Servicios ecosistémicos del suelo

Ciclos geológico y biológico

En la naturaleza se distinguen dos ciclos de materia interconectados (Mukha et al., 2003).

Ciclo geológico (grande) — el conjunto de procesos de formación de la corteza terrestre, meteorización de rocas, transporte y sedimentación de masas minerales. Actúa en escalas de tiempo geológico (millones de años) y conduce a la formación de rocas sedimentarias, minerales y relieve.

Ciclo biológico (pequeño) — el uso cíclico de elementos químicos por los organismos vivos. Las plantas extraen del suelo y del agua los elementos minerales, construyen sus tejidos y, después de morir, devuelven estos elementos al suelo, donde vuelven a estar disponibles para nuevas generaciones de plantas (Mukha et al., 2003). El ciclo pequeño se completa en años, décadas y siglos.

El suelo es el lugar donde ambos ciclos se encuentran e interactúan. Es en el suelo donde los productos de la meteorización de las rocas (ciclo geológico) se mezclan con la materia orgánica (ciclo biológico) formando un cuerpo único — bioinerte según la terminología de V. I. Vernadsky (Valkov et al., 2004). En el suelo hay un intercambio constante de elementos entre las fases sólida, líquida, gaseosa y viva.

Esto se manifiesta especialmente en los ciclos del carbono, nitrógeno, fósforo y azufre — elementos que son la base de la vida.

Ciclo del carbono

El carbono es el principal elemento de la materia orgánica. Su ciclo en la naturaleza está determinado en gran medida por la actividad del suelo. Las plantas absorben dióxido de carbono de la atmósfera, fijan el carbono mediante la fotosíntesis y construyen sus tejidos. Parte de ese carbono vuelve al suelo con la hojarasca, las raíces muertas y los exudados radiculares.

En el suelo, los residuos orgánicos son descompuestos por microorganismos e invertebrados del suelo. Como resultado de la mineralización del carbono orgánico se libera CO₂, que regresa a la atmósfera (Weil and Brady, 2017; Scheffer et al., 2018). Este proceso se denomina "respiración del suelo" y es un indicador importante de la actividad biológica.

Sin embargo, no todo el carbono que entra en el suelo se mineraliza rápidamente. Una parte se transforma en sustancias húmicas estables que pueden permanecer en el suelo durante cientos y miles de años. Así, los suelos actúan como un depósito de carbono, retirándolo de la atmósfera por largos períodos. Hablaremos de esto con más detalle en la sección de servicios de regulación.

Es importante destacar que el ciclo del carbono está estrechamente relacionado con el clima: el aumento de la concentración de CO₂ en la atmósfera intensifica el efecto invernadero, y la capacidad de los suelos para acumular carbono puede servir como un mecanismo natural de mitigación (Baldock and Broos, 2012).

Ciclo del nitrógeno

El nitrógeno es uno de los nutrientes clave para las plantas. La mayor parte en los suelos se encuentra en forma orgánica — en el humus, proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos. Solo una pequeña fracción del nitrógeno está presente en formas minerales — nitratos (NO₃⁻) y amonio (NH₄⁺), disponibles para las plantas (Valkov et al., 2004).

El nitrógeno entra al suelo por varias vías:

• con las precipitaciones atmosféricas (nitrógeno fijado como amoníaco y nitratos);
• mediante la fijación biológica del nitrógeno atmosférico por bacterias simbióticas (rizobios de leguminosas) y fijadores de vida libre;
• con residuos vegetales y animales;
• con fertilizantes minerales.

La mineralización del nitrógeno orgánico ocurre a través de la amonificación (conversión de compuestos orgánicos en amoníaco) y la nitrificación (oxidación del amonio a nitratos). Los iones amonio son adsorbidos activamente por el complejo de cambio del suelo, mientras que los nitratos se lavan fácilmente del suelo, lo que los hace disponibles para las plantas pero también crea un riesgo de contaminación de las aguas subterráneas (Valkov et al., 2004).

Por otro lado, el nitrógeno puede perderse del suelo hacia la atmósfera mediante la desnitrificación — reducción de nitratos a nitrógeno molecular, que ocurre en condiciones anaeróbicas. El suelo, por tanto, no solo es una fuente, sino también un regulador del contenido de nitrógeno en la atmósfera.

La relación entre los ciclos del carbono y del nitrógeno se manifiesta a través de la relación C:N en la materia orgánica. Cuanto más estrecha es esta relación (es decir, más nitrógeno en relación con el carbono), más rápida es la mineralización y más nitrógeno se libera para las plantas. En promedio, la relación C:N de la materia orgánica del suelo es de aproximadamente 10–12:1 (Baldock and Broos, 2012; Weil and Brady, 2017).

Ciclo del fósforo

El fósforo es otro elemento crítico para todos los organismos vivos, presente en el ATP, los ácidos nucleicos y los fosfolípidos de membrana. A diferencia del carbono y el nitrógeno, no hay fase atmosférica para el fósforo; su ciclo está principalmente confinado a la litosfera y la biosfera.

La principal fuente de fósforo en los suelos son los minerales apatito y fosforita, contenidos en las rocas. Al meteorizarse, liberan fósforo en forma de iones ortofosfato (H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻). Sin embargo, la solubilidad de estos iones es baja, y la mayor parte del fósforo en el suelo se encuentra como sales poco solubles — fosfatos de calcio en suelos alcalinos y fosfatos de hierro y aluminio en suelos ácidos (Valkov et al., 2004).

El fósforo es absorbido activamente por las plantas y se acumula en los horizontes superiores, ricos en humus. En forma orgánica está representado por fitina, ácidos nucleicos y fosfolípidos. La mineralización del fósforo orgánico se realiza con la participación de enzimas — fosfatasas secretadas por microorganismos y raíces de plantas (Valkov et al., 2004). Así, el ciclo del fósforo depende en gran medida de la actividad biológica del suelo.

Dado que el fósforo apenas se transporta con el agua en forma soluble a largas distancias, sus reservas en el suelo pueden agotarse rápidamente en la agricultura intensiva si no se reponen con fertilizantes. Por lo tanto, los suelos son el principal reservorio de fósforo para los ecosistemas terrestres.

Ciclo del azufre

El azufre es otro elemento esencial, presente en aminoácidos (cisteína, metionina), vitaminas y coenzimas. Las principales formas de azufre en los suelos son la orgánica (en proteínas, aminoácidos) y la mineral (sulfatos SO₄²⁻, sulfuros, azufre elemental). El azufre entra con las precipitaciones, por meteorización de minerales sulfurados y por descomposición de residuos orgánicos (Baldock and Broos, 2012; Weil and Brady, 2017).

Una característica importante del ciclo del azufre es su doble naturaleza: en condiciones oxidantes predominan los sulfatos, fácilmente solubles y disponibles para las plantas; en condiciones reductoras (en suelos anegados) predominan los sulfuros, que pueden ser tóxicos y contribuir a la formación de sulfuro de hidrógeno.

Los suelos regulan no solo la disponibilidad de azufre para las plantas, sino también su liberación a la atmósfera en forma de compuestos volátiles (sulfuro de hidrógeno, dimetilsulfuro), lo que afecta la acidez de las precipitaciones y los procesos climáticos (Baldock and Broos, 2012).

Integración de los ciclos en el sistema suelo

La peculiaridad del suelo como cuerpo natural es que todos estos ciclos ocurren simultánea e interconectadamente en el mismo espacio — en los poros, en la superficie de las partículas coloidales, en las biopelículas (Weil and Brady, 2017). Por ejemplo, la descomposición de la materia orgánica (ciclo del carbono) libera simultáneamente nitrógeno, fósforo y azufre en formas disponibles para las plantas. Los microorganismos que participan en la mineralización utilizan el carbono como fuente de energía y necesitan nitrógeno, fósforo y azufre para construir sus cuerpos. Por tanto, las proporciones de estos elementos en el sustrato determinan la intensidad y la dirección de los procesos.

Es en el suelo donde se mantiene un equilibrio dinámico entre la inmovilización de elementos en la materia orgánica y su liberación en formas minerales. Gracias a ello, las plantas reciben nutrientes no de forma episódica, sino continua, en un ritmo acorde con sus necesidades fisiológicas. Esta capacidad de los suelos para autorregular el ciclo de elementos es uno de los servicios ecosistémicos de apoyo más importantes.

Factores de la formación del suelo

La base de la comprensión moderna de la formación del suelo fue establecida por V. V. Dokuchaev y desarrollada por H. Jenny (Jenny, 1941). Según su concepto, el suelo es función de cinco factores:

1. Roca madre — el sustrato a partir del cual se forma el suelo. Puede ser un sedimento no consolidado (aluvión, loess, morrena) o una corteza de meteorización de rocas duras. La composición de la roca madre determina la composición mineralógica y granulométrica del futuro suelo, así como sus propiedades químicas.

2. Clima — determina los regímenes hídrico y térmico, que a su vez afectan la velocidad de las reacciones químicas, la actividad biológica y la dirección de los procesos edáficos. Así, en condiciones húmedas predominan el lavado y la podsolización, mientras que en condiciones áridas predominan la acumulación de carbonatos y la salinización (Scheffer et al., 2018).

3. Organismos (vegetación, animales, microorganismos) — el principal factor biótico. Las plantas aportan materia orgánica; los sistemas radiculares aflojan y transforman químicamente la roca; los microorganismos y animales del suelo participan en el procesamiento de la materia orgánica, la formación de humus y la estructura (Weil and Brady, 2017).

4. Relieve — redistribuye la humedad y el calor en el paisaje. En las laderas, el agua escurre, provocando erosión y reduciendo el lavado; en las depresiones, se estanca, creando condiciones hidromórficas (Scheffer et al., 2018).

5. Tiempo — la duración de la acción de los demás factores. La formación del suelo es un proceso muy lento; se necesitan miles o decenas de miles de años para formar un perfil diferenciado.

En las interpretaciones modernas, especialmente con el concepto del Antropoceno, se añade a estos factores la actividad humana, que altera cada vez más los suelos a través de la agricultura, la mejora, la contaminación y la urbanización (Richter and Tugel, 2012). Así, la fórmula de la formación del suelo adquiere la forma (Scheffer et al., 2018; Richter and Tugel, 2012):

Procesos edáficos elementales

La interacción de estos factores desencadena una serie de procesos edáficos elementales, que se pueden agrupar en cuatro categorías (según Simonson, 1959, citado en Richter and Tugel, 2012):

• Adición — entrada al suelo de material orgánico (hojarasca, exudados radiculares), partículas minerales (polvo, sedimentos), soluciones;
• Pérdidas — eliminación de sustancias del suelo por erosión, lavado, mineralización y emisión de gases;
• Transformación — cambios químicos y biológicos de la materia dentro del suelo: destrucción de minerales, síntesis de minerales secundarios, humificación, oxidación‑reducción;
• Translocación — movimiento de sustancias dentro del perfil del suelo con el agua (eluviación, iluviación), bioturbación, crioturbación, mezcla.

Estos procesos ocurren simultáneamente y con distinta intensidad en diferentes horizontes. Su resultado es la formación del perfil del suelo — una secuencia de horizontes genéticos que difieren en color, estructura, composición química y otras características (Valkov et al., 2004; Mukha et al., 2003).

Materia orgánica y humificación

Un lugar especial en la formación del suelo lo ocupa la transformación de los residuos vegetales y animales en humus. La humificación es un proceso bioquímico complejo que da lugar a compuestos orgánicos específicos propios de los suelos: ácidos húmicos, ácidos fúlvicos y huminas (Valkov et al., 2004). El humus da al suelo su característico color oscuro, determina su capacidad de intercambio catiónico, su retención de agua y su estado estructural.

Las teorías modernas de la humificación (M. M. Kononova, L. N. Alexandrova, D. S. Orlov) distinguen varias etapas de este proceso (Valkov et al., 2004):

1. Descomposición de compuestos orgánicos primarios (celulosa, lignina, proteínas) por enzimas microbianas;

2. Transformación oxidativa de los productos de descomposición para formar estructuras aromáticas reactivas;

3. Condensación de estas estructuras con aminoácidos y otros componentes nitrogenados para formar ácidos húmicos de alto peso molecular;

4. Mineralización gradual de parte de las sustancias húmicas y renovación simultánea mediante nuevos aportes.

Las sustancias húmicas desempeñan un papel central en todas las demás funciones de apoyo y regulación de los suelos: mejoran la estructura, aumentan la capacidad de retención de agua, proporcionan capacidad de intercambio catiónico, sirven como fuente de nutrientes de liberación lenta y almacenan carbono (Baldock and Broos, 2012; Weil and Brady, 2017).

La formación del suelo como servicio ecosistémico

Desde la perspectiva de los servicios ecosistémicos, la formación del suelo es el proceso de creación y mantenimiento de un hábitat para todos los organismos terrestres. Sin él no habría suelos fértiles, ni vegetación sostenible, ni toda la cadena alimentaria, incluido el ser humano.

Sin embargo, la formación del suelo es extremadamente lenta. Según diversas estimaciones, se necesitan de 100 a 400 años para formar 1 cm de horizonte húmico en climas templados (Scheffer et al., 2018). Esto significa que las pérdidas de suelo debidas a la erosión o al uso insostenible no pueden compensarse naturalmente en un futuro previsible. El suelo es, por tanto, un recurso no renovable en la escala de la vida humana.

Precisamente por ello, mantener el curso natural del proceso de formación del suelo es una tarea fundamental del uso sostenible de la tierra. En la agricultura, el ser humano puede acelerar algunas etapas de la formación del suelo (por ejemplo, añadiendo materia orgánica), pero no puede reemplazar todo el complejo de procesos que ocurren en el suelo natural. Comprender esta limitación es la base de los enfoques modernos sobre la salud del suelo y su protección.

Influencia antrópica en la formación del suelo

En los últimos siglos, el ser humano se ha convertido en un poderoso factor de formación del suelo. El arado, la fertilización y la enmienda, el drenaje, la urbanización y la contaminación cambian la velocidad y la dirección de los procesos edáficos (Richter and Tugel, 2012). Como resultado, se forman suelos antropogénicamente transformados (agrosuelos, suelos urbanizados, suelos recuperados) con horizontes y propiedades específicos (Mukha et al., 2003).

Por un lado, el uso agrícola puede mejorar algunas propiedades del suelo (por ejemplo, aumentar el contenido de humus con un manejo adecuado). Por otro lado, a menudo conduce a la degradación: pérdida de materia orgánica, compactación, salinización, erosión. A escala global, la degradación antrópica de los suelos supera hoy la formación natural del suelo, lo que constituye una amenaza para la seguridad alimentaria y la estabilidad de los ecosistemas (Richter and Tugel, 2012; Weil and Brady, 2017).

Así, el servicio de apoyo de la formación del suelo requiere hoy una gestión consciente: no solo hay que utilizar la fertilidad, sino también apoyar los procesos de su restauración, de lo contrario corremos el riesgo de perder para siempre este inestimable patrimonio natural.

En la siguiente sección pasaremos a los servicios de regulación — cómo los suelos gestionan los flujos de agua, carbono, contaminantes y, con ello, mantienen la calidad ambiental de la que depende directamente la salud de las personas y los ecosistemas.

Mecanismos de filtración

La purificación del agua en el suelo se produce mediante una combinación de mecanismos físicos, químicos y biológicos (Valkov et al., 2004; Weil and Brady, 2017):

1. Filtración mecánica. El suelo actúa como un "tamiz": los poros grandes retienen partículas en suspensión, granos de arena y residuos orgánicos, mientras que los poros más pequeños retienen partículas coloidales más finas. Este proceso se denomina capacidad de absorción mecánica. Es especialmente evidente en las llanuras aluviales durante las crecidas, cuando el agua deja una fina capa de aluvión en la superficie del suelo (Valkov et al., 2004).

2. Adsorción física. Los coloides del suelo (minerales arcillosos y humus) tienen una enorme superficie específica. En la superficie de estos coloides pueden retenerse no solo iones, sino también moléculas enteras, incluidos contaminantes orgánicos. Los tensioactivos se concentran en la interfase, eliminándose de la solución (Valkov et al., 2004).

3. Precipitación química. En la solución del suelo pueden producirse reacciones químicas que conducen a la formación de compuestos poco solubles que precipitan. Por ejemplo, los fosfatos se unen a iones de calcio, hierro o aluminio; los metales pesados forman hidróxidos o carbonatos insolubles (Valkov et al., 2004).

4. Intercambio iónico. El complejo de cambio del suelo puede retener cationes de la solución mediante intercambio, reemplazándolos por otros. Así, al infiltrarse el agua a través del suelo, se eliminan los cationes en exceso (por ejemplo, metales pesados) y pasan a la solución cationes intercambiables (calcio, magnesio, potasio). Esto regula la composición salina del agua (Valkov et al., 2004).

5. Depuración biológica. Los microorganismos del suelo y las raíces de las plantas absorben y transforman activamente diversas sustancias orgánicas e inorgánicas. Bacterias y hongos descomponen moléculas orgánicas complejas (plaguicidas, hidrocarburos, fenoles) en compuestos simples no tóxicos. Este proceso se denomina capacidad de absorción biológica y se caracteriza por una gran selectividad — diferentes especies microbianas se especializan en diferentes contaminantes (Valkov et al., 2004; Weil and Brady, 2017).

Importancia para la calidad de los recursos hídricos

Gracias a estos mecanismos, el agua que atraviesa el suelo se vuelve mucho más limpia. Este proceso permite utilizar las aguas subterráneas como fuente de agua potable (Weil and Brady, 2017). Los antiguos ya notaron que el agua filtrada a través de la tierra se vuelve dulce: el poeta romano Lucrecio escribió que el agua del mar, al pasar por el "espesor de la tierra", deja en él "partes amargas" y se vuelve dulce (Valkov et al., 2004).

La función filtrante de los suelos es especialmente importante en los sistemas de depuración de aguas residuales. Los campos de filtración artificiales utilizados en pequeñas localidades son esencialmente sistemas edáficos a través de los cuales se hacen pasar las aguas residuales. En el suelo se produce su depuración biológica gracias a la acción de los microorganismos y los procesos físico‑químicos (Valkov et al., 2004).

Sin embargo, la capacidad de filtración de los suelos no es ilimitada. Cuando se superan las cargas admisibles (por ejemplo, por aplicación excesiva de fertilizantes o contaminantes), el suelo deja de funcionar y los contaminantes llegan a las aguas subterráneas. Por eso, proteger los suelos de la contaminación es también proteger los recursos hídricos.

Filtración y erosión

La erosión — la destrucción de la cubierta edáfica por el agua o el viento — reduce drásticamente la capacidad de filtración. El agua no se infiltra profundamente, sino que escurre superficialmente, arrastrando partículas de suelo. Así se crea un círculo vicioso: la erosión empeora la filtración, y el empeoramiento de la filtración intensifica la erosión.

Por tanto, proteger los suelos de la erosión es también proteger los recursos hídricos de la contaminación por sólidos en suspensión y sustancias químicas (Richter and Tugel, 2012; Weil and Brady, 2017).

Amortiguación química (frente al pH)

El suelo contiene numerosas sustancias capaces de fijar o neutralizar iones de hidrógeno (ácidos) e iones hidroxilo (álcalis). Esto se manifiesta en la capacidad del suelo para mantener el pH en límites relativamente estables a pesar de la entrada de lluvia ácida, fertilizantes u otras sustancias (Valkov et al., 2004; Weil and Brady, 2017).

Los principales componentes que proporcionan la amortiguación del pH son:

• Carbonatos de calcio y magnesio (CaCO₃, MgCO₃) — amortiguadores fuertes que actúan en rangos alcalinos y neutros. Neutralizan los ácidos con liberación de CO₂:

Gracias a ello, los suelos ricos en carbonatos son resistentes a la acidificación (Valkov et al., 2004).

• Sustancias húmicas — contienen grupos carboxilo (-COOH) y fenólicos (-OH) que pueden disociarse liberando H⁺ (en medios ácidos) o fijar H⁺ (en medios alcalinos). La capacidad de intercambio catiónico del humus es de 400–800 meq/100 g (Valkov et al., 2004), lo que lo convierte en un poderoso amortiguador.

• Minerales arcillosos — especialmente los silicatos laminares (montmorillonita, vermiculita), que pueden intercambiar cationes y fijar tanto H⁺ como cationes básicos, regulando el pH de la solución.

La capacidad amortiguadora de los suelos depende de su composición. Los suelos ricos en humus y minerales arcillosos (chernozems, suelos soddy) tienen una alta amortiguación, mientras que los suelos arenosos con bajo contenido orgánico tienen baja amortiguación.

Amortiguación frente a contaminantes

Los suelos pueden fijar e inactivar muchas sustancias tóxicas:

• Metales pesados (plomo, cadmio, cobre, zinc) pueden fijarse fuertemente a los coloides orgánicos y arcillosos, pasando a formas poco disponibles. Esto evita su absorción por las plantas y su lixiviación a las aguas subterráneas (Valkov et al., 2004).

• Contaminantes orgánicos (plaguicidas, hidrocarburos, fenoles) se adsorben en la materia orgánica y pueden ser degradados por microorganismos. Sin embargo, este proceso puede ser lento, y parte de los contaminantes permanecen en el suelo durante mucho tiempo (Richter and Tugel, 2012).

Amortiguación biológica

La comunidad de organismos del suelo es capaz de adaptarse a condiciones cambiantes. Ante una contaminación moderada o un cambio de pH, algunas especies microbianas mueren, pero otras, más tolerantes, ocupan su lugar y continúan realizando las funciones de descomposición y transformación de sustancias. Esto hace que el ecosistema edáfico sea más resistente a los perturbaciones que muchos otros ecosistemas (Weil and Brady, 2017).

Sin embargo, la amortiguación biológica tiene sus límites. Bajo un impacto fuerte o prolongado, la estructura de la comunidad microbiana puede colapsar y el suelo perder sus funciones de autodepuración. Este es uno de los signos de degradación del suelo.

Magnitud del almacenamiento de carbono en los suelos

Según estimaciones, los suelos del mundo contienen entre 1200 y 1550 Pg de carbono en el metro superior, y entre 2300 y 2450 Pg en la capa de hasta 2–3 m (Baldock and Broos, 2012). Estas cifras son impresionantes: los suelos contienen de 2 a 3 veces más carbono que la atmósfera (unos 760 Pg) y de 4 a 5 veces más que la biomasa vegetal (unos 560 Pg).

El carbono entra al suelo principalmente a través de los residuos vegetales: hojarasca, raíces muertas, exudados radiculares. Durante la descomposición por microorganismos, la mayor parte de este carbono regresa a la atmósfera como CO₂ ("respiración del suelo"). Pero una parte del carbono orgánico queda "secuestrada" en el suelo durante largos períodos — es el llamado carbono orgánico estable (Baldock and Broos, 2012).

Formas y estabilidad del carbono edáfico

El carbono orgánico en los suelos puede dividirse en varios compartimentos según el tiempo de renovación (Baldock and Broos, 2012; Weil and Brady, 2017):

• Carbono lábil (de recambio rápido) — azúcares simples, ácidos orgánicos, residuos vegetales frescos. Su vida media oscila entre días y varios años. Este compartimento es el más activo en la nutrición microbiana y determina la actividad biológica actual del suelo.

• Carbono moderadamente estable — productos de descomposición parcial, sustancias húmicas de condensación media. Tiempo de renovación: décadas. Este compartimento es importante para mantener la estructura del suelo y sus propiedades físico‑hídricas.

• Carbono estable (recalcitrante) — sustancias húmicas muy condensadas, así como carbono negro (carbón vegetal, hollín, grafito). Tiempo de renovación: cientos y miles de años. El carbono negro es especialmente resistente a la descomposición; se forma en incendios y puede representar hasta el 60 % del carbono orgánico en algunos suelos (Baldock and Broos, 2012).

Mecanismos de estabilización del carbono en los suelos

¿Por qué una parte del carbono orgánico no se descompone sino que persiste en el suelo durante siglos? Los científicos distinguen tres mecanismos principales de estabilización (Baldock and Broos, 2012; Weil and Brady, 2017):

1. Recalcitrancia química — algunas estructuras orgánicas (lignina, ceras, resinas, carbono negro) son muy resistentes a la descomposición enzimática debido a la complejidad de sus enlaces. Sin embargo, este mecanismo a menudo se sobrestima: muchas sustancias "recalcitrantes" son finalmente degradadas por microorganismos con el tiempo y en condiciones adecuadas.

2. Protección física — la materia orgánica puede quedar "oculta" dentro de los agregados (micro y macroagregados), en poros finos donde los microorganismos o sus enzimas no pueden penetrar. Según el modelo jerárquico de la estructura del suelo (Tisdall and Oades, 1982), los agregados pequeños (< 20 µm) se forman a partir de coloides orgánicos e inorgánicos, y la materia orgánica en su interior es prácticamente inaccesible a la descomposición (Ghezzehei, 2012).

3. Unión química con minerales — las sustancias orgánicas pueden adsorberse en la superficie de partículas arcillosas, óxidos de hierro y aluminio, formando complejos organominerales estables. Estos complejos protegen la materia orgánica de la acción enzimática. Esta estabilización es especialmente pronunciada en suelos con alto contenido de óxidos amorfos de Al y Fe (por ejemplo, en Andisoles), donde el carbono orgánico puede persistir durante mucho tiempo (Baldock and Broos, 2012).

Importancia para la regulación climática

La gestión de las reservas de carbono en los suelos es una de las herramientas clave en la lucha contra el cambio climático. Si se aumentara el contenido de carbono orgánico en los suelos en un 0,4 % anual, se podría compensar una parte significativa de las emisiones antropogénicas de CO₂ (iniciativa "4 por 1000"). Sin embargo, es importante recordar que la capacidad de los suelos para acumular carbono es limitada: para cada tipo de suelo existe un límite de saturación de carbono determinado por sus propiedades físicas y químicas (Baldock and Broos, 2012).

Así, el almacenamiento de carbono no es un recurso infinito, pero sí un mecanismo regulador muy importante. Un uso adecuado del suelo (minimizar el laboreo, aplicar fertilizantes orgánicos, mantener la cubierta vegetal) puede aumentar significativamente el contenido de carbono en los suelos y, con ello, mitigar el cambio climático.

Infiltración y filtración

La infiltración es el proceso de entrada del agua en el suelo desde la superficie. Depende de la permeabilidad del suelo — su capacidad para transmitir agua a través de su sistema de poros (Valkov et al., 2004). La permeabilidad depende de:

• Composición granulométrica: los suelos arenosos tienen alta permeabilidad (hasta 1000 mm/h o más), los arcillosos baja (menos de 30 mm/h). Los francos ocupan una posición intermedia (Valkov et al., 2004).
• Estado estructural: los suelos bien estructurados (granulares, migajosos) tienen un sistema de poros grandes por los que el agua se desplaza rápidamente hacia el interior; los suelos sin estructura (masivos, compactos) tienen baja permeabilidad y a menudo forman costras superficiales que dificultan la infiltración (Ghezzehei, 2012; Weil and Brady, 2017).
• Humedad: el suelo húmedo transmite el agua más lentamente que el seco, porque parte de los poros ya están ocupados por agua.

Una alta permeabilidad es beneficiosa para los ecosistemas: el agua se infiltra rápidamente, recargando las aguas subterráneas y evitando la escorrentía superficial. Sin embargo, si el suelo es demasiado arenoso, el agua puede filtrarse demasiado profundamente y resultar inaccesible para las plantas.

La filtración es el movimiento del agua dentro del perfil del suelo una vez finalizada la infiltración, cuando todos los poros están llenos de agua. La filtración determina qué cantidad de agua alcanza los horizontes inferiores y, en última instancia, las aguas subterráneas (Valkov et al., 2004). En condiciones naturales, una parte significativa de las precipitaciones se filtra a través del suelo, recargando los acuíferos.

Capacidad de retención de agua

El suelo puede retener una cierta cantidad de agua que luego puede ser utilizada por las plantas. Esta capacidad se denomina capacidad de retención de agua y se expresa cuantitativamente mediante varias constantes hidrológicas (Valkov et al., 2004):

• Capacidad total de retención (CTR) — cantidad máxima de agua que el suelo puede retener cuando todos los poros están completamente llenos. Este estado corresponde a la saturación total, cuando el agua comienza a drenar por gravedad.

• Capacidad de campo (CC) — cantidad de agua que queda en el suelo después de que el agua gravitacional haya drenado. Es el agua más disponible para las plantas. La capacidad de campo varía del 5–10 % en arenas hasta el 55 % en arcillas pesadas (Valkov et al., 2004).

• Punto de marchitez (PM) — contenido mínimo de humedad con el que las plantas aún no se marchitan. Esta agua está retenida en el suelo con tal fuerza que el sistema radicular no puede extraerla. El punto de marchitez depende del contenido de coloides: cuanto más coloides, mayor es el punto de marchitez (del 2–3 % en arenas al 15–20 % en arcillas) (Valkov et al., 2004).

• Agua útil — el agua comprendida entre CC y PM. Esta es el agua disponible para las plantas y determina su resistencia a la sequía (Valkov et al., 2004).

Es interesante que la materia orgánica del suelo contribuya a aumentar la capacidad de retención. El humus es un coloide hidrófilo capaz de absorber agua en cantidades de 15 a 20 veces su propio peso (Weil and Brady, 2017). Por ello, los suelos ricos en humus (chernozems, suelos soddy) retienen mejor la humedad y soportan mejor los períodos secos.

Protección contra sequías e inundaciones

La función reguladora de los suelos en el régimen hidrológico se manifiesta a nivel de paisajes enteros:

• Protección contra inundaciones. Los suelos con alta capacidad de infiltración absorben rápidamente el agua de lluvia y el deshielo, ralentizando la escorrentía y reduciendo los picos de crecida. Son los bosques y los pastizales los que desempeñan este papel: sus suelos están bien estructurados y penetrados por raíces, lo que favorece una rápida infiltración. Por el contrario, los suelos perturbados (tierras de cultivo con laboreo profundo, suelos urbanos compactados) pierden esta capacidad y el agua escurre superficialmente, provocando inundaciones (Ghezzehei, 2012).

• Protección contra sequías. Los suelos con alta capacidad de retención acumulan humedad en períodos de exceso y la liberan a las plantas en períodos de déficit. Los suelos profundos y ricos en humus pueden contener reservas de agua suficientes para mantener la vegetación durante varios meses sin lluvias. Esto es especialmente importante para bosques, pastizales perennes y regiones áridas (Weil and Brady, 2017).

Ascenso capilar y redistribución de la humedad

Otro aspecto importante es la capacidad del agua para ascender por capilares desde el nivel freático. La altura del ascenso capilar en suelos arcillosos puede alcanzar 2–6 metros, mientras que en suelos arenosos es de solo 40–60 cm (Valkov et al., 2004). El agua sostenida por capilaridad forma una franja capilar sobre el acuífero y sirve como fuente de humedad para las plantas en períodos secos. Sin embargo, en condiciones áridas, el ascenso capilar puede provocar la acumulación de sales en los horizontes superiores si el nivel freático está cerca de la superficie y la evaporación es intensa.

Medio físico para las raíces

Para las plantas, el suelo no es solo una fuente de nutrientes, sino también soporte. Los sistemas radiculares se anclan en el suelo, lo que permite a las plantas mantener su posición vertical, resistir el viento y las precipitaciones. Además, el suelo proporciona a las raíces acceso al agua y al aire, ya que las raíces respiran absorbiendo oxígeno de los poros del suelo (Weil and Brady, 2017).

La estructura del suelo, de la que hablamos en la sección de servicios de apoyo, desempeña aquí un papel decisivo. Un suelo suelto y estructurado permite que las raíces penetren profundamente, explorando grandes volúmenes para obtener agua y nutrientes. Por el contrario, los suelos compactados con densidad aparente superior a 1,4–1,6 g/cm³ se convierten en una barrera infranqueable para las raíces de la mayoría de los cultivos (Valkov et al., 2004; Ghezzehei, 2012).

Suministro de agua a las plantas

El suelo es el reservorio del que las plantas extraen agua durante todo el período vegetativo. El estado ideal para la mayoría de los cultivos es cuando los poros del suelo están llenos aproximadamente por igual de agua y aire (alrededor del 25 % de cada uno en volumen), lo que corresponde a una humedad de alrededor del 60 % de la capacidad de campo (Weil and Brady, 2017; Valkov et al., 2004).

Es importante entender que no toda el agua contenida en el suelo está disponible para las plantas. Como ya se mencionó, distinguimos:

• Agua gravitacional — drena rápidamente hacia abajo y raramente es utilizada por las plantas;
• Agua capilar — retenida en los capilares y es la principal forma de humedad disponible;
• Agua pelicular (débilmente ligada) — disponible, pero su movimiento es muy lento;
• Agua higroscópica (fuertemente ligada) — no disponible para las plantas, ya que está retenida por fuerzas moleculares en la superficie de las partículas coloidales (Valkov et al., 2004).

El punto de marchitez (PM) es el umbral crítico por debajo del cual las plantas ya no pueden extraer agua del suelo y comienzan a marchitarse. Varía entre cultivos y suelos (véase la Tabla 1 en Valkov et al., 2004). Cuantos más coloides (arcilla, humus) tiene el suelo, mayor es el punto de marchitez, pero también mayor es la capacidad de campo, por lo que la reserva total de agua disponible es mayor.

Elementos nutritivos

El suelo es la principal fuente de 14 de los 17 elementos necesarios para el crecimiento de las plantas (Weil and Brady, 2017). Son macronutrientes (nitrógeno, fósforo, potasio, calcio, magnesio, azufre) y micronutrientes (hierro, manganeso, zinc, cobre, molibdeno, boro, cloro, cobalto, níquel).

Según Valkov et al. (2004), la distribución de los elementos en formas en el suelo se asemeja a los activos financieros de una persona (analogía de Weil and Brady, 2017): la mayor parte de los elementos están "bloqueados" en la estructura de minerales y materia orgánica (inversiones a largo plazo), una parte menor está en forma intercambiable en partículas coloidales (inversiones a corto plazo), y solo una fracción minúscula se encuentra directamente en la solución del suelo (efectivo). La tarea del sistema suelo es reponer continuamente el fondo de "efectivo" (disponible para las raíces) a partir de las reservas a corto y largo plazo.

Esto es precisamente la fertilidad del suelo — la capacidad de suministrar continuamente a las plantas los nutrientes en las cantidades y proporciones requeridas (Valkov et al., 2004; Mukha et al., 2003). La fertilidad es lo principal que distingue al suelo de una roca estéril. No es una propiedad constante; es dinámica y depende del equilibrio entre la mineralización (liberación de elementos de la materia orgánica) y la inmovilización (fijación de elementos en la biomasa microbiana y el humus).

Relación entre la fertilidad y otras funciones del suelo

El servicio de abastecimiento de producción de alimentos es impensable sin los servicios de apoyo y regulación. Sin el ciclo de elementos no habría nutrientes; sin amortiguación, el pH se saldría rápidamente de los límites tolerables para los cultivos; sin capacidad de retención de humedad, las plantas morirían en el primer período seco; sin filtración, las raíces sufrirían por los tóxicos. Así, la fertilidad es el resultado integrado del trabajo de todo el sistema suelo.

Fibras

Algodón, lino, cáñamo, yute — todas estas plantas fibrosas se obtienen a partir de cultivos cultivados en suelos. Además de los cultivos alimentarios, los suelos se utilizan para la producción de textiles (el algodón es uno de los principales cultivos del mundo por superficie), cuerdas, arpilleras y tejidos técnicos. La calidad de la fibra depende no solo de la variedad de la planta, sino también de las propiedades del suelo: la humedad adecuada, la disponibilidad de potasio y nitrógeno afectan directamente la longitud y la resistencia de la fibra (Weil and Brady, 2017).

Madera

Los bosques son ecosistemas edáficos. La madera sigue siendo uno de los principales materiales de construcción, fuentes de celulosa, papel y combustible. El crecimiento del bosque está determinado en gran medida por la calidad de los suelos forestales (régimen hídrico, disponibilidad de nutrientes, acidez). Además, los propios bosques son reguladores de los procesos edáficos (Weil and Brady, 2017).

Biocombustibles y bioplásticos

Con el desarrollo tecnológico y el agotamiento de los combustibles fósiles, los suelos se convierten en fuente de materias primas para la producción de biocombustibles (etanol a partir de maíz y caña de azúcar, biodiésel a partir de soja y colza, biogás a partir de residuos de cultivos) y plásticos biodegradables (a partir de almidón de maíz, polímeros de origen vegetal) (Weil and Brady, 2017). Estos productos pueden sustituir a los recursos no renovables, pero esto plantea un serio dilema: utilizar los suelos para la producción de alimentos o para cultivos industriales. Es un desafío ambiental y ético que ya se plantea ante la comunidad mundial.

Recursos medicinales

Muchos medicamentos tienen origen edáfico. Además del uso directo de plantas medicinales, la mayoría de los antibióticos (penicilina, tetraciclina, estreptomicina, eritromicina y muchos otros) son producidos por microorganismos del suelo — bacterias del género Streptomyces, actinomicetos, hongos (Weil and Brady, 2017). Estos microorganismos producen antibióticos como mecanismo de defensa contra competidores en su entorno natural, y el ser humano los utiliza para tratar infecciones.

Los suelos siguen siendo la fuente más importante para el descubrimiento de nuevos compuestos bioactivos. Cada año se descubren en los suelos nuevas especies de microorganismos que producen antibióticos, sustancias antitumorales e inmunomoduladores hasta ahora desconocidos (Weil and Brady, 2017; Valkov et al., 2004). La biodiversidad del suelo es, en esencia, una reserva genética para la farmacología del futuro.