociada a una carga negativa.
La aparición de carga negativa en los minerales del suelo se debe a la presencia de sustituciones isomórficas en las estructuras de silicatos y aluminosilicatos. Un compuesto de la composición (SiO2)n es neutro, pero si una parte de los átomos de silicio en coordinación tetraédrica se sustituye por átomos de aluminio en la estructura sílice-oxígeno, se produce la formación de una carga negativa:
[(SiO2)n]
estructura neutra
[(SiO2)n-1AlO2]—
estructura con carga eléctrica negativa
La carga negativa de los aluminosilicatos se equilibra con una cantidad correspondiente de cationes.
En los minerales de arcilla de la fracción fina del suelo, estos cationes son capaces de disociarse e intercambiarse con otros cationes:
[(SiO2)n-1AlO2]K → [(SiO2)n-1AlO2]— + K+.
La elevada capacidad de absorción de los minerales del grupo de la montmorillonita se explica por la estructura de la red cristalina, que consiste en paquetes planos, cuya composición y estructura tienen la forma:
…O3Si2O2OHAl2OHO2Si2O3…
Esta estructura es neutra, el aluminio situado en la parte central del paquete forma una capa con coordinación octaédrica, y en esta posición no se comunica ninguna carga negativa a la estructura del aluminosilicato. Sin embargo, aparece una carga si el aluminio se sustituye parcialmente por un átomo de silicio en la capa de sílice-oxígeno:
[…O3Si2O2OHAl2OHSiAlO2…]—.
[…O3Si2O2OHAl2OHSiAlO2…]—.
Así, el efecto del aluminio sobre la carga de una estructura de aluminosilicato viene determinado por su posición. El aluminio que forma una capa independiente de alumino-oxígeno o alumohidroxilo con coordinación octaédrica no tiene propiedades acidoides. La montmorillonita puede obtener una carga negativa a través de la sustitución isomórfica, por ejemplo, la sustitución parcial del aluminio en la coordinación octaédrica por el magnesio:
[…O3Si2O2OHAlMgOHO2Si2O2…]—.
La elevada capacidad de intercambio de los minerales de este tipo se debe también a la capacidad de intercambio de la parte interna de la estructura microcristalina, debido a que durante el hinchamiento la solución penetra en los espacios interpaquetes de la red cristalina.
Otros minerales de la fracción finamente dispersa tienen un empaquetamiento más denso, debido a lo cual el intercambio de cationes tiene lugar sólo en la superficie exterior de los microcristales. Entre estos minerales se encuentra la caolinita, cuya composición y estructura de los paquetes puede representarse como sigue:
…O3Si2O2OHAI2(OH)3…
En comparación con los minerales del grupo de la montmorillonita, la caolinita contiene más aluminio y menos ácido silícico. El aluminio no sólo no comunica propiedades acidoides, sino que puede presentar propiedades básicas debido a los iones hidroxilos ligados que salen en la superficie exterior de las partículas microcristalinas:
[…O3Si2O2OHAI2(OH)2…]+ + OH—.
En mayor medida aún, los óxidos de aluminio y de hierro libres, no ligados a la sílice, que presentan propiedades básicas en un entorno ácido, presentan propiedades básicas (bazoidales):
[Fe(OH)3]n → [Fen(OH)3n-1]+ + OH—,
[Al(OH)3]n → [Aln(OH)3n-1]+ + OH—.
Con un aumento general de la fracción fina dispersa de aluminio y hierro y una disminución de la sílice se produce un descenso de la capacidad de intercambio catiónico y una disminución de la capacidad de absorción.
La baja capacidad de absorción de los suelos arenosos ligeros y pobres en materia orgánica se explica por su bajo contenido en fracción coloidal fina. La baja capacidad de absorción de los suelos sod-podzólicos puede ser causada por el alto contenido de semi-auxidos libres en la fracción fina-dispersa, y entre los minerales de aluminosilicato — por las arcillas con predominio de minerales de caolinita.
La alta capacidad de absorción de los chernozems está causada por el alto contenido de la fracción fina con alto contenido de materias orgánicas y el predominio de minerales de montmorillonita de arcilla con alta relación SiO2 : (Al2O3 + Fe2O3).
Los coloides del suelo presentan propiedades acidoides en mayor medida en un entorno neutro o ligeramente alcalino. En la reacción ácida la carga de los coloides del suelo disminuye, reduciendo la capacidad de absorción.
La capacidad de absorción de los diferentes tipos de suelos varía entre 5-10 mg equivalentes/100 g para los suelos ligeros sodzólicos y 20-70 mg equivalentes/100 g para los suelos chernozem. Con la acidificación y el aumento del contenido de coloides anfóteros (anfolitoides) la capacidad de absorción disminuye.
Composición de los cationes absorbidos
Todos los suelos en estado de intercambio contienen calcio y magnesio. En los chernozems lixiviados, ordinarios y pesados la proporción de calcio (30-40 mmol) y magnesio (5-10 mmol) alcanza el 80-90 % con una pequeña cantidad de cationes de hidrógeno y aluminio.
En el sur de chernozem, los suelos de castaño y los suelos grises el calcio y el magnesio dominan en la capacidad de intercambio de cationes, con una pequeña parte de sodio, el hidrógeno está ausente. En los suelos salinos y en los solonchaks, el calcio, el magnesio y el sodio se encuentran en estado de absorción de intercambio. En los suelos rojos, amarillos, podzólicos y podzólicos los cationes absorbidos incluyen calcio, magnesio, aluminio, hidrógeno y hierro. Los cationes de potasio y amonio en estado de intercambio absorbido están presentes en pequeñas cantidades en todos los suelos.
La composición de los cationes absorbidos influye en las propiedades del suelo:
- Debido a la reversibilidad de la reacción de intercambio el suelo es capaz de regular la composición de la solución del suelo, por ejemplo KCl en chernozem desplaza Ca2+, en suelos ácidos Al3+ y H+. La composición de los cationes absorbidos influye en el efecto de los fertilizantes.
- La composición de los cationes absorbidos afecta al estado del complejo absorbente, así el calcio y el magnesio aumentan la capacidad de absorción y empeoran las propiedades físicas del suelo, el sodio disminuye.
Los iones de hidrógeno determinan la acidez del suelo y provocan la destrucción gradual de los minerales que componen el complejo absorbente. Por lo tanto, el desplazamiento del calcio absorbido por los iones de hidrógeno conduce a una reducción de la capacidad de absorción, empeorando la estructura del suelo. La fertilización permite regular la proporción de cationes absorbidos. El tratamiento con cal de los suelos podológicos y el tratamiento con yeso de los suelos salinos aumenta el contenido de calcio en el complejo de absorción.
Aumento de la capacidad de intercambio catiónico
La capacidad de intercambio catiónico y la composición de los cationes absorbidos desempeñan un enorme papel en la nutrición de las plantas y la conversión de los fertilizantes, y determinan las propiedades de reacción y de amortiguación de las fases sólidas y líquidas, así como la composición catiónica-aniónica y la concentración de la solución del suelo. Cuanto mayor sea la capacidad de absorción del suelo, más ventajosa económicamente y ecológica será la aplicación única (de repuesto, periódica) de altas dosis de fertilizantes y mejoradores. Por el contrario, cuanto menor sea la capacidad de absorción, más eficaz será la aplicación fraccionada de pequeñas dosis de fertilizantes y mejoradores.
La composición y la cantidad de cationes absorbidos afectan a la dispersión del complejo de absorción del suelo y a las propiedades del mismo, a la nutrición de las plantas y a la transformación de los fertilizantes y los mejoradores. Los cationes precipitan los coloides del suelo cargados negativamente en la siguiente secuencia:
Li+ < NH4+ < Na+ < K+ << Mg2+ < Ca2+ < H+ << Al3+ < Fe3+.
El efecto precipitante de los cationes aumenta con la acidificación y disminuye con la alcalinización; los cationes de la misma carga no provocan la precipitación (coagulación) de los coloides en un medio alcalino. Los cationes de calcio precipitan los coloides del suelo incluso en un entorno alcalino, mientras que los cationes de magnesio ocupan una posición intermedia entre los cationes de carga única y el calcio.
El catión calcio predominante en la composición absorbida al interactuar con los fertilizantes pasa a la solución del suelo, precipita los coloides orgánicos y minerales que contiene, acumulándolos y almacenándolos en la fase sólida, aumentando la capacidad de absorción.
El contenido de cationes alcalinos de potasio y sodio en el complejo de absorción del suelo superior al 3-5% de la capacidad de intercambio catiónico conduce a la dispersión de las fracciones coloide y precoloide, empeorando bruscamente las propiedades de los suelos alcalinos. Al interactuar con los fertilizantes, los mejoradores y las sales minerales de la solución del suelo, el sodio absorbido pasa a la solución y forma sales hidrolíticamente alcalinas, afectando negativamente al crecimiento y desarrollo de las plantas:
[SAC]Na3 + Ca(HCO3)2 ⇔ [SAC](Ca, Na) + 2NaHCO3,
NaHCO3 + H2O ⇔ NaOH + H2O + CO2.
El alto contenido de cationes de hidrógeno, aluminio, hierro y manganeso en el complejo absorbente del suelo (SAC), típico de los suelos podzólicos y pantanosos, de los suelos amarillos y de las tierras rojas, empeora las propiedades de los suelos ácidos. El catión hidrógeno destruye gradualmente los minerales del complejo absorbente del suelo, empeorando la estructura del mismo, empobreciéndolo con la fracción coloidal y reduciendo la capacidad de intercambio catiónico, lo que en general afecta negativamente al crecimiento, desarrollo y rendimiento de los cultivos.
Las proporciones y la composición de los cationes de intercambio absorbidos de los diferentes suelos están reguladas por los fertilizantes y los mejoradores. En los suelos ácidos, los cationes de hidrógeno, aluminio, hierro y manganeso se desplazan del complejo absorbente del suelo mediante la aplicación de mejoradores de cal, y en los suelos alcalinos -cationes de sodio- mediante la aplicación de los que contienen yeso. En ambos casos, los cationes que afectan negativamente a los cultivos son sustituidos por el calcio.
Cuanto mayor sea la capacidad de absorción catiónica del suelo, mayor será el número de cationes diferentes que es capaz de evitar la lixiviación, proporcionando así mejores condiciones de nutrición, crecimiento y desarrollo para las plantas. Además, el aumento de la capacidad de intercambio catiónico tiene un efecto positivo en la resistencia de los suelos a las influencias antropogénicas, en particular a la contaminación química.
Literatura
Agroquímica. Libro de texto / V.G. Mineev, V.G. Sychev, G.P. Gamzikov et al. — Moscú: Instituto Panruso de Investigación Agroquímica que lleva el nombre de D.N. Pryanishnikov, 2017. — 854 с.
Yagodin B.A., Zhukov Y.P., Kobzarenko V.I. Agroquímica / Editado por B.A. Yagodin. — Moscú: Kolos, 2002. — 584 p.: ill.
