Procesos de transporte

Actualizado: 25 Julio 2026 Русский English

1. ¿Qué es la transferencia de masa?

El suelo es un sistema abierto, polidisperso, heterogéneo, atravesado por una red de poros y canales. Dentro de este espacio coexisten simultáneamente fases sólida, líquida y gaseosa, que intercambian continuamente materia y energía. La transferencia de masa es un concepto colectivo que describe cualquier proceso de desplazamiento de sustancias en el perfil del suelo: agua, iones disueltos (sales, nutrientes), gases (oxígeno, dióxido de carbono, metano), así como partículas coloidales e incluso microorganismos.

La pregunta «¿por qué las sustancias se desplazan dentro del suelo?» es clave para comprender la física del suelo. La respuesta se halla en el campo de la termodinámica: cualquier sistema tiende al equilibrio, y la fuerza impulsora de cualquier transferencia es la existencia de un gradiente –un cambio espacial de alguna magnitud intensiva que caracteriza el estado del sistema. En el suelo, estas fuerzas impulsoras pueden ser:

el gradiente de potencial hidráulico (para el agua y las sustancias que arrastra);
el gradiente de concentración (para moléculas e iones en solución o en gas);
el gradiente de presión (para la fase gaseosa o el agua a presión);
el gradiente de temperatura (termodifusión) o de potencial eléctrico (electromigración), aunque su contribución a la transferencia total suele ser menor.

Así pues, se puede dar la siguiente definición: la transferencia de masa en el suelo es un proceso espontáneo o forzado de desplazamiento de materia desde regiones con un valor más alto del potencial impulsor hacia regiones con un valor más bajo. La velocidad y la dirección de este proceso vienen determinadas por la magnitud del gradiente y por las propiedades del propio medio edáfico (porosidad, tortuosidad de los poros, capacidad de adsorción).

Es importante señalar que la transferencia de masa en el suelo nunca es un proceso único. Representa un sistema acoplado de varios mecanismos que actúan simultáneamente y a menudo se influyen mutuamente (White, 2006). En esta lección examinaremos secuencialmente tres mecanismos básicos de transporte –difusión, convección y dispersión– y luego abordaremos cómo su acción conjunta determina el comportamiento de sustancias de gran importancia agronómica: agua, oxígeno, nitratos y plaguicidas.

En el medio edáfico real, el transporte de sustancias se produce en tres fases:

en la fase líquida – movimiento de la solución del suelo y de los compuestos disueltos en ella;
en la fase gaseosa – movimiento de gases en los poros llenos de aire (por ejemplo, difusión de oxígeno hacia las raíces);
en la fase sólida – desplazamiento de partículas individuales por erosión o bioturbación (en esta lección se aborda solo de manera indirecta, ya que la mayor parte de los procesos agronómicamente relevantes está relacionada con el transporte en medios líquidos y gaseosos).

Comencemos con el proceso más fundamental, pero a menudo subestimado: la difusión.

2. Difusión

La difusión es un proceso fundamental de transporte de materia impulsado por el movimiento térmico (browniano) de moléculas, iones o partículas coloidales. Su fuerza motriz es el gradiente de concentración (o, en rigor, el gradiente de potencial químico) –la tendencia del sistema a igualar la concentración de la sustancia disuelta o del gas en todo el espacio disponible. Si en alguna zona del suelo la concentración, por ejemplo, de dióxido de carbono está elevada (como en la zona de respiración de las raíces) y en la vecina es más baja, las moléculas de CO₂ se desplazarán espontáneamente desde la zona de alta concentración hacia la de baja concentración.

Cualitativamente, este proceso se describe mediante la primera ley de Fick, que establece que el flujo de sustancia es directamente proporcional al gradiente de concentración y está dirigido hacia su disminución (Weil & Brady, 2017; Shukla, 2023). En otras palabras, cuanto más brusco es el cambio de concentración por unidad de distancia, más intenso es el flujo difusivo. Sin embargo, en el medio edáfico, a diferencia de una solución libre o del aire, la difusión se ve considerablemente dificultada. Esto se debe a varios factores:

1. Tortuosidad de los poros. Los poros del suelo no son cilindros rectos; son sinuosos, se estrechan y ensanchan, y a menudo presentan ramificaciones sin salida. Las moléculas que se mueven en ese medio deben recorrer un camino significativamente más largo que la distancia más corta entre dos puntos. Este fenómeno se cuantifica mediante el factor de tortuosidad (Huang et al., 2012; Marshall et al., 1996).

2. Limitación de la sección transversal para la difusión. Las moléculas solo pueden moverse a través de la parte del espacio poroso ocupada por la fase correspondiente. Para los gases –poros llenos de aire; para los iones disueltos –poros llenos de agua y películas acuosas sobre la superficie de las partículas sólidas. Por lo tanto, cuando disminuye la humedad del suelo (disminuye el volumen de agua), la difusión de sustancias disueltas se ralentiza drásticamente; para la difusión gaseosa, por el contrario, la disminución de la humedad aumenta el espacio aéreo y puede acelerar el transporte (White, 2006).

3. Adsorción e interacción química. Muchos iones y moléculas pueden adsorberse en la superficie de las partículas sólidas (minerales arcillosos, materia orgánica), lo que los retira temporalmente del flujo difusivo. Esto es especialmente importante para nutrientes como los fosfatos y el potasio. Como resultado, la concentración efectiva en la solución disminuye y el flujo difusivo se debilita.

En el suelo se distingue entre difusión en fase líquida y difusión en fase gaseosa.

La difusión en fase gaseosa (por ejemplo, de oxígeno desde la superficie del suelo hacia las raíces, y de dióxido de carbono en dirección contraria) ocurre relativamente rápido, ya que las moléculas de gas se mueven libremente en los grandes poros llenos de aire. Sin embargo, este proceso se ralentiza bruscamente cuando los poros se llenan de agua (por ejemplo, tras una lluvia o un riego), ya que los gases deben difundirse a través de la película acuosa, donde el coeficiente de difusión es aproximadamente 10 000 veces menor que en el aire (Scheffer et al., 2018).

La difusión en fase líquida (de iones nitrato, calcio, plaguicidas en la solución del suelo) es un proceso mucho más lento. Los coeficientes de difusión de los iones en el suelo son órdenes de magnitud inferiores a los del agua libre, debido a la adsorción, el intercambio iónico y la tortuosidad de los poros (Huang et al., 2012; Shukla, 2023). No obstante, es precisamente la difusión el mecanismo principal que asegura el aporte de la mayoría de los elementos nutritivos a la superficie de los pelos radiculares cuando el transporte convectivo (flujo másico) es insuficiente. Por ejemplo, el fósforo, el potasio y los micronutrientes llegan a las raíces en gran medida gracias a la difusión (Foth, 1990).

Así pues, la difusión es un proceso pasivo pero vital, especialmente en la rizosfera. Determina la disponibilidad de muchos nutrientes y gases para las plantas y los microorganismos. Sin embargo, la difusión solo es eficaz en distancias cortas (generalmente milímetros o centímetros). En distancias mayores y con movimiento activo del agua, el siguiente mecanismo adquiere el protagonismo: la convección.

3. Convección

A diferencia de la difusión, que se debe al movimiento térmico de las moléculas y actúa en distancias cortas, la convección es el transporte de materia junto con el medio en movimiento. En el suelo, el principal medio portador del transporte convectivo es el agua y, en menor medida, el aire. Si la difusión se puede comparar con el movimiento de personas dentro de un autobús lleno (lento, caótico), la convección es el movimiento de los pasajeros en ese mismo autobús cuando este circula por su ruta: la sustancia se desplaza junto con el flujo de líquido o gas.

La fuerza impulsora del transporte convectivo del agua es el gradiente de potencial hidráulico (carga total), que se compone de las componentes gravitacional y matricial (y, en condiciones saturadas, también de la presión hidrostática). El agua siempre se mueve desde una zona de mayor potencial hidráulico hacia otra de menor potencial (Eash et al., 2016; White, 2006). Este proceso se describe cuantitativamente mediante la ley de Darcy, que se tratará en una sección aparte. Cualitativamente, la convección es un flujo másico (advección) de agua junto con todas las sustancias disueltas en ella: iones, moléculas, partículas coloidales.

El transporte convectivo en el suelo puede ocurrir tanto en condiciones saturadas como no saturadas.

En flujo saturado, todos los poros están llenos de agua. Esta situación se da tras lluvias abundantes, deshielo o riego, así como en la zona freática. En este caso, el gradiente hidráulico suele ser cercano a la unidad (predomina la componente gravitacional), y el agua se mueve hacia abajo con bastante rapidez, arrastrando consigo sales solubles, nitratos y plaguicidas. Es el mecanismo más eficaz para la lixiviación de sustancias más allá de la zona radicular, aunque también conlleva el riesgo de pérdida de nutrientes y de contaminación de las aguas subterráneas (Foth, 1990; Weil & Brady, 2017).

En flujo no saturado –mucho más típico de los suelos durante el período vegetativo– parte de los poros están ocupados por aire, y el agua se mueve a través de películas finas y capilares bajo la acción del potencial matricial (fuerzas capilares). La velocidad del transporte convectivo aquí es considerablemente menor que en estado saturado, ya que los canales conductores de agua se estrechan y la conductividad hidráulica disminuye drásticamente al reducirse la humedad (Marshall et al., 1996; Scheffer et al., 2018). Sin embargo, incluso un flujo convectivo lento puede transportar sustancias disueltas a distancias considerables –decenas de centímetros y metros–, algo inalcanzable para la difusión por sí sola.

Es importante destacar que la convección no solo desplaza el agua, sino que también es el principal mecanismo de aporte de nutrientes solubles (nitratos, sulfatos, calcio, magnesio) a las raíces de las plantas en condiciones de consumo activo de agua. Cuando la planta transpira, crea un gradiente de potencial hídrico entre el suelo y las raíces, y el agua con las sustancias disueltas es arrastrada convectivamente hacia la superficie radicular. El flujo másico proporciona hasta el 90-95 % del aporte de nitrógeno nítrico y una parte significativa del potasio y el calcio cuando la humedad del suelo es suficiente (Foth, 1990).

Sin embargo, la convección no es omnipotente. Su eficacia depende en gran medida de la permeabilidad (conductividad hidráulica) del suelo, que a su vez está determinada por la textura, la estructura y la humedad. En suelos arcillosos densos y sin estructura, o en arenas desecadas, el flujo convectivo puede ser tan débil que la difusión vuelve a ser el principal mecanismo de aporte de iones a las raíces. Además, la convección transporta todas las sustancias disueltas sin selectividad: si en la solución del suelo hay sales tóxicas o plaguicidas, también se moverán con el agua.

Así pues, la convección es el principal mecanismo de transporte a larga distancia de sustancias en el perfil del suelo, determinando la redistribución de la humedad y las sales, la profundidad de humedecimiento y la lixiviación de elementos más allá de la zona radicular. Sin embargo, la distribución real de una sustancia disuelta durante la convección nunca es estrictamente pistónica (cuando todas las moléculas se mueven a la misma velocidad). Debido a la heterogeneidad de las velocidades en los poros, surge un mecanismo adicional: la dispersión hidrodinámica, que se tratará en el siguiente apartado.

4. Dispersión

El transporte convectivo analizado en el apartado anterior, en condiciones idealizadas, se asemejaría a un desplazamiento pistónico: todas las moléculas de la sustancia disuelta se moverían a la misma velocidad y el frente entre el agua pura y la solución permanecería nítido. Sin embargo, en el suelo real esto nunca ocurre. En lugar de un frente abrupto, observamos un "desdibujamiento" gradual del frente de concentración, donde unas moléculas avanzan más rápido que la velocidad media del flujo y otras se quedan rezagadas. Este fenómeno se denomina dispersión hidrodinámica.

La dispersión es un mecanismo que provoca la dispersión (ensanchamiento) de una sustancia disuelta cuando se desplaza con el flujo de agua. No debe confundirse con la difusión molecular: la difusión existe incluso en agua estancada, mientras que la dispersión surge exclusivamente durante el movimiento del fluido y es consecuencia de la heterogeneidad de las velocidades de flujo en el espacio poroso (Shukla, 2023; Radcliffe & Simunek, 2012).

¿Por qué se produce la dispersión?

Las causas de la dispersión se hallan en la heterogeneidad microscópica del medio edáfico:

1. Diferencias de velocidad dentro de un mismo poro. En cualquier capilar, la velocidad de flujo del fluido es máxima en el centro y disminuye hasta cero en las paredes (perfil de velocidad parabólico). Las moléculas disueltas que se mueven en el centro del poro son transportadas más rápido que las que están cerca de las paredes (Huang et al., 2012).

2. Diferencias de velocidad en poros de distinto diámetro. Según la ley de Poiseuille, la velocidad del flujo es proporcional al cuadrado del radio del poro. Por lo tanto, el agua y las sustancias disueltas se mueven significativamente más rápido a través de los macroporos anchos (canales radiculares, grietas, galerías de lombrices) que a través de los capilares finos. Esto hace que el frente de la solución se "estire" en el tiempo: las primeras porciones de sustancia alcanzan la profundidad mucho antes que la mayor parte de la masa (Eash et al., 2016; Weil & Brady, 2017).

3. Diferencias en la longitud de los recorridos y en la tortuosidad de los poros. Debido a la tortuosidad y a la ramificación del espacio poroso, las moléculas de distintos poros recorren caminos diferentes, incluso si la velocidad media del flujo es la misma.

Así, la dispersión es una mezcla mecánica causada por las variaciones de las velocidades locales del flujo a escala de poros individuales y de sus conjuntos (Foth, 1990; Marshall et al., 1996).

Descripción cuantitativa y relación con la difusión

A nivel macroscópico, el ensanchamiento dispersivo suele describirse formalmente por analogía con la difusión –mediante el coeficiente de dispersión hidrodinámica, que se suma aditivamente al coeficiente de difusión molecular. Su suma se denomina coeficiente de dispersión hidrodinámica (o coeficiente de dispersión efectivo) D:

D = D_{\text{dif}} + D_{\text{disp}}

donde D_dif es el coeficiente de difusión molecular (depende de la temperatura y de las propiedades de la sustancia, pero no de la velocidad del flujo), y D_disp es el coeficiente de dispersión mecánica, que es directamente proporcional a la velocidad del flujo (Shukla, 2023; White, 2006). Cuanto más rápido se mueve el agua, más pronunciada es la dispersión. A bajas velocidades de flujo (en suelos densos o secos) domina la difusión molecular; a altas velocidades (en macroporos, durante el riego) el papel principal lo desempeña la dispersión.

En la práctica, la dispersión se caracteriza convenientemente mediante la dispersividad λ –un parámetro con dimensión de longitud que relaciona el coeficiente de dispersión con la velocidad del flujo: D_disp = λv. La dispersividad refleja la escala media de la heterogeneidad del espacio poroso. Para columnas de laboratorio (suelo repicado), los valores de λ suelen ser de 0,5‑2 cm, mientras que para condiciones de campo (suelo no alterado, presencia de macroporos), la dispersividad puede alcanzar decenas de centímetros o más (Huang et al., 2012; Shukla, 2023).

Dispersión y macroporos: flujo preferencial

La dispersión desempeña un papel especialmente importante en suelos estructurales, agregados y ricos en macroporos. Aquí, el movimiento del agua y las sustancias disueltas se vuelve extremadamente desigual. Una parte significativa de la solución puede infiltrarse rápidamente a través de los poros grandes, prácticamente sin interactuar con la matriz del suelo (el denominado flujo preferencial o flujo por macroporos). Este proceso provoca que algunas moléculas de la sustancia lleguen a gran profundidad mucho antes de lo que predicen los modelos basados en velocidades medias (Weil & Brady, 2017). Así, la dispersión, junto con la macroporosidad, explica la aparición paradójicamente rápida de ciertos plaguicidas o nitratos en las aguas subterráneas.

Dispersión y difusión: acción conjunta

Es importante entender que en el suelo real la dispersión y la difusión actúan de manera inseparable y simultánea. Su efecto combinado es el ensanchamiento dispersivo hidrodinámico del frente de concentración. Si, por ejemplo, aplicamos un fertilizante en forma de solución en la capa superior del suelo:

La convección desplazará la solución hacia abajo con el flujo de agua.
La dispersión estirará el frente de la solución debido a las diferentes velocidades en los distintos poros.
La difusión suavizará aún más los gradientes de concentración, moviendo la sustancia desde las zonas de mayor concentración hacia las de menor concentración.

Como resultado, a la salida de la capa edáfica (o a cierta profundidad) obtendremos no un salto brusco de concentración, sino una curva de ruptura (breakthrough curve) suave, que es más tendida cuanto mayor es la dispersión (Shukla, 2023). Precisamente por la forma de estas curvas se puede inferir la proporción de macroporos, la intensidad de la mezcla y el grado de adsorción de la sustancia por el suelo.

Así pues, la dispersión es una parte inherente de cualquier transporte convectivo en el suelo, que hace que la distribución real de las sustancias sea mucho más compleja y espacialmente heterogénea de lo que supondría un desplazamiento pistónico ideal. Y ahora que hemos examinado los tres mecanismos principales de transporte –difusión, convección y dispersión–, podemos pasar a la ley cuantitativa que los integra en una descripción unitaria del movimiento del agua, a saber, la ley de Darcy.

5. Flujo de Darcy. Consideración cualitativa

Después de familiarizarnos con los tres mecanismos básicos de transporte –difusión, convección y dispersión– llegamos a la cuestión clave: ¿cómo describir cuantitativamente el movimiento del agua en el suelo? Después de todo, el agua es el principal agente que transporta las sustancias disueltas. La respuesta la proporciona la ley empírica fundamental formulada por el ingeniero francés Henry Darcy en 1856, durante el diseño del suministro de agua para la ciudad de Dijon.

La ley de Darcy es un modelo cualitativo y cuantitativo que relaciona la velocidad del movimiento del agua en un medio poroso con la fuerza que lo provoca. En su forma más simple, establece que la velocidad de filtración del agua a través del suelo es directamente proporcional al gradiente de potencial hidráulico (o carga) e inversamente proporcional a la resistencia del medio, que se caracteriza por el coeficiente de conductividad hidráulica (Eash et al., 2016; Marshall et al., 1996; White, 2006).

¿Qué es el potencial hidráulico y su gradiente?

Para comprender la ley de Darcy es necesario tener una idea clara de qué es el potencial hidráulico (carga total) del agua del suelo. Es la suma de varios componentes, pero para fines prácticos en suelos no saturados (que es el estado principal de la zona radicular), los dos más importantes son:

1. Potencial gravitacional – determinado por la altura de un punto sobre un nivel de referencia. El agua siempre tiende a fluir hacia abajo por la acción de la gravedad.

2. Potencial matricial (o potencial de humedad, potencial capilar) – debido a las fuerzas de atracción del agua hacia la superficie sólida de las partículas del suelo (adhesión) y a las fuerzas capilares. Cuanto más seco está el suelo, más negativo es el potencial matricial, es decir, más fuerte es la "atracción" que ejerce el suelo sobre el agua.

El potencial hidráulico total es la suma algebraica de estos componentes. El agua siempre se mueve desde una zona de potencial hidráulico más alto (menos negativo) hacia una zona de potencial más bajo (más negativo) (Weil & Brady, 2017).

El gradiente de potencial hidráulico es el cambio de potencial por unidad de distancia. Este gradiente es precisamente la fuerza impulsora del agua. Cuanto más acusado es este gradiente (por ejemplo, una gran diferencia de humedad entre una zona húmeda y otra seca del suelo), más intenso será el movimiento del agua. La ley de Darcy afirma que el flujo de agua es directamente proporcional a este gradiente.

Coeficiente de conductividad hidráulica

El segundo parámetro clave en la ley de Darcy es la conductividad hidráulica K. Caracteriza la capacidad del suelo para transmitir agua. La conductividad hidráulica no es una constante, sino una función que depende en gran medida de:

El tamaño y la forma de los poros. Según la ley de Poiseuille, el caudal a través de un capilar es proporcional a la cuarta potencia de su radio. Esto significa que incluso una pequeña cantidad de macroporos grandes (grietas, canales radiculares, galerías de lombrices) puede aportar una gran parte del flujo total, a pesar de su reducido volumen (Scheffer et al., 2018; Foth, 1990).
La humedad del suelo. La conductividad hidráulica disminuye bruscamente (en varios órdenes de magnitud) al reducirse la humedad. En suelo saturado, todos los poros participan en el transporte, y la conductividad es máxima (este valor se denomina coeficiente de filtración o conductividad hidráulica saturada K_sat). Al secarse, los poros grandes se llenan de aire, y el agua se ve obligada a moverse a través de capilares finos y películas, donde la resistencia es considerablemente mayor (Huang et al., 2012; Radcliffe & Simunek, 2012).
La estructura y la textura. Los suelos arenosos, con poros grandes y bien comunicados, tienen una alta conductividad, mientras que los suelos arcillosos, incluso teniendo una gran porosidad, presentan una baja conductividad debido a los poros finos y a la gran tortuosidad de los caminos (Eash et al., 2016).

Ley de Darcy en condiciones saturadas y no saturadas

Es importante entender que la ley de Darcy es aplicable a ambos estados del suelo, pero la interpretación de los parámetros difiere.

En estado saturado (todos los poros llenos de agua), la conductividad hidráulica es constante (K = K_sat), y la fuerza impulsora es principalmente el gradiente gravitacional (si no hay carga adicional). Este caso es típico de la zona freática, así como de los períodos breves tras lluvias abundantes o riegos. El movimiento del agua aquí es una percolación que lixivia eficazmente las sustancias solubles (nitratos, cloruros) hacia el interior del perfil (White, 2006).

En estado no saturado (estado principal de los suelos durante el período vegetativo), el panorama es fundamentalmente diferente. Aquí, la conductividad hidráulica K se convierte en una función de la humedad (o del potencial matricial). El agua se mueve a través de capilares finos y películas acuosas, y la fuerza impulsora es el gradiente de potencial matricial, que a menudo supera a la componente gravitacional. Es por esto que el agua puede ascender desde el nivel freático hacia la superficie (ascenso capilar) o moverse horizontalmente desde zonas húmedas a zonas secas (Marshall et al., 1996; Scheffer et al., 2018).

Flujo de Darcy y transporte de sustancias disueltas

La ley de Darcy describe el movimiento del agua, pero para las sustancias disueltas constituye la base del transporte convectivo del que hablamos anteriormente. La velocidad del agua calculada mediante la ley de Darcy (v = K · grad Φ) se denomina velocidad de filtración (o velocidad de Darcy). Sin embargo, la velocidad real de las moléculas de la sustancia disuelta en los poros (velocidad verdadera) es mayor, ya que el agua se mueve solo a través del espacio poroso, y no por toda la sección transversal del suelo (Shukla, 2023). Esta relación se expresa mediante una sencilla proporción:

v_{\text{verdadera}} = \frac{v_{\text{Darcy}}}{\theta}

donde θ es la humedad volumétrica del suelo. Cuanto más seco está el suelo, menor es la sección eficaz para el flujo y mayor es la velocidad real del agua para un mismo gradiente de potencial. Este fenómeno, aparentemente paradójico, es importante a la hora de evaluar la velocidad de lixiviación de sales o contaminantes en condiciones de humedad variable.

Significado cualitativo de la ley de Darcy

Así pues, cualitativamente, la ley de Darcy se puede formular del siguiente modo:

El agua se mueve en el suelo tanto más rápido cuanto mayor es la diferencia de potencial hidráulico por unidad de distancia y cuanto más fácilmente transmite el agua el suelo (es decir, cuanto mayor es su conductividad hidráulica).

Este sencillo principio es la piedra angular de toda la física del agua en el suelo. Permite comprender:

por qué el agua se drena rápidamente de los suelos arenosos (alta K_sat);
por qué los suelos arcillosos permanecen húmedos durante mucho tiempo (baja K en estado no saturado);
por qué después del riego el agua se infiltra rápidamente al principio y luego el proceso se ralentiza (disminución del gradiente y de la conductividad);
por qué al secarse el suelo, a las plantas les resulta cada vez más difícil extraer agua (descenso brusco de K, a pesar del aumento del gradiente).

En el siguiente apartado examinaremos cómo la arquitectura del espacio poroso –su heterogeneidad inherente y su jerarquía– determina no solo la conductividad hidráulica, sino también el carácter de los tres procesos analizados: difusión, convección y dispersión.

6. Influencia de la arquitectura de los poros

El suelo no es simplemente una acumulación aleatoria de partículas minerales, restos orgánicos y huecos. Su espacio poroso posee una arquitectura compleja y jerárquicamente organizada, formada bajo la influencia de la textura, la estructura, la actividad biológica y las cargas externas. Es precisamente esta arquitectura la que determina, en última instancia, cómo exactamente se mueven el agua, los gases y las sustancias disueltas. Mientras que la ley de Darcy y los mecanismos de difusión, convección y dispersión describen los principios generales, la arquitectura de los poros establece los "cauces" concretos a través de los cuales se realizan estos procesos.

Tamaños de los poros: no solo "grandes" y "pequeños"

En edafología se distinguen varias categorías de poros según su diámetro equivalente (Scheffer et al., 2018; Weil & Brady, 2017). Aunque los límites son convencionales, el significado funcional de estas clases es fundamentalmente diferente:

Macroporos (diámetro > 50‑80 µm) – huecos grandes: grietas, galerías de lombrices, canales radiculares, espacios entre agregados. No retienen agua capilar contra la gravedad – tras la lluvia se vacían rápidamente de agua. Su función principal es proporcionar un transporte convectivo rápido (filtración) e intercambio gaseoso con la atmósfera. Sin embargo, a través de estos poros también pueden moverse rápidamente contaminantes disueltos, sin pasar por la matriz del suelo (flujo preferencial).

Mesoporos (diámetro de 0,2 a 50‑80 µm) – son los poros capilares principales, donde el agua se retiene contra la gravedad, pero sigue estando disponible para las plantas. Es en ellos donde se produce el principal transporte convectivo de agua y sustancias disueltas en estado no saturado, así como la difusión eficaz de iones hacia las raíces. Esta clase de poros determina la capacidad de retención de agua y la conductividad hidráulica del suelo en el rango de humedad comprendido entre la capacidad de campo y el punto de marchitez (Eash et al., 2016).

Microporos (diámetro < 0,2 µm) – los huecos más finos dentro de los microagregados y entre las láminas de los minerales arcillosos. El agua en ellos está retenida con mucha fuerza (potencial matricial inferior a –1,5 MPa) y es prácticamente inaccesible para las plantas. Aquí domina la difusión en la película acuosa ligada, que es extremadamente lenta. Sin embargo, es en los microporos donde se produce la adsorción de iones, lo que afecta a su disponibilidad y a la velocidad del flujo difusivo (Marshall et al., 1996).

La tortuosidad, el principal enemigo del transporte rápido

Los poros reales nunca son cilindros rectos. Serpentean, se estrechan, se ensanchan y tienen ramificaciones sin salida. Esta propiedad se denomina tortuosidad. La tortuosidad aumenta la longitud efectiva del camino que debe recorrer una molécula o partícula y ralentiza drásticamente tanto el transporte difusivo como el convectivo (Huang et al., 2012; White, 2006). Los coeficientes de difusión de gases e iones en el suelo son siempre significativamente inferiores a los del aire o el agua libres, precisamente por la tortuosidad. Para cuantificar este efecto se utiliza el factor de tortuosidad –la relación entre la longitud real del camino y la distancia más corta. En suelos agregados con microestructura desarrollada, la tortuosidad es especialmente alta, lo que reduce la velocidad de desplazamiento de los nutrientes, pero al mismo tiempo aumenta el tiempo de contacto de la solución con la fase sólida, favoreciendo la adsorción y la amortiguación.

Doble porosidad: los agregados como "mundos microscópicos" individuales

Muchos suelos estructurales (especialmente en horizontes húmicos) se caracterizan por una doble porosidad (o espacio poroso bimodal). En estos suelos se pueden distinguir dos tipos de poros:

1. Poros entre agregados – espacios grandes entre los agregados (peds). Son las principales vías para la filtración rápida de agua y gases.

2. Poros intraagregados – poros finos dentro de los propios agregados, donde el agua está retenida por fuerzas capilares y el intercambio con la solución externa es lento.

Esta división tiene una enorme importancia práctica. El agua y las sustancias disueltas pueden moverse rápidamente a través de los poros entre agregados (flujo preferencial), casi sin interactuar con el volumen interior de los agregados. Dentro de los agregados, el agua y los iones se mueven mucho más lentamente, y aquí domina la difusión (Foth, 1990; Shukla, 2023). Esta dualidad explica por qué algunos contaminantes pueden llegar a las aguas subterráneas muy rápidamente, mientras que la mayor parte de la solución del suelo permanece en el interior de los agregados y alcanza a sufrir una transformación bioquímica. Este régimen se denomina desequilibrio físico –cuando coexisten simultáneamente en el suelo zonas de transporte "rápido" y "lento" (Radcliffe & Simunek, 2012).

Macroporos y flujo preferencial: "derivación" de sustancias hacia profundidad

La presencia de macroporos, especialmente aquellos que atraviesan el perfil de forma continua (grietas verticales, canales radiculares, galerías de lombrices), cambia radicalmente el panorama del transporte. Durante lluvias torrenciales o riegos, el agua se precipita a través de estas "vías rápidas", sin pasar por la mayor parte de la matriz del suelo. Como resultado, las sustancias disueltas (nitratos, plaguicidas, patógenos) pueden ser transportadas a profundidades de decenas de centímetros o metros en cuestión de horas, algo que no predicen en absoluto las ecuaciones clásicas de convección-dispersión promediadas para todo el perfil (Weil & Brady, 2017; Eash et al., 2016). Este proceso se denomina flujo preferencial (o de derivación). Explica por qué, en condiciones de campo, los contaminantes suelen detectarse en las aguas subterráneas mucho antes y en concentraciones más elevadas de lo que se deduce de experimentos de laboratorio en columnas de suelo intacto sin macroporos.

Influencia de la arquitectura en la difusión, convección y dispersión

Resumamos cómo la arquitectura de los poros modifica cada uno de los tres mecanismos:

Difusión: se ralentiza bruscamente en microporos y canales tortuosos; solo es eficaz en distancias muy cortas (milímetros). En los macroporos, la difusión gaseosa es rápida, pero la difusión iónica en fase líquida es prácticamente inexistente debido al breve tiempo de contacto.
Convección: la velocidad y la dirección del flujo vienen determinadas por el gradiente de potencial hidráulico, pero la velocidad real en los poros varía enormemente: en los macroporos es órdenes de magnitud mayor que en los mesoporos. Es precisamente esta variación la que da lugar a la dispersión.
Dispersión: la magnitud del ensanchamiento dispersivo es directamente proporcional a la heterogeneidad de las velocidades en los poros. Cuanto más contrastada es la arquitectura (por ejemplo, alternancia de agregados densos y grietas anchas), más pronunciada es la dispersión y más tendida resulta la curva de ruptura de la sustancia disuelta (Shukla, 2023).

Así pues, la arquitectura de los poros no es una característica meramente pasiva, sino un regulador activo de todos los procesos migratorios. Determina qué proporción de agua y sustancias disueltas se mueve rápidamente y prácticamente sin contacto con la matriz, y qué proporción lo hace lentamente, con un intenso intercambio y adsorción. Es precisamente por esto que las propiedades físicas del suelo (composición granulométrica, estado estructural, densidad aparente) son factores clave que determinan el abastecimiento hídrico de las plantas, la lixiviación de nutrientes y la seguridad medioambiental de los agroecosistemas. En el siguiente apartado examinaremos cómo todos estos procesos –difusión, convección, dispersión– actúan conjuntamente para crear la imagen real del transporte en el perfil del suelo.

7. Acción conjunta de los procesos

Hasta ahora hemos considerado la difusión, la convección y la dispersión como mecanismos separados. Sin embargo, en el suelo real estos procesos nunca actúan de forma aislada. Es más, no solo coexisten, sino que se interpenetran y se influyen mutuamente, creando una imagen compleja y dinámica del transporte. Comprender esta acción conjunta es la clave para explicar por qué diferentes sustancias se comportan de manera tan distinta en el suelo: los nitratos se lixivian fácilmente, el fósforo permanece en su sitio, los plaguicidas pueden aparecer inesperadamente en las aguas subterráneas y el oxígeno solo penetra hasta la profundidad de la capa activa.

Mecanismo unitario: convección-dispersión-difusión

En términos generales, el flujo total de una sustancia disuelta en el suelo se compone de dos componentes:

1. Componente convectivo – la sustancia es transportada junto con el agua en movimiento (flujo másico). Este proceso domina durante la infiltración activa, el riego y tras las lluvias.

2. Componente dispersivo-difusivo – la sustancia se extiende adicionalmente debido a los gradientes de concentración (difusión) y a la heterogeneidad de las velocidades en los poros (dispersión). Este componente es especialmente importante cuando el agua se mueve lentamente o en condiciones en las que la convección está debilitada (por ejemplo, en suelo seco o en horizontes densos).

En definitiva, el flujo resultante es mayor que la simple suma de estas dos partes, ya que actúan de manera coordinada. En la hidrología del suelo, este proceso combinado se describe mediante la ecuación de convección-dispersión (o ecuación advección-dispersión). Sin fórmulas, su esencia se puede expresar así: el cambio de concentración de una sustancia en cualquier punto del suelo a lo largo del tiempo viene determinado por la velocidad a la que la sustancia es transportada por el flujo de agua, por la velocidad a la que se dispersa (se desdibuja) debido a la difusión y la dispersión, y también teniendo en cuenta las fuentes y sumideros –adsorción, degradación, absorción radicular (Shukla, 2023; Radcliffe & Simunek, 2012). Esta ecuación es la base de todos los modelos modernos de transporte de sales, nitratos, plaguicidas y otros contaminantes.

Interacción con la arquitectura de los poros: adsorción y desequilibrio físico

La arquitectura de los poros no solo determina las velocidades de flujo, sino que también crea las condiciones para el desequilibrio físico. Recordemos que en suelos agregados, el agua en los macroporos entre agregados se mueve rápidamente, mientras que dentro de los agregados lo hace lentamente o permanece casi estancada. Esto conduce a que:

Una sustancia disuelta que entra en el flujo rápido puede ser transportada a una profundidad considerable, prácticamente sin interactuar con el volumen interior de los agregados –transporte preferencial.
Simultáneamente, parte de la sustancia alcanza a difundirse desde los macroporos hacia el interior de los agregados, donde es adsorbida en la superficie de las partículas arcillosas o de la materia orgánica. Este proceso retrasa el movimiento global de la sustancia, ya que la parte adsorbida queda temporalmente excluida del flujo (Weil & Brady, 2017; Foth, 1990).

Así pues, en el suelo coexisten simultáneamente dos zonas de transporte –una "rápida" (macroporos, grietas) y otra "lenta" (espacio intraagregado). El intercambio entre ellas se produce mediante difusión en la interfase, que puede ser muy lenta. Es precisamente esta dualidad la que explica por qué las curvas de lixiviación (elución) de muchas sustancias presentan una característica "cola larga": después de que el pico principal de concentración haya pasado, las concentraciones siguen siendo elevadas durante mucho tiempo, ya que la sustancia se libera lentamente desde las zonas intraagregadas.

Adsorción e interacción química: ¿ralentización o aceleración?

Además del desequilibrio físico, la acción conjunta de los mecanismos de transporte se ve afectada sustancialmente por la interacción química entre la sustancia disuelta y la fase sólida del suelo. Esto es especialmente importante para iones (fosfatos, amonio, potasio, micronutrientes) y algunas moléculas orgánicas (plaguicidas).

Adsorción – la atracción de iones o moléculas hacia la superficie de las partículas sólidas– puede ser reversible (intercambio iónico) o irreversible (quimisorción). La sustancia adsorbida deja de moverse con el flujo de agua, lo que equivale a una ralentización de la convección. Para describir este efecto en los modelos se utiliza el factor de retardo: indica cuántas veces es menor la velocidad de la sustancia que la velocidad del agua. Para aniones débilmente adsorbibles (nitratos, cloruros), este factor es cercano a 1; para cationes (amonio, potasio) puede alcanzar 10‑100, y para algunos plaguicidas, aún más (Huang et al., 2012; White, 2006).
Degradación – descomposición de moléculas orgánicas por la acción de microorganismos o reacciones químicas– actúa como un sumidero de la sustancia. Reduce la masa total que se desplaza con el flujo y puede detener por completo la penetración en capas profundas si la velocidad de degradación supera a la velocidad de convección.
Retroalimentación con la humedad: todos estos procesos dependen en gran medida del contenido de agua en el suelo. En suelo húmedo, la difusión es más rápida, la convección más activa y la actividad microbiana mayor –por lo tanto, la degradación también se acelera. Sin embargo, en suelo anegado y anaerobio, algunos procesos (nitrificación) se inhiben, mientras que otros (desnitrificación) se intensifican, cambiando todo el balance del transporte de nitrógeno (Scheffer et al., 2018).

El papel de la raíz viva como "bomba" y "barrera"

Las raíces de las plantas no son observadoras pasivas del transporte. Modifican activamente los flujos de sustancias:

La absorción de agua e iones crea gradientes locales de concentración y potencial, lo que intensifica la difusión y la convección en la rizosfera. La planta actúa como una potente "bomba", atrayendo agua y nutrientes hacia la superficie radicular (Foth, 1990; Eash et al., 2016).
La exudación de exudados radiculares modifica la composición química de la solución (pH, ácidos orgánicos), lo que puede influir en la adsorción y la solubilidad de los elementos.
El compactación física por las raíces y la formación de canales radiculares crean una macroporosidad adicional, lo que intensifica el flujo preferencial, pero al mismo tiempo puede mejorar la aireación.
Al mismo tiempo, las raíces pueden actuar como una barrera biológica, absorbiendo una parte significativa de los nitratos móviles y reduciendo así su lixiviación más allá de la zona radicular. Esto es especialmente importante en los agroecosistemas, donde una gestión adecuada de los plazos y las dosis de fertilización permite minimizar las pérdidas de nitrógeno (Weil & Brady, 2017).

Integración: de los mecanismos a la predicción

Así pues, la acción conjunta de los procesos de transporte en el suelo se puede representar como un transportador en el que operan varios mecanismos:

1. La convección proporciona el transporte a larga distancia de la sustancia con el flujo de agua.

2. La dispersión estira el frente de concentración debido a la heterogeneidad de las velocidades en los distintos poros.

3. La difusión iguala los gradientes a nivel microscópico, especialmente en zonas de flujo lento.

4. La adsorción y las reacciones químicas (degradación, transformación) eliminan parcialmente la sustancia del flujo o modifican su forma, lo que afecta a la velocidad y a la profundidad de penetración.

5. La arquitectura de los poros establece las escalas espaciales de todos estos procesos, determinando la proporción entre vías rápidas y lentas.

6. La actividad biológica (raíces, microorganismos) crea fuentes y sumideros adicionales, modificando las condiciones locales.

Es precisamente la comprensión integral de estas interrelaciones lo que permite al agrónomo, al ecólogo o al especialista en riego no solo constatar la lixiviación de sustancias, sino también gestionar este proceso: elegir los plazos óptimos de riego, ajustar las dosis de fertilizantes, crear zonas tampón, utilizar abonos verdes para fijar el nitrógeno móvil. En el siguiente y último apartado, pasaremos de los principios generales a ejemplos concretos y bien estudiados del movimiento del agua, el oxígeno, los nitratos y los plaguicidas –aquellos casos prácticos que todo agrónomo encuentra en su trabajo.

8. Ejemplos prácticos

Ahora que hemos examinado los mecanismos fundamentales de la transferencia de masa y sus interrelaciones, pasemos a ejemplos concretos y bien estudiados del movimiento de sustancias en el perfil del suelo. Analizaremos cuatro casos clave para la agronomía y la ecología: agua, oxígeno, nitratos y plaguicidas. Cada uno de ellos muestra una proporción particular de difusión, convección y dispersión, así como una sensibilidad a la arquitectura de los poros y a las interacciones químicas.

1. Agua: el principal "transportador"

El movimiento del agua en el suelo es un ejemplo clásico de transporte convectivo que obedece a la ley de Darcy. Sin embargo, el carácter de este movimiento cambia radicalmente en función de la humedad y la estructura del suelo.

En suelo saturado (tras lluvias torrenciales, riego o en la zona freática), todos los poros están llenos de agua. La fuerza impulsora es principalmente el gradiente gravitacional, y la conductividad hidráulica es máxima. El agua se filtra rápidamente hacia abajo, arrastrando todas las sustancias solubles. Este proceso se denomina percolación, y es el responsable de la mayor parte de la lixiviación de nitratos, sulfatos y cloruros de la zona radicular (Eash et al., 2016; White, 2006).

En suelo no saturado –estado típico en el período entre riegos– el agua se mueve a través de capilares finos y películas bajo la acción del gradiente matricial. La conductividad hidráulica disminuye bruscamente al reducirse la humedad, por lo que el flujo se vuelve lento. Sin embargo, es en este régimen donde el agua puede moverse horizontalmente e incluso hacia arriba –por ejemplo, durante el ascenso capilar desde el nivel freático (Marshall et al., 1996; Scheffer et al., 2018). Este proceso es fundamental para el suministro de agua a las plantas en períodos secos.

La influencia de los macroporos cambia radicalmente el panorama. En suelos estructurales (especialmente en chernozems, suelos grises forestales), el agua puede infiltrarse rápidamente a través de grietas, canales radiculares y galerías de lombrices, sin pasar por la mayor parte de la matriz. Este fenómeno –flujo preferencial– explica por qué, tras una lluvia intensa, la humedad puede alcanzar horizontes profundos en horas, y no en días, como predicen los modelos basados en parámetros promediados (Weil & Brady, 2017). Para el agrónomo, esto significa que las dosis y los plazos de riego deben tener en cuenta no solo la capacidad de retención de agua media, sino también el estado estructural del suelo.

2. Oxígeno: un "límite" difusivo para las raíces

El oxígeno es una de las pocas sustancias gaseosas cuyo movimiento en el suelo está determinado casi exclusivamente por la difusión en la fase gaseosa. El transporte convectivo de oxígeno (por ejemplo, con el flujo de aire) es despreciable en condiciones normales, salvo en casos de viento fuerte en la superficie o fluctuaciones barométricas.

Fuerza impulsora – el gradiente de presión parcial (o concentración) de oxígeno entre la atmósfera (20,9 %) y el aire del suelo, donde el oxígeno es consumido por raíces y microorganismos. Cuanto más intensa es la respiración, mayor es el gradiente y más rápida es la difusión (Huang et al., 2012; Foth, 1990).

El principal factor limitante es la humedad. El coeficiente de difusión del oxígeno en el aire es aproximadamente 10 000 veces mayor que en el agua. Por lo tanto, cuando los poros se llenan de agua (tras el riego, en suelos anegados), la difusión se ralentiza bruscamente y las raíces pueden sufrir deficiencia de oxígeno (hipoxia). Es precisamente por esto que en suelos arcillosos y mal drenados las plantas sufren por falta de aire, a pesar de la abundancia de humedad (Scheffer et al., 2018).

El papel de los macroporos en la aireación es difícil de sobrestimar. Los canales radiculares y las galerías de lombrices proporcionan un intercambio gaseoso rápido entre la atmósfera y los horizontes profundos, creando "chimeneas de ventilación". En suelos compactados y sin estructura, esta red se ve alterada y la profundidad de penetración del oxígeno puede limitarse a unos pocos centímetros (Eash et al., 2016). Para el agrónomo, esto significa que mantener una buena estructura del suelo no solo es garantía de permeabilidad al agua, sino también una condición necesaria para la respiración de las raíces y la actividad microbiana aerobia.

3. Nitratos: un "blanco" móvil para la lixiviación

El nitrógeno nítrico (NO₃⁻) es uno de los iones más móviles del suelo. Se adsorbe débilmente en las superficies de carga negativa de las partículas arcillosas y de la materia orgánica (repulsión aniónica). Por lo tanto, su comportamiento está determinado principalmente por la convección con el agua y la dispersión.

Mecanismo de transporte principal – el flujo másico con el agua. Durante el riego o las precipitaciones, los nitratos se lixivian fácilmente hacia abajo a través del perfil, especialmente desde los horizontes superiores, bien lavados. Esto crea un grave problema medioambiental: la contaminación por nitratos de las aguas subterráneas y de las masas de agua superficiales (Foth, 1990; Weil & Brady, 2017).

Papel de la difusión – secundario, pero no despreciable. En suelo seco o en zonas de flujo lento (dentro de los agregados), la difusión garantiza la igualación de las concentraciones y el aporte de nitratos a las raíces cuando la convección está debilitada (Shukla, 2023).

Factores que ralentizan la lixiviación:

Absorción radicular – las plantas pueden absorber hasta el 80‑90 % del nitrógeno nítrico de la zona radicular si su sistema radicular está bien desarrollado y la aplicación de fertilizantes coincide con el crecimiento activo (Eash et al., 2016).
Desnitrificación – en condiciones anaerobias (anegamiento), los nitratos pueden reducirse a nitrógeno gaseoso (N₂) y volatilizarse, reduciendo parcialmente la carga sobre las aguas subterráneas.
Difusión intraagregada – en suelos estructurales, parte de los nitratos puede difundirse al interior de los agregados y quedar retenida temporalmente allí, lo que reduce su arrastre con el flujo rápido por los macroporos (Radcliffe & Simunek, 2012).

Para el agrónomo, esto significa que la gestión del régimen de nitratos requiere un equilibrio preciso entre las dosis de aplicación, los plazos y el régimen hídrico. La aplicación fraccionada de fertilizantes nitrogenados en pequeñas dosis durante el crecimiento activo es una forma eficaz de minimizar las pérdidas.

4. Plaguicidas: un complejo "rompecabezas" de adsorción, degradación y flujo preferencial

Los plaguicidas son moléculas orgánicas cuyo comportamiento en el suelo está determinado simultáneamente por varios procesos: convección, difusión, dispersión, pero sobre todo –adsorción y degradación.

Adsorción – el factor clave que determina la movilidad del plaguicida. Cuanto mayor es su afinidad por la materia orgánica del suelo (coeficiente de reparto K_oc), más fuertemente es retenido en la fase sólida y más lentamente se mueve con el agua. Este fenómeno se describe mediante el factor de retardo: indica cuántas veces es menor la velocidad del plaguicida que la velocidad del flujo de agua. Para compuestos fuertemente adsorbibles (por ejemplo, el DDT), el retardo puede alcanzar cientos y miles de veces, y prácticamente no migran (Huang et al., 2012; White, 2006).

Degradación – descomposición del plaguicida por microorganismos o como resultado de reacciones químicas– actúa como un sumidero que reduce la masa total disponible para el transporte. La velocidad de degradación depende de la temperatura, la humedad, el pH y la disponibilidad de oxígeno. En suelos cálidos, húmedos y bien aireados, muchos plaguicidas se degradan en días o semanas, lo que limita considerablemente la profundidad de su penetración (Weil & Brady, 2017).

El papel de los macroporos – es crítico. A pesar de la alta capacidad de adsorción de muchos plaguicidas, pueden ser transportados en profundidad precisamente mediante el flujo preferencial a través de grietas y galerías de lombrices. En este caso, el plaguicida disuelto que se mueve por los poros grandes prácticamente no entra en contacto con la materia orgánica de la matriz, y la adsorción no tiene tiempo de actuar. Esto explica la detección de plaguicidas en aguas subterráneas a profundidades donde su presencia parecería imposible (Eash et al., 2016; Scheffer et al., 2018).

La difusión desempeña un papel en la redistribución del plaguicida desde los macroporos hacia el interior de los agregados, donde puede ser adsorbido o degradado. Este proceso ralentiza la lixiviación, pero también puede dar lugar a la formación de "zonas estancadas" con acumulación de residuos.

Para el agrónomo y el ecólogo, esto significa que la predicción del destino de un plaguicida requiere tener en cuenta no solo sus propiedades químicas, sino también el estado estructural del suelo, las características del régimen hídrico y la actividad biológica.

Resumen final

La transferencia de masa en el suelo no es una suma de procesos inconexos, sino un sistema único y dinámico en el que la convección, la difusión y la dispersión actúan simultáneamente, y su contribución relativa viene determinada por la arquitectura de los poros, las propiedades químicas de la sustancia y los factores biológicos.

El agua se mueve principalmente por convección (ley de Darcy), pero su redistribución depende en gran medida de la humedad y la estructura.
El oxígeno se desplaza casi exclusivamente por difusión, que se ralentiza bruscamente en suelo húmedo.
Los nitratos –aniones móviles– se lixivian fácilmente por flujo convectivo, pero pueden ser retenidos por las raíces o desnitrificados.
Los plaguicidas –ejemplo del comportamiento más complejo, donde la adsorción y la degradación compiten con la convección, y el flujo preferencial puede dar lugar a una penetración sorprendentemente profunda.

Comprender estos patrones no es solo un interés académico. Subyace a la gestión racional de la fertilidad: cálculo de dosis de riego, aplicación fraccionada de fertilizantes, selección de abonos verdes y sistemas de laboreo, evaluación de los riesgos medioambientales de contaminación de las aguas subterráneas. Como escribió un clásico de la edafología, "el agua es la sangre del suelo"; saber cómo se mueve y qué lleva consigo es la clave para el agrónomo competente y el gestor responsable del territorio.

Referencias

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