EDAFOLOGÍA, Vol 12. (3), pp 173-185 2005

ADSORCIÓN Y DESORCIÓN DE POTASIO EN SUELOS DE GALICIA(ESPAÑA) DESARROLLADOS SOBRE DISTINTOS MATERIALES DEPARTIDA

C. LÓPEZ-MATEO, E. ÁLVAREZ, M.L. FERNÁNDEZ-MARCOS∗

Departamento de Edafoloxía e Química Agrícola, Escola Politécnica Superior, Univer-sidade de Santiago de Compostela, 27002 Lugo. España. *mluisa.fernandez@usc.es

Abstract. The potassium sorption capacity of soils is a major factor determining the dynamics of thiselement in the soil-plant system and the requirements for potassium fertilisation. Low contents of availablepotassium are often a factor limiting crop yield in Galician soils. Potassium sorption depends on the natureof clay minerals; the hydroxy-aluminium vermiculites, common in surface horizons of Galician soils, bes-tow on them a capacity to fix potassium. The present paper studies potassium sorption and desorption bysamples representative of A and B horizons of Galician (NW Spain) soils, developed from various parent ma-terials. The mineralogical composition of the soil clay was studied by X-ray diffraction analysis; the presenceof non-crystalline materials was tested using the pH in NaF and estimated by the aluminium and iron ex-tracted by acid oxalate. Potassium sorption was determined by shaking the soil samples with 0.01 M CaCl2containing various K concentrations, until equilibrium is reached. In most cases the experimental data fit-ted best to the linear or Freundlich models, so that it is not possible to predict a limit for potassium sorptionby these soils. The sorption energy is higher in soils richer in non-exchangeable potassium. Soils with highcontents of non-crystalline materials show a small potassium sorption capacity. The exchange complex con-tributes notably to potassium sorption. Potassium desorption was determined by shaking the soil samples,after the sorption experiment, with 0.01 M CaCl2. Some of the studied soils showed a pronounced hystere-sis.

Key words: potassium sorption, sorption isotherms, potassium desorption, potassium fertilisation,potassium fixation, clay mineralogy, parent material, Galician soils.

Resumen. La adsorción de potasio por los suelos condiciona la dinámica de este elemento en el sis-tema suelo-planta y las necesidades de fertilización potásica. La escasez de potasio asimilable es a menudoun factor limitante de la producción agrícola en suelos gallegos. La adsorción de potasio depende de la na-turaleza de los minerales de la arcilla; las vermiculitas hidroxialumínicas, comunes en horizontes superfi-ciales de suelos gallegos, les confieren alta capacidad de adsorción de potasio. Se estudian la adsorción ydesorción de potasio por muestras representativas de horizontes A y B de suelos de Galicia, desarrolladossobre distintos materiales originales. La mineralogía de la fracción arcilla se estudió por difracción de rayosX; la presencia de materiales no cristalinos se estimó por el pH en NaF y las concentraciones de Al y Fe ex-traídos con oxalato. Se estudió la adsorción equilibrando el suelo con disoluciones de varias concentracio-nes de K en CaCl2 0,01 M. Las isotermas de adsorción de potasio de la mayoría de los suelos estudiados seajustan al modelo de Freundlich o a una recta, de modo que estos suelos no muestran un límite máximopara la adsorción de potasio. La mayor energía de adsorción corresponde a suelos con mayores contenidosde potasio no cambiable. La presencia de materiales no cristalinos se relaciona con una menor capacidad deadsorción de potasio. El complejo de cambio contribuye de forma importante a la adsorción de potasio. Ladesorción se determinó agitando las muestras de suelo, después del experimento de adsorción, con CaCl20,01 M. Algunos de los suelos estudiados muestran una histéresis pronunciada.Palabras clave: adsorción de potasio, isotermas de adsorción, desorción de potasio, fertilización potásica,fijación de potasio, mineralogía de la arcilla, material original, suelos de Galicia.

174 LÓPEZ-MATEO et al.

INTRODUCCIÓN

La fijación de potasio se define como laconversión del potasio de la disolución delsuelo o cambiable en formas no cambiables(Munson, 1985). La capacidad de fijación depotasio difiere ampliamente de unos suelos aotros y depende mucho del tipo de mineralesde la arcilla presentes en el suelo. El conoci-miento de las características de fijación y libe-ración de potasio por los suelos es de interéspráctico para la comprensión de la dinámicadel potasio en el sistema suelo-planta y comobase para desarrollar recomendaciones de fer-tilización potásica (Sardi y Csitari, 2000).

Las posiciones de adsorción de la materiaorgánica y minerales de la arcilla de tipo caoli-nita presentan baja selectividad para el K+. Elpotasio adsorbido en estos lugares alcanza rá-pidamente el equilibrio con una concentraciónrelativamente alta de potasio en disolución (Eh-lers et al., 1968). Por el contrario, algunos mi-nerales de la arcilla tipo 2:1 poseen lugares deadsorción que tienen mayor selectividad por elpotasio y lo retienen muy fuertemente. Estoocurre especialmente en las vermiculitas hi-droxialumínicas.

Los datos de adsorción de los suelos serepresentan comúnmente en isotermas de ad-sorción. En estas isotermas se representa laconcentración de la especie adsorbida (en nues-tro caso el potasio) frente a la concentración enla disolución en equilibrio a una temperaturadeterminada. Las isotermas pueden ajustarse adiferentes modelos matemáticos. Entre los mo-delos más usados cabe citar la isoterma deLangmuir y la isoterma de Freundlich (Giles etal., 1960).

La isoterma de Langmuir responde a la ecuación C/X = C/Xm + 1/KXm, donde C es laconcentración de adsorbato en la disolución enequilibrio (mmol L-1), X es la cantidad de ad-sorbato en la fase adsorbida (mmol kg-1), Xmes la adsorción máxima (mmol kg-1) y K es unaconstante relacionada con la energía de enlace.

La isoterma de Freundlich responde a laecuación X = kC1/n, donde X es la concentra-ción de adsorbato en la fase adsorbida (mmolkg-1), C es la concentración de adsorbato en ladisolución de equilibrio (mmol L-1), n y k sonconstantes; k es una medida del área superfi-cial (abundancia de posiciones de adsorción) y1/n un indicador de la energía de adsorción.Cuando los datos se ajustan a una isoterma deeste tipo, no es posible predecir un máximopara la adsorción.

Los bajos contenidos de potasio asimila-ble son con frecuencia un factor limitante de laproducción agrícola en suelos gallegos (Calvoet al., 1992), particularmente en aquellos quepresentan alta capacidad de fijación de potasio.La presencia de vermiculitas hidroxialumíni-cas e intergrados mica-vermiculita es común enhorizontes superficiales de estos suelos (Ma-cías et al., 1981); estos minerales son caracte-rísticos de la alteración de las micas en mediosácidos. En presencia de este tipo de minerales,la eficacia de la fertilización potásica es bajamientras no se haya saturado la capacidad defijación de potasio de estas arcillas (Calvo etal., 1992).

El objetivo del presente trabajo es el es-tudio de los procesos de adsorción y desorciónde potasio por muestras representativas de lossuelos comunes en Galicia, desarrollados a par-tir de diversos materiales originales.

MATERIAL Y MÉTODOS

Para la realización de este ensayo se to-maron muestras de horizontes A y B de suelosde Galicia desarrollados sobre distintos mate-riales de partida: granito, esquistos, esquistosbásicos, pizarras, anfibolitas y serpentinitas. Lalocalización, materiales de partida, profundi-dad, horizontes, clasificación y uso de estossuelos se presentan en la Tabla 1. Las caracte-rísticas generales de los horizontes empleados en los ensayos se resumen en la Tabla 2. Setrata de suelos ácidos, que presentan frecuen-

175ADSORCIÓN Y DESORCIÓN DE POTASIO EN SUELOS.

temente carácter álico (>60% Al en el complejode cambio). La textura es en la mayoría de loscasos franca o franco-arenosa y los contenidos

de arcilla presentan un amplio rango de varia-ción. La capacidad de intercambio catiónicoefectiva es frecuentemente baja.

TABLA 1. Situación y clasificación de los suelos

TABLA 2. Propiedades generales de los suelos: valores medios para cada material original y tipo de hori-zonte (A ó B)

176 LÓPEZ-MATEO et al.

Estudios mineralógicosSeparada la fracción arcilla del suelo, se

sometió a un análisis de difracción de rayos X(difractómetro Philips modelo PW 1710/30),usando radiación Kα del cobre y filtro de ní-quel. Para cada muestra de arcilla se registró undiagrama de rayos X de polvo cristalino y dia-gramas de agregado orientado de la muestra na-tural, de la muestra saturada en K y de lamuestra saturada en potasio calentada a 300 y500ºC (Douglas, 1989). Los máximos de di-fracción se asignan a diferentes minerales de laarcilla, según Brindley y Brown (1980).

La presencia de materiales no cristalinosse estimó mediante el pH en NaF (Fieldes y Pe-rrot, 1966) y por determinación de aluminio yhierro extraídos con oxalato ácido (Blakemore,1978).

Ensayo de adsorciónPara la realización del ensayo de adsor-

ción, se agitaron 3 g de suelo durante 12 horascon 30 ml de disoluciones de CaCl2 0,01 M quetienen concentraciones de 0, 5, 10, 15, 20, 25,30, 50, 100, 200 y 300 mg de K L-1, en relaciónsuelo: disolución 1:10, siguiendo el métodopropuesto por Singh y Jones (1975). El CaCl2fue usado para mantener la fuerza iónica cons-tante. Las concentraciones de potasio utiliza-das llegaron a valores considerablemente másaltos que los propuestos por Singh y Jones(1975), porque un ensayo previo puso de ma-nifiesto la existencia de adsorción a concentra-ciones más altas que las propuestas por estosautores. Las suspensiones fueron centrifugadasa 1500 r.p.m. durante 10 minutos y filtradas. Enlas disoluciones de equilibrio se determinó po-tasio por espectrofotometría de emisión dellama. Todos los ensayos de adsorción se reali-zaron por duplicado.

A partir de la concentración de potasioinicial, la concentración de potasio en el equi-librio y el peso de suelo utilizado, se determinóla cantidad de K adsorbido por la fase sólida.Este valor se corrigió, sumándole el potasio de

cambio presente inicialmente en el suelo, paraevitar la aparición de valores negativos de ad-sorción en el caso de disoluciones con bajasconcentraciones de K. Los datos se ajustaron alos modelos matemáticos de Langmuir oFreundlich o a una recta, buscando el modeloque proporcionó un mejor ajuste. Una vez co-nocido el mejor ajuste para cada suelo, se cal-cularon los parámetros significativos de éste yse relacionaron con las propiedades del suelo.Si los datos se ajustan a una recta, el parámetrosignificativo es la pendiente de ésta. Si se ajus-tan al modelo de Langmuir, son Xm (adsorciónmáxima) y K, que es una constante relacionadacon la energía de enlace. En el caso de que losdatos se ajusten al modelo de Freundlich, losparámetros significativos son las constantes logk y 1/n. El análisis de regresión entre estos pa-rámetros de las isotermas y las propiedades delsuelo se realizó utilizando el programa SPSS11.0 para Windows.

Desorción de KDespués del ensayo de adsorción, se aña-

dieron a cada muestra de suelo húmeda 30 mLde CaCl2 0,01 M, se agitaron las muestras du-rante una hora, se centrifugó y filtró en las mis-mas condiciones que en el ensayo de adsorción(Singh y Jones, 1975). En las disoluciones deequilibrio se determinó potasio, de la mismaforma que en el caso anterior.

A partir de la concentración de potasio enla disolución de equilibrio se calculó la canti-dad de potasio desorbido y la cantidad de pota-sio que queda en la fase adsorbida en elequilibrio. Se realizó una corrección para teneren cuenta el potasio contenido en la disoluciónembebida en el suelo húmedo, tanto antes comodespués de la desorción. Con estos datos deconcentración de potasio en la fase adsorbida yen disolución en el equilibrio se construyen lasisotermas de desorción.

177ADSORCIÓN Y DESORCIÓN DE POTASIO EN SUELOS.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Mineralogía de la fracción arcillaEl análisis de difracción de rayos X re-

vela la presencia en casi todos los suelos estu-diados de vermiculitas hidroxialumínicas y/ointerestratificados ilita-vermiculita, que seponen de manifiesto por la presencia de picos obandas de difracción entre 10 y 14Å (Figura

1). Estos minerales proporcionan presumible-mente al suelo la capacidad de retener potasioen forma fijada (no cambiable).

Cabe destacar también la presencia deserpentina y clorita en los horizontes de suelosdesarrollados sobre serpentinitas. En el sueloS1, un suelo poco evolucionado sobre serpen-tinita, se detecta la presencia de trazas de un in-terestratificado de tipo magnésico.

FIGURA 1. Diagrama de difracción de rayos X de polvo cristalino del horizonte A del suelo G2, desarro-llado sobre granito

En los casos en que se han analizado va-rios horizontes del mismo perfil, se suele ob-servar hacia la superficie una disminución dela cristalinidad y un aumento de la presencia devermiculitas hidroxialumínicas e interestratifi-cados. En la Figura 2 se presentan los diagra-mas de agregado orientado de los horizontes Ay B del suelo EO1, desarrollado sobre esquis-tos básicos.

El pH en NaF y la extracción con oxalatoácido ponen de manifiesto la presencia de ma-teriales no cristalinos en la mayoría de los ho-rizontes superficiales (Tabla 2).

Adsorción de potasioLa máxima adsorción de potasio ocurrida

para cada uno de los suelos estudiados (alcan-

zada cuando se equilibra una muestra de suelocon una disolución de 300 mg L-1 de potasio) sepresenta en la Tabla 3.

178 LÓPEZ-MATEO et al.

La secuencia de adsorción máxima en loshorizontes A es la siguiente: serpentinitas > an-fibolitas > esquistos > esquistos básicos > gra-nitos > pizarras. En el caso de los horizontes Bla secuencia es la siguiente: esquistos básicos >granito > esquistos > anfibolitas.

La elevada adsorción de potasio por elsuelo S1 va acompañada por una fuerte libera-ción de magnesio (128 mmolesc/kg), lo que noslleva a pensar que el K se fija en un interestra-tificado con intercapas magnésicas presente eneste suelo.

En todos los suelos estudiados, la adsor-ción se ajusta razonablemente bien al modelolineal. Los suelos sobre granitos se ajustanmejor al modelo de Freundlich o a una recta(Tabla 4, Figura 3a). Estos suelos no presentan,dentro del intervalo de concentraciones ensa-yado, un máximo de adsorción de potasio, loque significa que el suelo podría adsorber po-tasio sin un límite predecible; la saturación, encaso de producirse, lo haría a una concentra-ción muy elevada de potasio añadido.

FIGURA 2. Diagrama de difracción de rayos X de agregado orientado de los horizontes A y B del suelo EO1,desarrollado sobre esquistos básicosTABLA 3. Potasio adsorbido y desorbido al añadir 300 mg L-1 de K

179ADSORCIÓN Y DESORCIÓN DE POTASIO EN SUELOS.

Los suelos sobre pizarras y anfibolitas yel perfil E2 (sobre esquistos), similarmente alos suelos sobre granitos, se ajustan bien al mo-

delo de Freundlich (Figura 3b). Muy pocos sue-los se ajustan al modelo de Langmuir (Figura3c).

TABLA 4. Coeficientes de determinación (R2) de las isotermas de adsorción de potasio ajustadas a los mo-delos lineal, de Freundlich y de Langmuir.

FIGURA 3. Ejemplos de ajustes de las isotermas de adsorción a) al modelo lineal,b) al modelo de Freun-dlich y c) al modelo de Langmuir.

De los suelos desarrollados sobre serpen-tinitas, S1 se ajusta mejor al modelo lineal,siendo ligeramente más bajos los coeficientesde correlación de los modelos de Freundlich yLangmuir; por el contrario, el suelo S2 sólo seajusta al modelo lineal (Figura 4). Este com-portamiento diferente se debe presumiblemente

a la heterogeneidad del material de partida y aldistinto grado de evolución de estos dos suelos.El suelo S1, menos evolucionado y con un pHpróximo a la neutralidad, tiene un comporta-miento de adsorción similar al de los horizon-tes subsuperficiales de los suelos desarrolladossobre esquistos básicos. Por el contrario, el

180 LÓPEZ-MATEO et al.

suelo S2, más evolucionado, ácido y rico enmateriales no cristalinos, presenta un compor-tamiento de adsorción comparable al del sueloG2 desarrollado sobre granito; estos dos suelos

tienen condiciones parecidas de pH y los dosse dedican a prado (Tablas 1 y 2).

FIGURA 4. Ajustes de las isotermas de adsorción de los suelos sobre serpentinitas.

La correlación de los parámetros de lasecuaciones representativas de las isotermas deadsorción de potasio con distintas propiedadesdel suelo conduce a los resultados que se co-mentan a continuación.

La pendiente del modelo lineal se corre-laciona significativa y positivamente (P<0,01)con el pH del suelo en agua y en cloruro potá-sico y con la capacidad de intercambio catió-nico efectiva. Asimismo se correlacionasignificativa y positivamente con el potasio ad-sorbido cuando el suelo se equilibra con la di-solución de mayor concentración de potasio(300 mg L-1). Los coeficientes de correlaciónson los siguientes:

Un mayor pH se traduce en una mayoradsorción de potasio para un valor dado del po-tasio en la disolución de equilibrio. Lo mismopuede decirse de la capacidad de cambio efec-tiva. Estos dos parámetros (pH y CICe) a su vezestán significativamente correlacionados entresí, dado el carácter de carga variable de los sue-los gallegos. Esta correlación de la pendientecon la capacidad de cambio parece indicar unacontribución importante del complejo de cam-bio a la adsorción de potasio.

En el modelo de Freundlich, la constante1/n se correlaciona significativa y positiva-mente (P<0,01) con el potasio soluble en ácidonítrico 1M y con el potasio no cambiable (di-ferencia entre potasio soluble en ácido nítrico1M y potasio cambiable) y negativamente conel pH en NaF. Los coeficientes de correlaciónson los siguientes:

La correlación negativa de la constante1/n con pHNaF (indicador de la presencia demateriales no cristalinos) revela que estos ma-teriales dificultan la adsorción de K por elsuelo, presumiblemente bloqueando cargas ne-gativas.

La inversa de 1/n (n) se correlaciona sig-nificativamente (P<0,01) con log k y, conmenor nivel de significación (P<0,05), con elpotasio cambiable. Los coeficientes de correla-ción son los siguientes;

La correlación positiva entre n y log k pa-rece indicar que cuanto mayor es la abundanciade lugares de adsorción menor es la energía deenlace. La correlación positiva con el potasio

181ADSORCIÓN Y DESORCIÓN DE POTASIO EN SUELOS.

de cambio refleja la baja energía de retenciónde éste.

La constante log k se correlaciona signi-ficativa (P<0,05) y positivamente con el pota-sio cambiable, con el potasio no cambiable, conel logaritmo de la capacidad de intercambio ca-tiónica efectiva y con el pH en H2O. Los coe-ficientes de correlación son los siguientes:

Esta mejor correlación con el potasiocambiable que con el potasio no cambiable po-dría indicar que k es una medida de los lugaresde adsorción preferentemente de baja energía.La correlación con log CICe (que a su vez secorrelaciona significativamente con el pH enH2O) refleja la importante contribución delcomplejo de cambio a los lugares de adsorciónpara el potasio.

Pal et al. (1999) también encontraron co-rrelaciones significativas de log k con pH enagua (r = 0,53), CICe (r = 0,82), log CICe (r =0,916), potasio cambiable (r = 0,59) y potasiono cambiable (r = 0,59) en algunos suelos vír-genes del suroeste de Australia. En cuanto a1/n, estos autores encontraron correlacionessignificativas con la CICe (r = 0,64), con el po-tasio cambiable (r = 0,71) y no cambiable (r =0,64).

En el modelo de Langmuir apenas se pu-dieron establecer correlaciones significativascon parámetros característicos del suelo, dadoel escaso número de muestras que se ajustan aeste tipo de isoterma. La constante K se corre-laciona negativamente (P<0,01) con la suma delos porcentajes de arcilla y limo fino y positi-vamente con el aluminio extraíble en oxalatoácido. Los coeficientes de correlación son lossiguientes:

Asimismo K muestra una tendencia (nosignificativa estadísticamente) a disminuir alaumentar Xm.

La correlación negativa entre K y (%ar-

cilla + %limo fino) parece indicar que cuantomayor es el contenido de limo fino y arcilla, esdecir las posiciones de adsorción, menor es laenergía de enlace. Esto está de acuerdo con latendencia inversa entre K y Xm.

Desorción de potasioTan importante como conocer la adsor-

ción de potasio por un suelo es conocer la des-orción, de manera que se pueda estimar cómose libera el potasio que ha quedado retenido enel suelo. El proceso de desorción está relacio-nado en gran medida con la disponibilidad de Kpara las plantas.

Las isotermas correspondientes a la des-orción de dos de los suelos estudiados se mues-tran, junto con las de adsorción, en la Figura 5.Se representa en ellas el potasio que queda enla fase adsorbida, después de alcanzado el equi-librio de adsorción o desorción, frente a la con-centración de K en disolución.

Los perfiles sobre granitos, los horizon-tes P2, S2, A1-B1, A2-A, E1-B, EO1-A y elperfil E2 presentan una fuerte histéresis, mien-tras que en el resto de las muestras práctica-mente coinciden la desorción y la adsorción. Elpotasio desorbido de los suelos que habían al-canzado el equilibrio con la disolución de 300mg K L-1 se correlaciona positivamente(P<0,01) con el potasio no cambiable (r =0,653).

182 LÓPEZ-MATEO et al.

CONCLUSIONES

Los suelos que presentan mayor adsor-ción de potasio son los desarrollados sobre ser-pentinitas, anfibolitas y esquistos de Órdenes;la menor adsorción se obtiene en los suelos des-arrollados sobre pizarras. Para un mismo perfillos horizontes B, en general, adsorben mayo-res cantidades de potasio que los horizontes A.

Las isotermas de adsorción de potasio dela mayor parte de los suelos estudiados se ajus-tan al modelo de Freundlich o a una recta, portanto para estos suelos no es posible predecirun valor máximo de adsorción de potasio.

El complejo de cambio contribuye deforma importante a la adsorción de potasio.

La mayor energía de adsorción (mayorvalor de la constante 1/n de la isoterma deFreundlich) corresponde a suelos con mayorescontenidos de potasio no cambiable.

La presencia en el suelo de materiales nocristalinos parece disminuir la tendencia a fijarpotasio.

Un mayor número de posiciones de ad-sorción parece estar relacionado con una menorenergía de enlace.

La desorción de potasio en estos sueloses generalmente menor que la adsorción, indi-cando un cierto grado de irreversibilidad delproceso.

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FIGURA 5. Ejemplos de isotermas de adsorción y desorción que muestran diferentes grados de histéresis.

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