Estructura del suelo

Estructura del suelo

Estructura

• Las partículas del suelo no se encuentran aisladas, sino que se organizan formando agregados estructurales o peds, los cuales por repetición forman el suelo.

• Los agregados están formados por partículas individuales (minerales, materia orgánica).

AgregaciónAgregación

AGREGACIÓN

– Se considera los agregados como los bloquesfundamentales en la formación de la estructura del suelo

– Las fuerzas de cohesión intra-agregado son mayores que las fuerzas inter-agregado

Niveles de organización

Macroescala Mesoescala Microescala

5 mm

• El desarrollo del suelo implica la aparición de una estructura. Ésta se forma por la acción de fuerzas que mantienen las partículas juntas para componer unidades mayores.

• Procesos que conducen a cambios en la cantidad, distribución y fase (sólida, líquida o gaseosa) del agua tiene una influencia fundamental en la formación de la estructura. Cambios de fases (hinchamiento-retracción, congelación-licuefacción) producen cambios de volumen que con el tiempo dan lugar a la estructura del suelo.

• Procesos físico-químicos (congelación-licuefacción, ciclos de humectación-secado, translocación de arcilla, formación y movilización de materiales de meteorización) son también de vital importancia.

Morfología de la estructura

• Desde el aspecto morfológico la estructura

del suelo se define por una forma, un tamaño y un grado de manifestación de los

agregados.

• Desde el punto de vista macroscópico, se

definen los siguientes tipos:

Agregados porosos de forma redondeada (no se ajustan a los agregados vecinos). Típica de los horizontes A.

MIGAJOSA

Agregados sin apenas poros en su interior, de forma redondeada (no se ajustan a los agregados vecinos). Es similar a la migajosa pero con los agregados compactos. Típica de los horizontes A.

GRANULAR

Agregados de forma poliédrica, con superficies planas, de aristas vivas y con vértices. Las caras del agregado se ajustan muy bien a las de los agregados vecinos. Típicamente en los horizontes arcillosos, como son los hor. B.

BLOQUES ANGULARES

•Agregados de forma poliédrica, con superficies no muy planas, de aristas romas y sin formación de vértices. Las caras del agregado se ajustan moderadamente a las de los agregados vecinos. Típicamente en los horizontes arcillosos, como son los hor. B.

BLOQUES SUBANGULARES

Los bloques se desarrollan en una dirección (vertical) más que en las dos horizontales. Presente en los horizontes más arcillosos, a veces hor. B y en ocasiones hor. C.

PRISMATICA

Prismas con su cara superior redondeada. Estructura muy rara.

COLUMNAR

Los agregados se desarrollan en dos direcciones (horizontales) más que en la tercera (vertical). Típica de los horizontes arenosos, como los hor. E.

LAMINAR

•Sin estructura. Cuando no hay desarrollo de agregados. Horizontes de partículas sueltas (pulverulentos) o masivos (endurecidos).

• La estructura se presenta en el campo, en el perfil del suelo, pero su estudio se completa con el microscopio petrográfico (microestructura). Se analiza no sólo la forma de los agregados sino que además se estudia la composición (fragmentos gruesos, minerales y orgánicos, material fino y poros) y organización (distribuciones, orientaciones y

organizaciones de los elementos que componen la estructura). A partir de la observación micromorfológica se pueden deducir los procesos que han tenido lugar durante la formación del suelo.

• La micromorfología estudia los constituyentes del suelo y su organización (distribuciones, orientaciones y organizaciones)

AGREGACIÓN

– Se considera los agregados como los bloquesfundamentales en la formación de la estructura del suelo

– Los suelos se fracturan a menudo en agregados

– Las fuerzas de cohesión intra-agregado son mayores que las fuerzas inter-agregado

• Arenas– La estructura está definida por el empaquetamiento de

los granos– La reordenación se produce por compactación o

turbación– En suelos mojados, la cohesión entre partículas

aumenta debido a la tensión superficial del agua

• Francos y Arcillas– La estructura se forma por interacciones entre

partículas del suelo, entre las que destacan lasinteracciones de las arcillas con otras arcillas, materiaorgánica, y óxidos.

Formación de la estructura del suelo: factores abióticos

Elementos que producen la agregación de componentes del suelo

• Cationes• Interacciones entre partículas de arcilla• Materia orgánica• Óxidos• Carbonatos• Sílice

Jerarquía de agregación

• Agregación sin jerarquía

“desintegración catastrófica”Ej. Suelos sódicos o oxisoles

Jerarquía de agregación

– Agregación jerárquica

• Las fuerzas cohesivas aumentan cuanto menor es el tamaño del agregado

• La desintegración ocurre en pasos sucesivos

Aluminosilicatos amorfos, óxidos y polímeros orgánicos adsorbidossobre la superficie de arcillas, asícomo interacciones electrostáticasentre partículas de arcilla queproducen su floculación[INORGÁNICO PERMANENTE]

Residuos microbiales y fungalesmezclados con componentesorgánicosMicrobial and fungal debris encrusted with inorganics[ORGÁNICO PERSISTENTE]

Jerarquía de agregación

Raíces e hifas[ORGÁNICO DE DURACIÓN MEDIA]

Residuos de plantas y hongosmezclados con componenetesinorgánicos[ORGÁNICO PERSISTENTE]

Macroagregados[CORTO ESPACIO DE TIEMPO]

• Fuente: Tisdall & Oades 1982

Jerarquía de agregaciónA diferentes escalas intevienen diferentes mecanismos de agregación

Dispersión-floculación

En los sistemas arcilla-agua donde predominan las fuerzas de repulsión, habrá partículas de arcilla individualizadas (dispersión). El predominio de fuerzas de atracción hace que las arcillas estén floculadas.

Factores que favorecen la floculación:

• -Cationes divalentes

• -Elevada concentración de electrolitos

Ca-Montmorillonite

QUASI-CRYSTAL

ASSEMBLAGE

DOMAIN

Ca-Illite

Kaolinite

A Schematic structure of clay aggregate B SEM of clay tactoid

< 10 % surfaces in close contact

20 % surfaces in close contact

80 % surfaces in close contact

1 to 2 mµ

Interacciones “edge-to-face”

Interacciones “face-to-face”

Producidas por la presencia de cationes polivalentes

Interacciones electrostáticas entre caras negativas y bordes positivos

CONCEPTO DE AGREGADO DEL SUELO

• Existen una serie de problemas asociados con el concepto de agregado:

• En algunos suelos no hay una escala característica de agregación

• La distribución del tamaño de agregado depende de la energía empleada para crear la muestra

• El uso de clases de tamaño implica discretizar unapropiedad continua

• El concepto implica unidades independientes in la matrizdel suelo, aunque los agregados están conectados unoscon otros

• El uso de medidas dimensionales (fractal, spectral, etc.) intenta resolver algunos de estosproblemas.

• Young et al. 2001

Formación de la estructura del suelo: factores bióticos

• Efectos directos– Orientación de las partículas primarias– Adhesión por polisacáridos– Excrementos de fauna– Formación de bioporos

• Efectos indirectos– Regulación de ciclos de humectación-

secado por las raíces de las plantas

ORIENTACIÓN DE PARTÍCULAS PRIMARIAS

La acción física del crecimiento y las cargas superficiales producen el alineamiento de las partículas de arcilla

HIFAS RAÍCES

• Fuente: Dorioz et al. 1993

Excrementos de fauna

El material que pasa a través de la fauna es:

• Triturado• Inoculado con la microflora interna• Parcialmente digerido• Comprimido• Transportado a otras zonas

Estabilidad de los agregados

• Definición

- La habilidad de los agregados de resistir suruptura.

• Importancia

- Resistencia a la Erosión

- Mantenimiento del espacio entre agregados(Macroporos), que determinan la permeabilidad, la aireación y el crecimientoradicular.

BISON WALLOWS• Bison roll on

ground….

• ...leaving a wallow

BISON WALLOWS• …soil structure in wallow

is degraded: the wallow fills with water

• 100 years later…..

• Source: Polley & Collins 1984

Mecanismos de degradación estructural durante la humectación

Mecanismos de degradación estructural durante la humectación

• Estallido, o rotura de los agregados durante la humectación debido al hinchamiento diferencial, compresión del aire atrapado dentro del agregado, y la acción mecánica del movimiento de agua dentro del agregado. Cuanto más rápida sea la humectación, mayor serán lasfuerzas que inducen el estallido.

• El hinchamiento ocurre cuando el volumen de los tactoides de arcillao los agregados aumenta durante la humectación, sin que el agregadose rompa. Se debe a la hidratación de arcilla o materia orgánica.

• La dispersión de arcilla ocurre cuando la concentración de electrolitosen la solución es menor que el valor de floculación de la arcilla.

• La rotura mecánica de los agregados en la superficie del suelo debidoal impacto de las gotas de lluvia.

Factores que Afectan la Estabilidad de losAgregados

! Factores intrínsecos (propiedades del suelo)! Contenido en M.O.! Textura! Mineralogía! Carbonatos! Óxidos! Contenido en sales y sodio

! Factores extrínsecos (condiciones del medio)! Contenido de humedad! Velocidad de humectación! Tipo de laboreo

Materia orgánica

• Su mineralización es una razón fundamental por la que la remoción de suelos conduce a unadegradación estructural

• Sustratos como los carbohidratos son relativamenteestables en los suelos, pero se descomponenrápidamente cuando se produce una remoción de suelo.

• Aumenta la actividad microbiana por un aumento de la disponibilidad de materia orgánica como sustrato. Al mismo tiempo, aumenta la disponibilidad de O2

(aireación).

Soil Samples

••SamplesSamples werewere collectedcollected fromfrom twotwo adjacentadjacent plotsplots

Corn crop OM = 2.3 %

Pasture OM = 3.5 %

73.1a82.9a53.1a75.5a*6.7b3.3b6.7b3.3bHigh O.M.

----95a95a93a97aLow O.M.

—————————— % —————————

4-62-44-62-44-62-44-62-4

Aggregate size, mm

Deionized WaterTap WaterDeionized

WaterTap Water

SwellingSlaking

Slaking and swelling of the different soils

* Different letters within a process indicate significant difference among the soils, P ≤ 0.05.

1 cm 1 cm

1 cm 1 cm

1 cm1 cm

LowLow OM OM soilsoil HighHigh OM OM soilsoil

<2 <2 mmmm

Aggregate size

22--4 4 mmmm

44--6 6 mmmm

Profiles of the columns after prewetting

AggregatesAggregatesSlakedSlaked

AggregatesAggregates

0.965.03.84.9621325EilonClay

1.839.52.215.4503119YagurClay

2.334.23.410.7411544Hafetz HaimSandy clay

1.118.50.90.830268Ramat HacovechSandy clay loam

2.117.72.118233641NevatimLoam

1.74.30.60.68290NetanyaSandy

%cmolc kg-1------------------ % -----------------

claysiltsandESPCECOMCaCO3

Particle size distribution

LocationSoil

Properties of the soils

y = 0.02x + 0.14r2 = 0.87

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

0 10 20 30 40 50 60

Clay content, %

Mea

n w

eigh

t dia

met

er, m

m Slow wetting

Fast wetting

Aggregate stability

Increasing clay contentincreases mechanical

stability

Increasing clay content increases the effect of slaking in aggregate breakdown

KAOLINITICKAOLINITIC64% CLAY64% CLAY

MONTMORILLONITICMONTMORILLONITIC63 % CLAY63 % CLAY

NON PHYLLOSILICATENON PHYLLOSILICATE38.4 % CLAY38.4 % CLAY

Cru

st

Cru

st

Bul

kso

il

Bul

kso

il

Skin

Was

hed

in z

one

Bul

kso

il

0.1 mm0.1 mm 0.05 mm

Factores extrínsecos

• Contenido en humedad del suelo• Velocidad de humectación• Tipo de laboreo

y = 0.02x + 0.14r2 = 0.87

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

0 10 20 30 40 50 60

Clay content, %

Mea

n w

eigh

t dia

met

er, m

m Slow wetting

Fast wetting

Velocidad de humectación

Increasing clay contentincreases mechanical

stability

Increasing clay content increases the effect of slaking in aggregate breakdown

Efecto del laboreo

COMPACTACIÓN

Compactación

" Proceso de compresión de un suelono saturado

" Cuando el suelo se compactaaumenta su densidad aparente(reducción de porosidad)

"El espacio poroso perdido esMacroporosidad

Causas

Procesos externos

Acción antrópica: Laboreo, maquinaria

Procesos internos

Acción edafogenética: Iluviación de arcilla, procesos de hichamiento-

retracción de arcillas

Determinación

Se puede usar la densidad aparente como indicador del grado de compactación de un suelo.

Sin embargo, no nos indica la distribución del tamaño de

poro.

• Otros métodos:

• Curva característica de humedad

• Resistencia a la penetración

• Análisis micromorfológico

COMPACTACIÓN:

Estado físico de un suelo a un contenido de humedad.

Se debe a fuerzas de:• ADHESIÓN, atracción de la fase líquida sobre la superficie de la

fase sólida. • COHESIÓN, atracción entre las moléculas de agua • COHERENCIA, atracción entre partículas sólidas.

que operan en el suelo a distintos % de humedad (seco, húmedo, mojado).

CONSISTENCIA

SECO

DURO Y RIGIDO

HUMEDO

BLANDO

FRIABLE

MOJADO

PLASTICO FLUIDO

CONTENIDO DE HUMEDAD

Límite de expansión

Límite de plasticidad

Límite líquido

Contenido de agua

% del máximo de la fuerza

75

50

100

25 DURAFRIABLE

PLÁSTICA PEGAJOSA

LÍQUIDA

Sueloseco Suelo

saturado

ADHESIÓN

COHESIÓN

COHERENCIA

PlasticidadEsta asociada a la película de agua que rodea la superficies sólidas del suelo y disminuye la fricción.

Teoría del film: orientación de coloideslaminares está en forma que sus superficies planas están en contacto.

PELICULA DE AGUA

> contacto > película de agua PLASTICIDAD

LIMITES DE ATTERBERG

• Límite superior de plasticidad (límite líquido, WL): Contenido de humedad al cual el suelo se comporta como

un fluido al aplicarle una fuerza. Pasa de plástico a fluido.

• Límite inferior de plasticidad (límite plástico, WP): Contenido de humedad al cual el suelo pasa de friable a plástico

• Índice de Plasticidad: Diferencia entre WL-WP