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2011. ―AÑO DEL CAUDILLO VICENTE GUERRERO‖
CUADERNILLO DE APUNTES DE
―REMEDIACIÓN DE SUELOS‖ Clave:IAF-0429
Por Ing. Héctor Fernando Barbosa Amaya
Los Reyes, La Paz, Estado de México, agosto de 2011
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Contenido Contenido ........................................................................................................... 2 Introducción ........................................................................................................ 7 UNIDAD 1 Conceptos básicos ............................................................................ 9
1.1 Mecanismos de la contaminación del suelo .............................................. 9 1.1.2 Condiciones físicas del suelo ............................................................ 12 1.1.2.1 Materia orgánica ............................................................................ 13 1.1.2.2 Composición de la materia orgánica .............................................. 13 1.1.2.3 Función de la materia orgánica del suelo ...................................... 16 1.1.2.3.1 Propiedades físicas: .................................................................... 17 1.1.2.3.2 Propiedades químicas: ............................................................... 17 1.1.2.3.3 Propiedades biológicas: .............................................................. 17 1.1.2.3.4 Interacciones: ............................................................................. 18 1.1.2.4 Factores que condicionan el contenido de materia orgánica en los suelos ........................................................................................................ 18 1.1.2.5 Procedencia de los componentes orgánicos del suelo .................. 19 1.1.2.6 Formas de vida microbiológica ...................................................... 20 1.1.2.7 Agua y componentes de sales. ...................................................... 21 1.1.2.8 Aire y gases ................................................................................... 21 1.1.2.9 Componentes minerales inorgánicos ............................................. 22 1.1.2.9.1 Arcillas ........................................................................................ 22 1.1.2.10 Capacidad de Intercambio Catiónico ........................................... 24 1.1.2.11 Adsorción preferente. .................................................................. 25 1.1.2.11.1 proporciones más frecuentes de cationes. ............................... 26 1.1.2.12 El pH del suelo. ........................................................................... 27 1.1.2.12.1 Saturación de bases y el pH del suelo. ..................................... 28 1.1.2.12.2 Iones intercambiables. .............................................................. 29 1.1.2.12.3 Iones no intercambiables. ......................................................... 29 1.1.2.13 Solubilidad ................................................................................... 29 1.1.2.14 Capacidad de Intercambio Catiónico. .......................................... 33 1.1.2.14.1 Mecanismo de intercambio de cationes .................................... 35 1.1.2.15 Adsorción ..................................................................................... 36 1.1.2.16 Temperatura del suelo ................................................................. 39 1.1.2.17 Dispersión .................................................................................... 42 1.1.2.17.1 Parámetros adimensionales que rigen el fenómeno. ................ 46 1.1.2.17.1 Movimiento de una partícula en un fluido: ................................ 51 Ley de Stokes. ........................................................................................... 51
1.2 CONTAMINACIÓN DEL SUELO ............................................................. 55 1.3.1 Impactos de la contaminación del suelo. .............................................. 56
1.3.1.1Contaminan los mantos acuíferos .................................................. 56 1.3.1.2 Impiden la producción de alimentos .................................................. 56 1.3.1.3Contaminan los cuerpos de agua ....................................................... 56
1.3.2.1 NOM-138-SEMARNAT/SS-2003 ................................................... 56 1.3.2.1 NOM-060-SEMARNAT-1994 ......................................................... 56 1.3.2.2 NOM-021-SEMARNAT-2000 ......................................................... 56 1.3.2.3 NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004 ............................................... 57 1.3.2.4 NOM-141-SEMARNAT-2003 ......................................................... 57
UNIDAD 2 Caracterización y monitoreo del sitio contaminado ........................ 58 2.1 Caracterización del suelo ........................................................................ 58
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2.1.1 Introducción ...................................................................................... 58 2.1.2.Conceptos Básicos ........................................................................... 58 2.1.2.1Propiedades Físicas ....................................................................... 58 2.1.3 El color del suelo .............................................................................. 59 2.1.3.1 Importancia .................................................................................... 59 2.1.3.2 Determinación del color ................................................................. 60 2.1.3.3 El sistema de colores Munsell ....................................................... 60 2.1.3.4 FACTORES QUE AFECTAN EL COLOR ...................................... 62 2.1.3.5 MÉTODO PARA IDENTIFICAR EL COLOR DEL SUELO ............. 63 2.1.4 Determinación de la textura, (Método de BOUYOUCOS) ................. 63 2.1.4.1 Introducción ................................................................................... 63 2.1.4.1.1 Fracciones granulométricas ........................................................ 65 Figura 2.1.4.1. Triángulo de Textura .......................................................... 66 2.1.5 La densidad de las partículas del suelo ............................................ 66 2.1.5.2 Conceptos Básicos ........................................................................ 67 2.1.5.3 Densidad del suelo ........................................................................ 68 2.1.4.4 DENSIDAD REAL .......................................................................... 69 Volumen sólido + volumen poros Volumen total Vt. .................. 70 2.1.6 Espacio poroso del suelo .................................................................. 71 2.1.6.1 Introducción ................................................................................... 71 2.1.7 ESPACIO POROSO DEL SUELO .................................................... 73 2.1.7.1 Importancia de la porosidad del suelo en la ingeniería ambiental . 75 2.1.8 La estructura del suelo. .................................................................... 76 2.1.8.1 Introducción ................................................................................... 76 2.1.8.2 Conceptos básicos........................................................................ 76 2.1.8.3 Clasificación de la estructura ......................................................... 77 2.1.8.4 CLASIFICACIÓN SEGÚN THE UNITED STATES DEPARTAMENT OF AGRICULTURE 1951. USDA 1951. .................................................... 77 2.1.8.5 Importancia de la estructuradel suelo en la ingeniería ambiental .. 81 2.1.9 La permeabilidad .............................................................................. 81 21.9.1Introducción ..................................................................................... 81 2.1.9.2 Flujo de agua en el suelo ............................................................... 82 2.1.9.3 Regimen saturado.......................................................................... 82 2.1.9.4 Conductividad Hidráulica. .............................................................. 83 2.1.9.5 Regimen no saturado ..................................................................... 84 2.1.9.5 Determinanción de las propiedades hidráulicas del suelo ............. 84 2.1.9.5.1Medida de la conductividad hidráulica saturada .......................... 84 2.1.9.5.2 Ensayos en laboratorio ............................................................... 85 2.1.9.6 Permeámetro de carga constante .................................................. 85 2.1.9.7 Importancia de la permeabilidad del suelo en la ingeniería ambiental ................................................................................................... 87 2.1.10 La agua higroscópica ...................................................................... 88 2.1.10.1 Introducción ................................................................................. 88 2.1.10.2 Conceptos basicos ....................................................................... 88 2.1.10.3 Subdivisiones del agua del suelo ................................................. 89 2.1.10.7 Los estados del agua en el suelo ................................................ 90 2.1.10.7.1El suelo seco.............................................................................. 90 2.1.10.8 Potencial del agua en el suelo ..................................................... 92 2.1.10.9 Importancia del contenido de agua en el suelo y en la ingeniería ambiental ................................................................................................... 93 2.1.11 Nitrógeno en suelos. ....................................................................... 93
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2.1.11.1 Introducción ................................................................................. 93 2.1.11.2 Conceptos básicos ....................................................................... 94 2.1.11.2.1 El ciclo del nitrógeno. ................................................................ 94 2.1.11. 3. Nitrificación. ............................................................................... 96 2.1.11.3.1Reducción del ión nitrato. .......................................................... 97 2.1.11.3.2 Desnitrificación. ......................................................................... 97 2.1.11.4 Fertilizantes nitrogenados ............................................................ 97 2.1.11.4.1Impacto ambiental del exceso de fertilizantes nitrogenados ...... 98 2.1.11.5 Importancia del contenido de nitrógeno en el suelo, en la ingeniería ambiental. ................................................................................. 98 2.1.12 Fósforo disponible en suelos .......................................................... 98 2.1.12.1Introducción .................................................................................. 98 2.1.12.2 HIstoria ........................................................................................ 99 2.1.12.1 Ciclo del fósforo en la naturaleza ............................................... 100 2.1.12.4. Formas de fósforo ..................................................................... 103 2.1.12.6 Deficiencia o exceso de fósforo ................................................. 107 2.1.12.7 Importancia del fósforo en el suelo, en la ingeniería ambiental . 107 2.1.13 Calcio y Magnesio extraíbles ........................................................ 109 2.1.13.1 Introducción. .............................................................................. 109 2.1.13.2 Conceptos básicos ..................................................................... 109 2.1.13.2.1 Las enmiendas del suelo. ....................................................... 109 2.1.13.3 Aumento en los niveles del pH. ................................................ 109 2.1.13.4 Materiales usados para encalar. ................................................ 110 2.1.13.5 El sobre encalado ..................................................................... 111 2.1.14 Sodio y Potasio ............................................................................. 114 2.1.14.1 Introducción ............................................................................... 114 2.1.14.2 Formas de potasio en el suelo ................................................... 115 2.1.14.2.2 Movimiento del potasio en el suelo ......................................... 116 2.1.14.3 Funciones del potasio ................................................................ 117 2.1.14.4 Causas de las carencias minerales ........................................... 117 2.1.14.5 Sintomas de deficiencia de potasio............................................ 118 2.1.14.6 Determinación de nutrientes disponibles ................................... 118 2.1.14.7 IMPORTANCIA DEL SODIO Y POTASIO EXTRAÍBLES EN LA INGENIERÍA AMBIENTAL ....................................................................... 119 2.1.15 Intercambio Catiónico ................................................................... 119 2.1.15.1 Antecedentes ............................................................................. 119 2.1.15.2 Introducción ............................................................................... 120 2.1.15.3 Conceptos básicos. .................................................................... 120 2.1.15.4 Adsorción preferente. ................................................................ 122 2.1.15.4 Proporciones más frecuentes de cationes ................................. 123 2.1.15.5 El pH del suelo. .......................................................................... 124 2.1.15.6 Saturación de bases y el pH del suelo. ...................................... 124 2.1.15.7 iones intercambiables. ............................................................... 126 2.1.15.8 iones no intercambiables. .......................................................... 126 2.1.15.9 Capacidad de intercambio catiónico. ......................................... 126 2.1.15.10 Mecanismo de intercambio de cationes ................................... 128 2.1.15.11 Importancia de la capacidad de intercambio catiónico de los suelos en la ingeniería ambiental. .......................................................... 129 2.1.16 pH y evaluación de la salinidad del suelo ..................................... 129 2.1.16.1 Introducción ............................................................................... 129 2.1.16.3 Salinidad del suelo ..................................................................... 132
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2.1.16.4 Suelos salinos ............................................................................ 133 2.1.16.7 Factores que afectan el pH ........................................................ 134 2.1.16.8 Evaluación de suelos salinos ..................................................... 135 2.1.17 La microbiota ................................................................................ 138 2..1.17.1Introducción ............................................................................... 138 2..1.17.2 Bacterias. .................................................................................. 140 2.1.17.3 INFLUENCIAS AMBIENTALES ................................................. 140 2.1.17.4 Actinomicetos. ........................................................................... 143 2.1.17.5 Hongos. ..................................................................................... 145 2..1.17.6 Algas. ........................................................................................ 147 2..1.17.7 Protozoarios. ............................................................................. 148 2.1.17.8 Importancia de la microbiota del suelo, en la ingeniería ambiental ................................................................................................................. 149
2.2 Monitoreo del suelo ............................................................................... 150 2.2.1 Estrategia general del muestreo ..................................................... 152 2.2.2 Tipos de muestreo .......................................................................... 158 2.2.2.1 Muestreo aleatorio simple. ........................................................... 158 2.2.2.2 Muestreo aleatorio estratificado ................................................... 158 2.2.2.3 Muestreo sistemático (en rejilla) .................................................. 159 2.2.2.4 Muestreo geoestadístico. ............................................................. 159 2.3 Reglas generales durante la toma de muestras ................................ 162 2.3.1 Identificación de las muestras. ........................................................ 162 2.3.2 Preservación y transporte de las muestras ..................................... 163 2.3.3 Documentación ............................................................................... 164 2.3.4 Levantamiento de suelo .................................................................. 164 2.3.5 Contaminación ................................................................................ 165
Unidad 3 Generalidades sobre tecnologías de remediación del suelo .... 168 3.1 Introdución ............................................................................................. 168
3.1.1 Datos requeridos para la remediación de suelos contaminados ..... 169 3.1.2 Factores que inciden en la eficiencia de una tecnología de remediación ............................................................................................. 170 3.2.1Las tecnologías de inmovilización. .................................................. 171 3.2.2.Clasificación de tecnologías ........................................................... 171 3.2.2.1Tratamiento Biológico ―In - situ. .................................................... 171 3.2.2.1.1 Biodegradación. ........................................................................ 171 3.2.2.1.2 Bioventeo .................................................................................. 172 3.2.3. Tratamiento Físico- Químico “ In – situ” ......................................... 172 3.2.3.1 Fracturamiento Neumático ........................................................... 172 3.2.3.2 Flujo de un fluido en el suelo. ...................................................... 172 3.2.3.3 Extracción de vapor del suelo ...................................................... 172 3.2.4 Tratamiento térmico “in- situ” .......................................................... 172 3.2.4.1 EVS Térmicamente Reforzado .................................................... 172 3.2.4.2 Vitrificación ―In – Situ‖ .................................................................. 173 3.2.5 . TRATAMIENTO BIOLÓGICO “EX –SITU” .................................... 173 3.2.5.1 Composteo .................................................................................. 173 3.2.5.2 Tratamiento Biólogico, fase sólida controlada, labranza del suelo (Land Farming) ............................................................................... 173 3.2.5.3 Reactores de lodos activados ...................................................... 173 3.2.6 TRATAMIENTO FÍSICO – QUÍMICO “EX SITU” ............................ 173 3.2.6.1 Oxidación / Reducción química. .................................................. 173 3.2.6.3 Extracción de vapor del suelo (EVS) ........................................... 174
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3.2.6.4 Extracción por solvente. ............................................................... 174 3.2.7 TRATAMIENTO TÉRMICO ―EX SITU‖ ........................................... 175 3.2.7.1 Desorción térmica por alta temperatura ....................................... 175 3.2.7.2 Descontaminación por gas caliente ............................................. 175 3.2.7.3 Incineración ................................................................................. 175 3.2.7.4 Desorción térmica por baja temperatura ―Pirolisis ....................... 175 3.2.7.5 Vitrificación .................................................................................. 175 3.2.8 OTROS TRATAMIENTOS .............................................................. 175 3.2.8.1 Excavación / Disposición fuera del sitio. ...................................... 176 3.2.8.2 Atenuación natural. ...................................................................... 176
Glosario .......................................................................................................... 179 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................... 190 INDICE DE TABLAS ....................................................................................... 193 INDICE DE FIGURAS ..................................................................................... 194
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Introducción
Este cuadernillo pretende cubrir los aspectos más importantes de la asignatura ―Remediación de suelos‖, ajustándose al programa vigente del TESOEM y se espera que al final del mismo los estudiantes y docentes que hagan uso de él satisfagan todos los objetivos que se persiguen como son: Estar familiarizados con los conceptos y mecanismos que se manejan en la ―Remediación se suelos‖; que queden debidamente adiestrados en la obtención de de parámetros referentes a la física del suelo; que desarrollen la habilidad necesaria para solucionar problemas de potencial, de dispersión cuyas fronteras no sean conocidas; y por último que estén motivados para tratar con problemas particulares complicados.
La exposición de los temas se ha programado para cubrir las 38 horas –
sesiones, que cubrirán la teoría y solución algunos problemas de aplicación. Se ha dividido el presente cuadernillo en: Unidad 1. Conceptos Básicos,
1.1 El suelo y sus características, 1.2 Contaminación del suelo, 1.3 Impactos de la contaminación del suelo, 1.4 Marco Legal en materia de contaminación del suelo. Unidad 2. Caracterización y monitoreo del sitio contaminado. 2.1 Caracterización del sitio, 2.2 Monitoreo del sitio. 3. Generalidades sobre tecnologías de remediación de suelos.
La tierra es única entre los planetas del sistema solar debido a su agua,
oxígeno libre y vida. La pirámide completa se soporta en un complejo de interacciones y cambios en agua, aire, suelo y vida. En la cúspide de esta pirámide se encuentra el ser humano que a través de su evolución comenzó a ver la naturaleza como un enemigo, a quién trato de conquistar combatiendo plagas, controlando ríos. Ahora es posible para el humano, por medio de la revolución industrial, producir todos los materiales necesarios para su supervivencia, y la competencia con la naturaleza no se hace ya necesaria. Por este hecho la contaminación sobre el agua, aire y suelo, con desechos producidos por el hombre se ha incrementado a tal grado que amenaza con la eliminación de la vida misma. En la actualidad muchos de los cambios e interacciones de la pirámide completa de la vida son desconocidos, así como sus efectos sobre la propia vida.
Nuestra sociedad en su totalidad se apoya en -y depende de- nuestra
agua, nuestro suelo, nuestros bosques y nuestros minerales. El suelo no es una simple tierra, que no desea esté en sus manos, en su
ropa o alfombra, hasta se vive inconscientemente de él, pero una gran cantidad de organismos, incluido el hombre dependen del suelo.
El suelo es el conjunto de partículas naturales sobre la corteza terrestre
que sirve de soporte a las plantas y otras formas de vida, con un límite inferior que coincide con el de los minerales o materia orgánica.
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Los nutrientes de nuestros alimentos provienen del suelo. El suelo
proporciona también madera, papel, algodón y muchos otros minerales y materiales vitales, además de que ayuda a purificar el agua que bebemos, sirviendo como almacén en los mantos acuíferos
Los organismos degradadores del suelo reciclan los compuestos químicos claves que necesitamos nosotros y otras formas de vida. Por lo que el suelo es la base de la vida y la civilización.
Con la agricultura se ha abusado de este recurso por el mal manejo y
utilización de los fertilizantes, plaguicidas y pesticidas. El cómo utilicemos éste recurso influye en nuestra salud, seguridad,
economía y bienestar del ser humano. Por lo que como futuro ingeniero Ambiental debemos de tener la preocupación por este elemento tan valioso para la humanidad, que es el que nos proporciona los alimentos para los más de 6 800 millones de habitantes del globo terráqueo actualmente.
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UNIDAD 1 Conceptos básicos 1.1 Mecanismos de la contaminación del suelo
Se ha encontrado que el suelo actúa como un sumidero para muchos
contaminantes por efecto de sus microorganismos o de sus propiedades químicas. Los experimentos realizados con anterioridad indican que el monóxido de carbono del aire se debe principalmente a mecanismos biológicos.
Posteriores experimentos que se hicieron en el suelo, indicaron que los
hidrocarburos pueden ser eliminados mediante microorganismos, en cambio la eliminación de dióxido de azufre se debe a reacciones químicas.
A I R E
S U E L O
LLuvía
SEDIMENTACION
Reacción Química
Descomposición
Polvos
DISPOSICIÓN
DE
CONTAMINANTES
DEL
AIRE
DISPOSICIÓN
DE
DESECHOS
SÓLIDOS
Figura 1.1.1 Algunas interacciones de contaminantes entre el aire y el suelo
La materia particulada en el aire se transfiere también al suelo, así como
al agua, por efecto de la acción de la gravedad y de la precipitación. Otro tipo de contaminantes colectados en ―lavadores‖ de aire, filtros o precipitadores electrostáticos se depositan sobre el suelo. Un problema particular originado alrededor de ciertas industrias que producen desechos que contienen fluoruros ocasiona efectos venenosos sobre animales que se alimentan de pastos, en especialmente el ganado, atacando sus dientes y huesos.
A su vez el suelo contamina al aire cuando un relleno sanitario se opera mal y se producen olores producto de esos rellenos sanitarios sin control, o cuando se quema basura a cielo abierto, consciente o inconscientemente.(Ver figura 1.1.1
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Existen también varias interacciones e intercambios de contaminantes entre los sistemas del suelo y agua. La transferencia de contaminantes del suelo al agua se debe principalmente a líquidos ―percolados‖. El término ―percolados― se aplica al producto del proceso de extraer un material soluble en agua, de un sólido. El agua con contenido orgánico es una fuente potencial particular de contaminación del agua subterránea, cuando se introduce a un acuífero.
A G U A
S U E L O
INCORPORACION POR
SEDIMENTOS
LIQUIDOS PERCOLADOS
DRENAJES
DISPOSICIÓN
DE
CONTAMINANTES
DEL
AGUA
DISPOSICIÓN
DE
DESECHOS SÓLIDOS
Figura 1.1.2 Algunas interacciones de contaminantes entre los sistemas del agua y el
suelo.
Los nutrientes de algas como son los nitratos y fosfatos pueden
transformarse en líquidos percolados a partir del suelo, y depositarse en cuerpos de agua tales como:
Ríos
Lagunas
Lagos
Presas
Arroyos
Las principales fuentes de nutrientes son los fertilizantes agrícolas y los alimentos para ganado. Cuando se depositan en los cuerpos de agua estimulan el crecimiento de algas produciendo la eurtroficación.
Otros elementos tales como plomo, mercurio cadmio (metales pesados) pueden convertirse en líquidos percolados a partir de depósitos de desechos de sólidos industriales o peligrosos creando formas de contaminación del agua. Como puede apreciarse en la figura 1.1.2 Los contaminantes del agua pueden eliminarse por varios métodos como son:
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La filtración a través de rocas
La producción de nuevas rocas por sedimentación
Teniendo como ejemplo las rocas ácidas que son neutralizadas al
reaccionar con rocas básicas, tales como las calizas. Cuando los contaminantes inorgánicos finalmente de los ríos alcanzan la
mar, ocurren reacciones de equilibrio entre:
Dióxido de carbono - bicarbonatos - carbonatos
Carbonatos que pueden diluir rápidamente materiales ácidos y causar precipitados en forma de metales pesados que se sedimentan en el fondo de la mar.
La contaminación del suelo se debe principalmente a las causas
siguientes:
a) Contaminación por desechos industriales tóxicos o peligrosos vertidos al suelo que contienen compuestos químicos, elementos traza, metales radiactivos o que se encuentran a temperaturas elevadas; infiltración de agua de lluvia a través de confinamientos controlados y accidentes, tales como: roturas de líneas de conducción de químicos.
b) Contaminación de desechos sólidos domésticos vertidos sobre el suelo
o dispuestos mediante rellenos sanitarios mal diseñados, a los cuáles les llueve, el agua de lluvia se infiltra y produce líquidos percolados pasan al suelo; accidentes tales como roturas que producen fugas en tanques sépticos y sus tuberías.
c) Contaminación por desechos agrícolas diluidos principalmente por la
escorrentía de irrigación o de lluvia que arrastran fertilizantes, minerales, sales y plaguicidas.
d) Contaminación por accidentes de buques tanque que transportan
petróleo y derraman grandes cantidades sobre las costas. e) Accidentes de los pozos petroleros ya sea en tierra firme o en aguas
profundas de los océanos y que finalmente llegan a las costas. f) Los residuos minero – metalúrgicos, denominados ―jales‖ de todos
tratamientos de minerales g) Degradación del suelo por uso intensivo de un mono cultivo y por la
contaminación de agroquímicos y paguicidas
A continuación se presenta un listado de indicadores de contaminación que a través del suelo puede introducir el agua de lluvia.
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- Sólidos totales disueltos - Sólidos suspendidos
totales - Demanda bioquímica de
oxígeno - Hidrocarburos - Nitrógeno - Detergentes - Fenoles - Sulfatos - Sulfatos - Nitratos - Nitritos - Amoniaco - Dióxido de carbono libre - Bicarbonatos - Fierro (ferroso o ferríco) - Manganeso - Sodio - Potasio
- Calcio - Magnesio - Dureza total - Cloruros - Fluoruros - Fosfatos - Zinc - Plomo - Cobre - Arsénico - pH - Selenio - Mercurio - Cromo
1.1.2 Condiciones físicas del suelo
Puede definirse al suelo como un agregado natural de granos minerales que pueden ser separados por medios mecánicos suaves como la agitación de agua, pero de tal naturaleza y, tan dinámico que puede adquirir ciertas propiedades físicas, químicas y biológicas, dependiendo de los elementos que actúen sobre él.
Los pueden dividirse en dos grandes grupos: Aquellos que son el resultado de físico y químico de la roca intemperizada
y aquellos que son principalmente de origen orgánico. Si los productos de la roca se encuentran en el sitio en que se originaron se llaman ―suelos residuales‖, de otra forma se denominan ―suelos transportados‖, sin importar el agente que los transporto.
La profundidad de los suelos residuales depende de las condiciones
climáticas y del tiempo de exposición. Donde la capa superficial productiva de suelo es un biosistemas constituido por:
a) Materia orgánica en varias etapas de descomposición. b) Formas de vida macro y micro biológica que participan en la
degradación de materia orgánica, así como en la síntesis de los nutrientes de las plantas
c) Agua y componentes de sales disueltas
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d) Aire y gases e) Componentes minerales inorgánicos no solubles en aguas, como son:
arenas, limos y arcillas en varias combinaciones.
1.1.2.1 Materia orgánica
La materia orgánica del suelo se encuentra estrechamente relacionada con la productividad agrícola. Las mejores condiciones físicas, químicas y biológicas para los cultivos se encuentran preferentemente en suelos con alto contenido de materia orgánica.
La materia orgánica procede directamente o indirectamente de las plantas
superiores y, en pequeña proporción, de otros organismos –algas y bacterias- capaces de sintetizar productos orgánicos a partir de elementos inorgánicos y compuestos simples. Los materiales orgánicos que sintetizan las plantas se consumen por una gran variedad de seres vivos, quienes los degradan parcialmente o los transforman en nuevos compuestos orgánicos dentro de la cadena alimenticia, y finalmente los depositan como restos vegetales y animales en el suelo, en donde los microorganismos y otras reacciones químicas los transforman a compuestos más simples de menor energía.
1.1.2.2 Composición de la materia orgánica De acuerdo con el estado de descomposición, la materia orgánica del
suelo puede clasificarse en tres categorías: seres vivos, hojarasca y humus.
En la práctica los límites entre estas categorías no son diferenciados con claridad, por lo que esta clasificación puede catalogarse como conceptual.
1. Seres vivos. Generalmente depende de las condiciones del suelo para
su desarrollo. Las plantas son el grupo más importante de esta
categoría, el material que rodea a sus raíces vivas o en descomposición
contiene gran cantidad de macro y microorganismos.
2. Hojarasca. Esta constituida por cualquier tipo de m.o. en proceso de
descomposición rápida. Los cuales son descompuestos por los
microorganismos del suelo, primero en forma rápida, mientras la
población microbiana crece y posteriormente en forma lenta, cuando los
productos residuales son más resistentes a la descomposición y
disminuye la disponibilidad de alimento. Al proceder la descomposición
de la m.o. se genera el humus.
3. Humus. Parte de la materia orgánica más resistente a la descomposición
rápida, compuesta principalmente por ligninas, aminoácidos,
carbohidratos, celulosa, emicelulosa, grasas, ceras, resinas y otros
compuestos. Aproximadamente el 56% del humus es carbón; el 35%
oxígeno, el 3.5% hidrógeno, y tiene una relación Carbón / Nitrógeno
10/1, su relación Carbón / Fosfóro y Carbón /azufre es de 100/1. La
coloración es casi negra; sus tipos dependen del material descompuesto
y del medio ambiente.
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La concentración mayor de m.o. se encuentra generalmente en el suelo superficial debido a que en esta parte del suelo crecen las raíces y las condiciones de humedad, fertilidad, aireación y temperatura son más adecuadas para los seres vivos. La concentración de la m.o. varía con la época del año; es mayor cuando la lluvia y la temperatura favorecen el crecimiento de las plantas y la velocidad de descomposición de este material es lenta. Lo cual se puede apreciar en los datos de la tabla 1.1.1 Tabla 1.1.1.. Clasificación de la materia orgánica del suelo, según el método de
Walkley-Black
Clase Materia Orgánica (%)
Extremadamente pobre 0.00- 0.60 Pobre 0.61-1.20
Medianamente pobre 1.21-1.80 Mediano 1.81-2.40
Medianamente rico 2.41-3.0 Rico 3.01-4.20
Extremadamente rico > 4.20
Muchas de las características de los suelos están determinadas por el
tamaño de las partículas minerales y por el área superficial que presenta. Tales características pueden ser gradualmente modificadas por la materia orgánica, de modo especial por el humus, cuya capacidad de intercambio catiónico varía desde 100 a 400 me/100 g (Narro, 1994).
La falta de uniformidad en la terminología, se debe a la heterogeneidad
del material que la compone, por lo tanto, se muestra otra definición de la composición de la materia orgánica.
La materia orgánica de un suelo se compone de:
Materia Orgánica fresca (m.o. no humificada): materia prima para la
formación de las sustancias humicas. Está integrada por: Biomasa vegetal (mayoritaria) senescente (necromasa) procedente de la
parte aérea de la vegetación y las raíces, y de restos, deyecciones y secreciones de animales. Constituye una fuente de energía para las comunidades saprófitas que la consumen.
Biomasa microbiana, masa de microorganismos y microfauna menores de 5 x 10 -3 μm. Esta muy poco o nada alterada y no se encuentra unida a la fracción mineral. Se puede separar por procedimientos físicos.
Humus: Se encuentra constituido por sustancias resultantes de la
alteración (desnaturalización, desorganización y cambios en la funcionalidad) de productos sintetizados por las plantas y los microorganismos. Con uniones débiles con la fracción acción mineral.
15
Materias orgánicas heredadas (sustancias no húmicas, biomacromoléculas con características químicas reconocibles):
Materiales orgánicos sencillos: azúcares y amioácidos.
Materiales orgánicos de elevado peso molecular: polisacáridos y proteínas.
Materias orgánicas humificadas (sustancias húmicas o humus en sentido estricto, materiales transformados que han perdido las características químicas de sus precursores) (Porta, 2003).
La m.o. puede incluir gran cantidad de compuestos químicos, los que
pueden ser descompuestos a una velocidad que depende de los siguientes factores:
a) Naturaleza, composición y tamaño de las partículas orgánicas b) Tamaño de la población microbiana del suelo y tipo de
microorganismos presentes. c) Disponibilidad de nutrimentos y fuente de carbón, incluyendo la
relación C/N, para los microorganismos d) Contenido de humedad en el suelo y su disponibilidad e) Temperatura y sus variaciones f) Reacción –pH- del suelo g) Contenido de oxígeno en el aire del suelo y aireación h) Contenido y concentración de sustancias inhibidoras del
crecimiento microbiano (Narro, 1994). i)
La relación C/N entre el contenido de carbono orgánico (C) y el de nitrógeno (N), determina la tasa a la cual el nitrógeno estará disponible para las plantas, por lo que se puede utilizar como indicadores de calidad de m.o. de medios aerobios, si sólo se atiende a la facilidad de descomposición. El valor de esta relación es muy alto para la m.o. fresca y va disminuyendo a medida que la m.o. se transforma en humus, como se muestra en la tabla 1.1.2
Tabla 1.1.2 Valores de relación C/N
Materia orgánica C/N Materia Orgánica C/N
Bacterias 4-5 Residuos de trébol 23 Hongos 9 Heno de alfalfa 25 Humus 8-12 Mantillo de bosque 30 Mantillo de jardín 12-15 Tallos y hojas de maíz 60 Alfalfa joven 12 Paja de trigo 80 Compost 15-20 Paja 90-110 Leguminosas maduras 20 Xenobióticos ≥ 120 Estiércol maduro 20 Serrín > 250
La relación entre la capacidad de intercambio cationico y el carbono pueden también utilizarse de indicador de calidad de la m.o.(materia orgánica). Por lo general, se considera que la actividad microbiana se ve favorecida con la presencia de compuestos hidrosolubles fácilmente metabilizables, y con la disponibilidad de nitrógeno, lo que corresponde con valores C/N (Carbono / Nitrógeno) bajos. No obstante, puede tener mayor importancia en la alteración
16
de la m.o., ya sea la presencia de sustancias inhibidoras de la actividad microbiana, tales como taninos condensados, fenoles tóxicos, resinas, terpenos, ácidos orgánicos, entre otros, ya sea el desorden estructural en las sustancias macromoleculares. Los tres aspectos no resultan excluyentes y en definitiva, son los que permiten explicar las distintas tasas de descomposición de la materia orgánica. La materia orgánica que procede de plantas herbáceas y de bosques de frondosas copas se consideran ―mejorante‖ o de ―alta calidad‖, por ser de descomposición rápida. Por el contrario, en bosques de piceas, pinos y bajo vegetación de brezos, la m.o. se considera acidificante o de ―baja calidad‖ (figura1.1 2.1), al ser de descomposición más lenta (Porta, 2003).
Figura 1.1.2.1 Bosque
La materia orgánica no húmicas incluyen aquellas sustancias cuyas características químicas resultan identificables, tales como glúcidos, proteínas, péctidos, aminoácidos, grasas, ceras, poliésteres y ácidos orgánicos de bajo peso molecular (Porta, 2003). La mayoría de estas sustancias son fácilmente biodegradables por encimas especificas, por lo que persistirán poco tiempo en el suelo. Pueden incluir además, las ligninas, si bien su comportamiento de alteración se diferencia de las restantes. Las sustancias húmicas, humus en sentido estricto, suponen entre un 60 y un 80% de la materia orgánica. del suelo (Porta, 2003). Son el producto de la alteración de la m.o. (procesos de humificación) por acción microbiana y por procesos abióticos. Constituye la fracción más activa de la m.o. de los suelos agrícolas. Se trata de una mezcla compleja de compuestos orgánicos de composición diversa: Biomacromoléculas: compuestos de origen biosintético de estructura molecular relativamente definida. Sustancias de estructura no especifica: No se puede precisar su composición química ni los grupos funcionales que las integran (estructura desordenada o caótica); tienen composición no estequiométrica, si bien se pueden definir en términos estadísticos. 1.1.2.3 Función de la materia orgánica del suelo
Las funciones del suelo se ven directamente afectadas por la cantidad y la
calidad de la m.o. que contiene. Por ello, la m.o. es un contribuyente y un indicador de la calidad del suelo (Porta, 2003).
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La atención que ha merecido la m.o. se debe a que influye en múltiples
propiedades de los suelo, a pesar que la mayoría de ellos suponga una cantidad porcentualmente mayor, dependiendo de la categoría de suelo de que se trate. La m.o. tiene incidencia sobre propiedades físicas, química, biológicas y da lugar a múltiples interrelaciones:
1.1.2.3.1 Propiedades físicas:
Estructuración
Sellado y encostramiento de la superficie del suelo
Porosidad y aireación
Movimiento del agua en el suelo
Capacidad de retención de agua disponible para las plantas.
El efecto de la m.o. es de mayor importancia en los suelos de textura más gruesa.
Facilidad de laboreo
El oscurecimiento de la superficie de los suelos a medida que el contenido en m.o. es mayor hace disminuir el albedo, al ser menor la radiación reflejada, con incidencia sobre las propiedades térmicas (temperatura y balance de energía) del suelo.
Prevención de los procesos erosivos
1.1.2.3.2 Propiedades químicas:
Proceso de intercambio iónico
Capacidad tampón frente a los cambios de pH
Estabilización de nutrientes en forma orgánica (N,P y S)
Formación de complejos órgano minerales
Interacciones con xenobióticos
Papel depurador frente a vertidos, al regular la movilidad y
biodisponibilidad de productos potencialmente tóxicos, lo que incide
sobre la calidad de las aguas freáticas.
1.1.2.3.3 Propiedades biológicas: Interviene en la formación del suelo
Constituye una reserva de energía metabólica, por las grandes
cantidades de C y de nutrientes que contiene.
Fuente de macronutriente (N, P y S) y micronutrientes (B, Mo),
que son liberados en forma progresiva.
Estimula e inhibe la actividad enzimática, según los casos
Contiene reguladores del crecimiento de las plantas
Efectos antibióticos frente a organismos patógenos (efecto
biofumigante)
Contribuye a la resilencia de los ecosistemas, al disminuir o inhibir
los efectos de las perturbaciones ambientales, y de este modo acelera
su recuperación.
18
1.1.2.3.4 Interacciones:
Condiciona el funcionamiento biogeoquímico de los ecosistemas
Define los tipos ecológicos de humus y procesos edafogénicos derivados
Aumenta y permite definir la calidad de un suelo
Mejora la capacidad de los suelos para soportar la producción de alimentos y biomasa, por su incidencia sobre la fertilidad química, al almacenar nutrientes y hacerlos más disponibles para las plantas y sobre la fertilidad física.
Componente clave en la sostenibilidad/sustentabilidad de los sistemas agrícolas
Cambio global: secuestro de C de muchos suelos
Efectos no deseados derivados de la incorporación de m.o. al suelo: bloqueo de nitrógeno que sigue a una incorporación de m.o. fresca.
Por todo ello, se puede afirmar que la m.o. presente en el suelo como en
la figura 1.1.2.2.4 constituye un indicador importante de la calidad del suelo y de su productividad (Porta, 2003).
Figura 1.1.2.2.4 Presencia de materia orgánica
1.1.2.4 Factores que condicionan el contenido de materia orgánica en los suelos
El Contenido de m.o. en un epipedión varía de menos de un 1% en suelos
de regiones áridas, a más del 10% en suelos de pradera y más de 30% en todos los suelos orgánicos (Porta, 2003). Los factores que influyen en el contenido de m.o. son:
Vegetación. Determina la cantidad de necromasa aportada anualmente y su calidad. Los residuos de plantas aportados al suelo varían según el ecosistema de que se trate.
Clima. Condiciona el tipo de especies vegetales, la producción de biomasa y el grado de actividad microbiana. En zonas áridas y semiáridas: poca vegetación, por consiguiente, poca masa orgánica. En zonas frías la masa orgánica tiende a acumularse. En zonas tropicales húmedas: muchos aportes, pero también mineralización muy rápida.
19
Organismos del suelo. Intervienen en la alteración de la masa orgánica y en su mezcla con la materia mineral (bioturbación).
Posición en una ladera. Erosión.
Drenaje. La masa orgánica se descompone mal y tiende acumularse en suelos mal aireados en los que falta oxígeno; en aquellos que están permanentemente saturados de agua se puede formar un suelo orgánico.
Textura. Los suelos de textura arcillosa suelen tener más m.o. al retener más agua y nutrientes, lo que favorece la producción de biomasa.
Composición mineralógica de las arcillas. Es importante por la distinta afinidad de adsorción o complejación de las moléculas orgánicas, lo que puede suponer un efecto protector frente a la acción de los microorganismos.
Estructura del epipedión. Aireación, enraizamiento, etc.
Laboreo. La puesta en cultivo con roza, tumba y quema o el paso de pradera a cultivo implica una perdida de m.o., ya sea por menores aportaciones de m.o. al suelo, por perdida por erosión o por una mayor entrada de oxígeno al labrar. La disminución de laboreo por lo general, incrementa el almacenamiento del carbono y el consiguiente contenido de m.o. del suelo (Porta, 2003).
1.1.2.5 Procedencia de los componentes orgánicos del suelo
Los componentes orgánicos de los suelos proceden de aportes y de
síntesis biótica y abiótica:
Biomasa que vive en el suelo y su micromasa
Acumulación de restos de plantas y animales
Biomasa senescente incorporada de forma natural a los suelos en
cualquier ecosistema
Materiales orgánicos de origen biológico aportados por el hombre
en los agros ecosistemas: estiércoles, restos de cosecha, compostas,
animales muertos y microorganismos.
Productos xenobiótico: son aquellos de naturaleza orgánica
resultantes de síntesis industrial. Los más frecuentemente incorporados
a los suelos son los fitosanitarios y, en menor medida, plásticos y papel.
También se puede incluir aquí el carbón procedente de incendios
Macromoléculas resultantes de los procesos de alteración y de
humificación (figura 1.1.2.6.1) (degradación, reorganización, etc.).
Síntesis abiótica.
20
Figura 1.1.2.6.1 Descomposición de la materia orgánica 1.1.2.6 Formas de vida microbiológica
El suelo fértil esta habitado por sistemas de raíces de plantas superiores,
formas de vida animal (roedores, tuzas, insectos, lombrices, hormigas, actinomicetos ) y un número de más de seis ceros de micro organismos. Lo cual se muestran los datos en la tabla 1.1.2.7.1
Tabla1.1. 2.7.1 Poblaciones del suelo.
Microorganismos Número de microorganismos / gramos de suelo fértil agrícola
Bacteria (Cuenta directa) 2 500, 000 000
Actinomicetos 700 000
Hongos 400 000
Algas 50 000
Protozoarios 30 000
La población bacteriana del suelo excede a cualquier otra, encontrándose: Autotrofos Heterotrofos Mesofilos Termófilos Psicrofilos Aerobios
Anerobios Digestores de celulosas Oxidadotes de azufre Fijadores de nitrógeno Digestores de proteínas
Los géneros predominantes de actinomicetos son: Nocardía, Streptomyces, Nitrosomas quienes son responsables del olor húmedo de la tierra de campo, son capaces de biodegradar muchas sustancias químicas complejas, así como sintetizar y eliminar antibióticos Los hongos son más abundantes cerca de la superficie donde prevalece la condición aeróbica, existen en estado micelial y esporico. Descomponen los constituyentes mayores de los tejidos de las plantas, tales como las celulosas y las ligninas. Las levaduras no son muy abundantes, excepto en los viñedos. Las algas que se presentan en el suelo son del tipo verde (clorofilas), las azul - verde (cianofitas), las diátomitas. Su naturaleza fotosintética cuenta para su
21
predominancia sobre la superficie y justo bajo la capa superficial del suelo. Sirven principalmente sobre suelos erosionados donde principian a formar materia orgánica, se han encontrado en suelos desérticos; fijan también el nitrógeno en el suelo. La mayoría de los protozoarios del suelo son flagelados y amoebas, tienen significancia, ya que su modo dominante de nutrición es el ingerir bacterias manteniendo el equilibrio de la forma microbiana del suelo.
1.1.2.7 Agua y componentes de sales. Los sistemas de agua y aire componen gran parte del suelo como se
indica en la siguiente tabla 1.1.2.8.1
Tabla tabla 1.1.2.8.1 Sistemas de los componentes del suelo
aire 25 %
agua 25 %
mineral 50%
materia orgánica
El agua de los suelos con los sólidos y gases disueltos en ella, se le considera comúnmente como la ―solución del suelo‖. Puede dividirse en solución interna y solución externa, la primera se refiere a al agua que se encuentra en intimo contacto con las partículas del suelo, principalmente con la fracción coloidal, en las cuales la concentración y composición de los solutos están más o menos en equilibrio con la fase sólida del suelo. La solución externa se considera al líquido presente en los espacios capilares grandes y que está mucho diluida que la interna. Esta solución no es homogénea en cuanto a concentración, existiendo distintas especies iónicas en solución en los distintos puntos del suelo. La solución que se encuentra más cercana de las partículas del suelo es la más concentrada, disminuyendo conforme aumenta la distancia. Esta composición y concentración cambia constantemente, diluyéndose con la lluvia y concentrándose con la evaporización y la transpiración. 1.1.2.8 Aire y gases
El movimiento del gas en el suelo es importante por varias razones. El
oxigeno debe moverse hasta la raíz de las plantas para permitir su crecimiento. El CO2 liberado por las raíces cuando toman el oxigeno debe eliminarse del suelo. La mayor fuente de suministro de oxigeno al suelo es de la atmósfera. El movimiento de los mencionados gases es por difusión.
El suelo tiene capacidad para adsorber cantidades substanciales de SO2,
H2S, CH3SH (metil mercaptano), CO2, etileno y acetileno. Se expresa como mg – gas / gr de suelo, las tasas de adsorción de esos
gases y la cantidad de gas adsorbido no tienen correlación significante con el pH, el contenido de materia orgánica o contenido de arcilla.
22
Llegando a la conclusión que los microorganismos del suelo son los
responsables de la adsorción de CO2, C2H4, y C2 H2.
1.1.2.9 Componentes minerales inorgánicos
1.1.2.9.1 Arcillas
La matriz sólida del suelo esta constituida por arena, limo arcilla y materia
orgánica. Debido a su área superficial relativamente pequeña, los limos y las arenas son esencialmente no reactivos. Estas fracciones proporcionan un marco que contenga a las arcillas, pero sirven como filtro.
Las arcillas y la materia orgánica son extremadamente reactivas
determinando así el grado de aceptación de los efluentes de agua residuales por parte del suelo.
Las arcillas se definen generalmente como partículas minerales que
tienen un diámetro efectivo de 2 μ. Estas partículas tienen un área superficial enorme relativa a su masa (algunas de más de 800 m2 por gramo), son generalmente cristalinas ocasionado por los aniones de O y OH unidos a los cationes de aluminio y sílice, y que originan que las arcillas tengan una carga negativa interna que se muestra como una Capacidad de Intercambio Catiónico. Otra referencia de las arcillas es que las dimensiones horizontales de estás partículas son mucho más grandes, que en el sentido vertical.
Los signos negativos representan sitios de cargas negativas que deben
de ser neutralizados por cationes y las cargas positivas representan cationes. En la Caolinita las regiones las regiones denotadas por 1, no existen
debido a que las capas unitarias individuales se encuentran firmemente unidas entre si. Como se muestra en la figura 1.1.2.9.1 y en la figura 1.1.2.9.2 donde se muestra una especie de caolinita al microscopio electrónico.
14
2
1
5
3
6
1,2,3,4,5 y 6Son átomos de oxigenou oxhidrilo con un átomo de Aluminio en el centro
5
1
4
6
2 3
Figura 1.1.2.9.1hojas de Aluminiode arcillas minerales
Las capas unitarias individuales pueden expandirse o contraerse, conservando su posición relativa permitiendo que el agua se mueva entrando o saliendo de la región 1.
23
La fuerza de atracción de cationes de la partícula de arcilla depende de: -La valencia -El tamaño, incluyendo el agua periférica. Como a continuación se indica:
Si 4+ 0.39 A° Al 3+ 0.57 A° Fe 3+ 0.67 A° Mg 2+ 0.78 A° Ca 2+ 1.06 A° Na + 0.98 A°
K + 1.33 A° OH- 1.32 A° O 2- 1.32 A° F- 1.33 A° Cl - 1.81 A°
Los cationes de alta valencia son atraídos con mayor fuerza que los de menor valencia, y los cationes pequeños son atraídos más fuertemente que los grandes, suponiendo igual valencia. La figura 1.1.2.9.2 muestra la distribución dimensional de cationes a un solo lado de una partícula de arcilla en un sistema húmedo. La concentración de cationes es mayor cerca de la arcilla y disminuye con la distancia. Esta distribución se establece por combinación de la fuerza de atracción de Coulomb y las fuerzas de repulsión debidas a la concentración y se conoce comúnmente como la doble capa difusa.
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Distancia de arcilla
Figura 1.1.2.9.2 Distribución dimensional de cationes a un solo lado de una partícula de
arcilla.
Un método conveniente para describir la influencia de los iones
intercambiables en el sistema del suelo o en el agua añadida al suelo, es considerar la relación de sodio iones divalentes. Se describe en términos de la relación de adsorción de sodio.
P A R T Í C U L A
24
RAS =
2
MgCa
Na fórmula 2.8.1
Como regla general un RAS de 15 o mayor debe considerarse
inaceptable. Sin embargo, existe una diferencia, dependiendo del tipo de arcilla
dominante, por ejemplo se puede tener con Caolinita el RAS > 20 antes que se presenten problemas serios de contaminación; pero si existe Montmorillonita un RAS de 8 a 10 causará problemas serios.
1.1.2.10 Capacidad de Intercambio Catiónico Es la capacidad del suelo de mantener y cambiar cationes y se mide en
mili-equivalentes por 100 gramos de suelo y aumenta con el contenido de arcilla y de materia orgánica. En terrenos ácidos, la capacidad de intercambio catiónico está parcialmente saturada de iones de hidrógeno y aluminio, en suelos neutros y alcalinos, principalmente de bases como calcio, potasio y magnesio. No sólo tienen importancia los iones, sino también las relaciones de los iones entre sí. Las cargas responsables de la capacidad de intercambio catiónico se originan por:
a) Sustitución isomórfica b) Cargas de la arista arcillosa. c) Cargas dependientes del pH (grupos funcionales de la materia
orgánica), (Cepeda, p 77, 2007). (Ortiz et al, p 144, 1984) (Porta, et al, p 235,
2003) (Gómez, et al, p 59, 2001) (Hausenbuiller, et al, pp 165 - 177, 1980). Se entiende por intercambio catiónico a los procesos reversibles por los
cuales las partículas sólidas del suelo adsorben iones de la fase acuosa, y des-adsorben iones al mismo tiempo cantidades equivalentes de otros cationes estableciendo un equilibrio entre ambas fases. Estos fenómenos se deben a las propiedades específicas del complejo coloidal, cuyas partículas tienen cargas electrostáticas y gran superficie de intercambio. La materia orgánica, las arcillas y los hidróxidos funcionan como transformadores. (Gómez, et al, p 59, 2001).
Los cationes contenidos en estructuras minerales devienen disponibles
gracias a los procesos de meteorización. Sin embargo la tasa de liberación varía para los distintos cationes y tipos de minerales.
Generalmente los minerales que contienen calcio se meteorizan con
mayor rapidez que el promedio. Una vez liberados los cationes pasan a los sitios de intercambio
catiónico, ya sea a la solución, pudiendo ser utilizados por las plantas y los microorganismos.
25
Cualquier exceso emigra a la base del solum, si se trata de una región
árida o percola hasta el agua de drenaje, en suelos de regiones húmedas. La mayoría de los materiales disueltos en los ríos provienen del lavado de los suelos y las cantidades son tan grandes, que en regiones húmedas, pueden superar el peso del limo y demás sólidos arrastrados al océano. Los iones dominantes en el agua de los afluentes son el Ca++ y el CO3
= La meteorización en regiones áridas es más lenta que en las regiones
húmedas y la cantidad de material que alcanza la solución del suelo es menor. Así mismo en las zonas áridas la solución es más concentrada, porque el contenido hídrico del suelo se reduce más que su contenido en sales. Además en regiones áridas los materiales disueltos son arrastrados hacia la parte baja del perfil, pero no abandonan el suelo
Si no que se almacenan en la base del horizonte B formando sales de
Ca++, Mg++, Na+, K+ y otros cationes combinados con CO3=, SO4
= y demás aniones.
Parte de estas sales emigran de nuevo por capilaridad hacia la parte
superior del perfil, cuando los horizontes superficiales se encuentran más secos que los profundos.
Las sales más solubles, como las de Na+, son las que ascienden en
mayor cantidad.
1.1.2.11 Adsorción preferente. La proporción relativa de los cationes adsorbidos en los sitios de
intercambio del coloide del suelo depende tanto del suministro disponible de
cada catión, como de la intensidad del lavado y de la fuerza con que es
adsorbido cada catión.
El suministro disponible de cada catión consiste, primero en los iones que
han sido retenidos, además de los iones que han circulado a través de las
plantas, animales y microorganismos hasta volver al suelo más el suministro nuevo de que proviene de la meteorización de los minerales o de fuentes exteriores como los fertilizantes. Los nuevos suministros son muy importantes para compensar la lenta eliminación de los nutrientes por lavado o esquilmo de las cosechas.
El proceso de lavado elimina rápidamente el exceso de sales solubles, las
cuales no han sido atraídas por los coloides del suelo. Cuando la mayoría de los iones presentes son adsorbidos por los
coloides, el lavado de aquellos tiene lugar más lentamente, ya que para extraerlos debe realizarse un intercambio de iones. Los procesos de lavado acidifican el suelo debido a que los cationes básicos se intercambian por iones H+.
26
El suministro de éstos últimos proviene del CO2 que se disuelve en el
agua y que, a su vez, debe su origen a los procesos biológicos y a los productos de descomposición de materiales orgánicos.
Otros factores de eliminación de cationes comprenden la extracción de cosechas y la volatilización. Aquella puede ser muy importante y con frecuencia conduce a la necesidad de fertilizar suelos, que en un principio, producían buenas cosechas sin abonos.
La volatilización es cuantitativamente más importante en suelos húmedos. En éstas condiciones, algunos microorganismos anaerobios forman materiales volátiles, sobre todo nitrógeno gaseoso, óxidos de nitrógeno parcialmente reducidos, sulfuro de hidrógeno y metano.Estos gases, a veces, escapan a la atmósfera.
La magnitud de la fuerza de atracción entre un catión y una micela depende de la carga del catión, de la densidad de carga sobre la micela y de cuán cerca puede aproximarse a la micela.
Las cargas son únicas para los iones H+, Na+, K+ y NH4+, dobles para
Ca++ y Mg++ y triples para Al+++.
La aproximación del catión se halla limitada por el agua de hidratación que lleva consigo.
Cuanto mayor es la carga y menor es el tamaño del ión deshidratado, mayores son sus dimensiones en estado de hidratación. Es difícil determinar el tamaño exacto del ión hidratado, pero puede establecerse una secuencia de mayor a menor, Al+++>Mg++> Ca++> Na+ > K+ = NH4
+.
La secuencia de fuerzas de atracción relativas, que refleja, a la vez, el número de cargas y el tamaño en estado hidratado es Al+++> Ca++>Mg++ > K+ = NH4
+.> Na+. Esta serie liotrópica , puede ser considerada como una secuencia de adsorción preferente .Si dos iones, uno situado al principio de la serie y otro al final, se hallan presentes en igual cantidad, los sitios de intercambio adsorben mayor número del primero que del segundo. No obstante, la adsorción preferente puede ser vencida por acción de masa cuando un ión se encuentre mucho mas concentrado que los restantes en la solución del suelo. 1.1.2.11.1 proporciones más frecuentes de cationes.
El pH del suelo está muy relacionado con las cantidades relativas de cationes ácidos, H+ Y Al+++, y bases de los sitios de intercambio El pH sube cuando aumentan las concentraciones de bases y baja cuando se incrementan los ácidos. También ocurren variaciones en el interior de los dos grupos. El ión Al+++ es mucho menos frecuente que el H+ a valores de pH superiores a 5, pero deviene dominante en suelos extremadamente ácidos. Aparentemente
27
cuando el pH desciende por debajo de 5, el aluminio se libera de la estructura cristalina de los minerales de la arcilla, se traslada a los sitios de intercambio, pasando también a la solución del suelo y, en ocasiones, causa daños a las plantas. De modo que la toxicidad del aluminio puede evitarse manteniendo el pH del suelo en niveles de 5 a 6.
Las bases dominantes en los sitios de intercambio catiónico son el calcio y el magnesio. Esto debido a que el calcio meteorizable abunda y se libera con relativa rapidez. Además de que el calcio es adsorbido por las micelas de arcilla y humus con mayor fuerza que los demás cationes básicos.
Excluyendo los cationes ácidos, los cationes de calcio, magnesio, potasio y sodio constituyen el 99% de las bases cambiables del suelo.
1.1.2.12 El pH del suelo.
Los procesos de lavado eliminan bases del suelo y por lo tanto, con el tiempo, tienden a provocar un descenso del pH. Este proceso de descenso gradual es importante en los suelos jóvenes y pierde influencia en los seniles, en donde los procesos meteorizantes han eliminado ya la mayor parte de las arcillas.
Los fertilizantes que contienen azufre o nitrógeno acidifican el suelo produciendo efectos apreciables en pocos años. La aplicación de cal permite aumentar el pH cuando este es demasiado bajo y por el contrario, en suelos básicos, puede conseguirse un descenso del pH mediante la aplicación de yeso.
En casi todos los suelos es posible lograr un descenso de pH mediante la aplicación de azufre, que una vez oxidado por los microorganismos, forma ácido sulfúrico.
La vegetación tiene influencia sobre los niveles de pH, puesto que aporta materia orgánica, además de influir en el proceso del lavado. La materia orgánica degradable da lugar a la formación de ácidos orgánicos que aumentan la capacidad de intercambio de cationes, pero que disminuyen el porcentaje de saturación de bases y, por lo tanto, el pH.
Los procesos de lavado se aceleran en condiciones ácidas porque la meteorización que predomina en ellas libera más cationes y son menos retenidos en los sitios de intercambio. Más aún, las condiciones ácidas suelen presentarse en regiones húmedas, donde el lavado puede ser intenso. Sin embargo, la vegetación contrarresta dicho proceso.
28
1.1.2.12.1 Saturación de bases y el pH del suelo.
La adición de ácidos o de materiales que los originen, hace descender el pH del suelo, mientras que la adición de bases produce el efecto contrario. Sin embargo, la variación de pH suele ser relativamente pequeña en comparación con la cantidad de ácido o base administrada, ya que la mayoría de los suelos se hallan bien tamponados.
La capacidad de intercambio catiónico es el principal mecanismo tapón de que dispone el suelo. Generalmente, los cationes cambiables son en parte básicos como el Ca++, K + y el Mg++ y en parte ácidos como el H+ y Al+++. Si bien éstas propiedades solo pueden manifestarse cuando los cationes se hallan disueltos. Para la mayoría de los suelos, el número de cationes adsorbidos sobre las micelas (inactivos) supera en mas de 100 veces al número de cationes en solución verdadera ( Activos ). Al medir el pH sólo se tiene en cuenta la porción activa de los iones H+, aunque existe un intercambio continuo ó equilibrio entre los iones cambiables adsorbidos y los que se encuentren disueltos.
Cuando se añade ácido a un suelo, sólo una fracción de los iones H+ aplicados permanecen en solución, los restantes se intercambian con bases adsorbidas en micelas y ocupan su lugar.
Cuando se añade una base al suelo ocurre la reacción inversa: los iones H+ de las micelas son sustituidos por los cationes de la base y pasan a la solución, donde reaccionan con iones OH- para formar agua.
Gracias a estos procesos, cuando se aplica al suelo un ácido o una base, el pH varía sólo ligeramente y, simultáneamente, tiene lugar una variación en el porcentaje de sitios de intercambio ocupados por H+ respecto a los ocupados por las bases.
El porcentaje de sitios de intercambio catiónico ocupados por bases recibe el nombre de porcentaje de saturación de bases. (Thompson, 1980).
En general, cuanto más arcilla hay en el suelo, tanto más elevada es la capacidad de intercambio de cationes. La proporción de los distintos cationes unidos al complejo de intercambio varía con las condiciones bajo las cuales se ha formado el suelo. Estas proporciones pueden modificarse encalando y tratando al suelo con fertilizantes.
Por lo común en condiciones neutras (o casi neutras) de climas moderados, el calcio constituye cerca del 80 %, o más de las bases solubles. La arcilla donde el calcio predomina asegura una buena aireación y un buen drenaje, reduciendo al mínimo los efectos desfavorables de un contenido elevado de arcilla. (Cepeda, p 94-95, 2007)
29
El calcio promueve la descomposición de la materia orgánica y la liberación de nutrientes. A la vez, mejora la estructura del suelo y la retención del agua. Sin embargo, un exceso provocará una deficiencia de potasio, fosfato, magnesio, zinc y hierro. (SEP/ TRILLAS, p 29, 2002) 1.1.2.12.2 Iones intercambiables.
Son aquellos que pueden ser intercambiados en un período limitado por otros iones, a partir de las soluciones de concentración y pH estandarizados como el acetato de amonio a pH 7, ó acetato de sodio a pH 8.2, etc.
Iones que neutralizan la carga negativa de las partículas del suelo y que se encuentran en equilibrio con otros en la solución.
1.1.2.12.3 Iones no intercambiables.
Son aquellos que se encuentran encerrados en minerales en sitios pocos accesibles o químicamente ligados en compuestos orgánicos y que no pueden ser liberados fácilmente con agentes de intercambio convencionales en un período limitado.
Las partículas de suelo tienen un carácter anfótero en distinto grado, es decir, alguna más que otras, pueden comportarse como ácidos o como bases y son capaces de retener tanto cationes como aniones dependiendo de la condición del medio.
A pH ácidos pueden existir cargas negativas y positivas, y el pH al cual se igualan se denomina punto de carga cero (ZPC) o punto isoeléctrico, donde la carga neta total es cero.
A pH básicos, existen las cargas permanentes debidas a las sustituciones isomórficas y las cargas variables debidas a la materia orgánica y otros componentes
1.1.2.13 Solubilidad
Una solución consiste en dos componentes; un solvente que es un medio que disuelve, como el agua por ejemplo, y el soluto que es la substancia disuelta.
Una solución concentrada es aquella que contiene relativamente grande de soluto por una unidad volumen de solución, una solución diluida es aquella que contiene una cantidad relativamente pequeña de solutoi por una unidad de volumen de solución.
30
Los principales métodos para expresar las concentraciones de soluciones son:
La molaridad
La normalidad
La primera es un método que consiste en comparar las concentraciones de la solución, se dice que una solución 1 molar , tiene un soluto disuelto en 1 litro.
La molaridad se expresa como:
litros
molesmolaridad
Mientras que la molaridad de una solución se refiere a su concentración general (el soluto disuelto en la solución) la normalidad de una solución se refiere más específicamente a la potencia para reaccionar de la solución. Uno de los primeros conceptos que se aprenden en un curso de química básica, es que la transferencia de electrones es responsable por la actividad química o la habilidad de reaccionar de un elemento o un compuesto.
El concepto de equivalentes relaciona el número electrones disponibles para ser transferidos y el peso átomico que debe estar asociado con cada uno de sus electrones de valencia.
Debido a que el concepto de equivalentes se basó en la potencia de reacción de un elemento o compuesto es fácil entender que un número específico de equivalentes de una substancia reaccionarán con el mismo número de equivalentes de otra substancia.
Entonces:
Peso equivalente valenciadeNúmero
átomicoPeso
La normalidad indica el número de equivalentes en un (1) litro de solución; o sea, indica cuántos equivalentes de otra substancia reaccionaran con esta solución.
Normalidad solucióndeLitros
solucióndeesequivalentdeNúmero
31
Ahora bien, debido aque el número actual de equivalentes en una solución determina en que cantidad reaccionará con otra substancia, debemos considerar ambos, la normalidad y el volumen de la solución.
litrosensolución
ladevolumenx
soluciónlade
Normalidad
soluciónlaen
esEquivalent
..
Si se tienen dos soluciones A y B se dice entonces que:
BAAA NN
Donde:
N A , N B Son la normalidadesde las soluciones A y B respectivamente.
BA , Son los volumenes de esas soluciones.
Si se tiene el caso de un líquido percolado que ha escurrido de un relleno sanitario y penetrado al medio poroso con las siguientes concentraciones.
Concentración mg / l
Ca ++
2,500
Mg ++
500
Na+
2,000
K+
2,000
Fe +++
1,500
Fe ++
500
N+ deNH3 500
Zn ++
150
Ni ++
100
32
Se calcula la normalidad de la solución de líquido percolado: Ver tabla 1.1.2.13.1.
Ahora :
BAAA NN
NA es la normalidad del líquido percolado.
A es un litro de líquido percolado.
NB es la normalidad del suelo = 15 meq / 100 gr De suelo.
B es el volumen de suelo necesario para intercambiar 1 litro de
líquido percolado. Y si el suelo pesa 1, 400 Kg / m3 se tendrá:
percoladolíquido
suelomB
)(0021.0
1400100015
100440 3
CONSTTITUYENTE DEL
LIQUIDO PERCOLADO.
CARGA DE ION PESO EQUIVALENTE (1) CONCENTRACION
(2)
Mg/1
CONCENTRACION ⁄
PESO EQUIVALENTE
mili equivalente
Calcio Ca⁺⁺ 40.08⁄2=20.04 2,500 124.75
Magnesio Mg⁺⁺ 24.31⁄2=12.16 500 41.14
Sodio Na⁺ 22.98⁄1=22.98 2,000 87.03
Potasio K⁺ 39.10⁄1=39.10 2,000 51.15
Fierro Fe⁺⁺⁺ 55.85⁄3=18.62 1,500 80.57
Fierro Fe⁺⁺ 55.85⁄2=27.93 500 17.91
Amoniaco N⁺ 17.00⁄1=17.00 500 29.41
zinc Zn⁺⁺ 65.37⁄2=32.69 100 4.59
Níquel Ni⁺⁺ 58.71⁄2=29.36 100 3.41
439.96
No
rma
lida
d =
44
0 m
eq
/1
Tabla 1.1.2.13.1Cálculo de la normalidad de la solución de líquido percolado.
33
Figura 1.1.2.13.1 El volumen de suelo necesario para intercambiar 1 litro de líquido percolado. En la figura 1.1.2.13.1 podemos apreciar un isometrico para intercambiar 1 litro de líquido percolado.
1.1.2.14 Capacidad de Intercambio Catiónico.
En suelos, los sitios de carga negativa son mucho más numerosos, por lo tanto la capacidad de intercambio de cationes es de mayor relevancia que la capacidad de intercambio de aniones. (Hausenbuiller, et al, pp 165, 1980).
La capacidad de intercambio catiónico (CIC) de una de las muestras de suelo o de algunos de sus componentes se expresa:
- El número de moles de iones carga positivos adsorbidos que pueden ser intercambiados por unidad de masa seca, bajo unas condiciones dadas de temperatura, presión, composición de la fase líquida y una relación de masa solución dada.
- Un mol de carga positiva equivale a 6.02 x 1023 cargas de cationes adsorbidos.
En unidades SI la CIC se expresa en centimoles de carga positiva por kilogramo, cmol (+) Kg -1 o bien en cmol, kg-1. Con anterioridad se venia utilizando como unidad el meq / 100 g, cuyo uso se halla muy extendido. El valor se numéricoes el mismo en ambas unidades. (Porta et al , p 235, 2003)
A manera de resumen se puede decir que:
0.0021 m
1 metro
1 metro
1 litro de percolado
0.001 m
Suelo necesario
Para
intercambiarlo
34
La capacidad de intercambio catiónico (CIC) es una propiedad ligada en la fracción mineral a la arcilla y al limo y a la fracción coloidal de la materia orgánica.
Se refiere al proceso reversible de intercambio de cationes y aniones entre las fases sólidas y líquidas del suelo, y entre fases sólidas en estrecho contacto.
Los minerales y las partículas orgánicas con alta superficie específica pueden absorber sobre sus superficies moléculas e iones.
La adsorción indica la retención de una especie iónica en la superficie de un sólido causada por intercambio iónico u otras reacciones.
La desorción es el proceso opuesto en el cual se liberan los iones adsorbidos.
Los coloides orgánicos e inorgánicos contribuyen a la CIC total del suelo.
La CIC corresponde al total de posiciones de cambio (cargas negativas) o cantidad total de cationes adsorbidos.
La adsorción de iones es de gran significado para la reacción del suelo pH, suministro de nutrientes, estructura, procesos de formación del suelo.
El intercambio entre iones se realiza en cantidades equivalentes según el número de cargas.
La magnitud de la CIC depende del tipo de coloide: arcillas y humus y del porcentaje de cada uno de ellos presentes en el suelo.
La CIC depende del pH del suelo, por su efecto en generar cargas negativas.
La CIC se expresa en centimoles por Kg, Un centimol positivo es igual a 1 miliequivalente que se define como 1 mg de H o la cantidad de cualquier otro ión capaz de combinarse con él o desplazarlo.
Los cationes intercambiables más importantes son: Ca++, Mg++, K+, Na+ con Al3+ y H+. Menos abundantes son NH4
+ y Fe+.
El H+ y el Al3+ causan acidez del suelo, en cambio Ca++, Mg++, K+ y Na+ son básicos y se conocen como las bases del cambio.
35
La naturaleza de los cationes adsorbidos dependerá de la disponibilidad de iones en la solución del suelo, asociados principalmente al clima y al drenaje. (Honorato, p 146, 2000.) 1.1.2.14.1 Mecanismo de intercambio de cationes
Tanto en suelos ácidos como calcáreos el Ca+++ es usualmente el catión intercambiable predominante. Los suelos ácidos resultan de la acumulación de K+ intercambiable en el suelo. Los cationes en la solución del suelo reemplazan a los cationes adsorbidos en el proceso denominado intercambio de cationes. En este intercambio es rápido y reversible y las condiciones de equilibrio existen los cationes solubles e intercambiables. (Ortiz et al, p 144, 1984)
El intercambio se produce entre una superficie sólida, coloide, y líquida, solución del suelo, y eventualmente entre dos superficies sólidas, coloide-raíz. Los cationes están sometidos a la atracción del campo eléctrico creado por la superficie cargada en cuya cercanía hay una mayor concentración iónica y que tienden a difundir hacia la solución al existir un gradiente de concentración.
La superficie cargada negativamente y los atraídos eléctricamente, forman una doble capa difusa. El mecanismo es reversible, llegando siempre a un equilibrio, aunque los cationes polivalentes pueden ser más difíciles de intercambiar al formar enlaces covalentes fuertes. Así se puede observar en la figura 1.1.2.14.1 Las reacciones de intercambio son estequiométricas, el intercambio se produce en cantidades químicamente equivalentes. Las reacciones de intercambio son rápidas en el laboratorio y en el terreno pueden verse frenadas por la tasa de difusión del ión desde y hacia la superficie del coloide. Hay un efecto de acción de masas, de modo que la dirección de la reacción depende de las concentraciones relativas.(Honorato, p 147, 2000.)
Figura 1.1.2.14.1 Esquema en donde se muestra el mecanismo del intercambio catiónico.
36
1.1.2.15 Adsorción
1.1.2.15.1 Fórmulas de la adsorción
La fijación de contaminantes en el suelo se efectúa por la adsorción, que
es un proceso físico – químico por el cual las moléculas o iones son
inmovilizadas por las partículas del suelo.
Existe una relación entre la cantidad de adsorbida por un componente ― i ―
en gr / cm3 de suelo saturado y la cantidad de componente “ i ” por cm 3 de
liquido que puede expresarse mediante :
q i= q i (C 1, C2. C3 ,….., C I ,……..C n , s, t ).............................1.1.2.15.1
dónde ― s ― es una variable del espacio.
La cantidad de ion “ i ” que es adsorbida, es en general una función de
todos los iones “ i ”, la posición “ s ” y el tiempo “ t “ .
La adsorción en los suelos es el proceso de concentrado de una
sustancia en la superficie de las partículas sólidas.
La adsorción depende principalmente de la naturaleza química y física del
adsorbato y el adsorbente.
La reacción de intercambio de dos especies A y B entre sus soluciones
acuosas y un sólido es:
K e q
A ( aq ) + n B ( s )
n B ( aq ) + A ( s )
..................1.1.2.15.2
1 – K e q
37
Donde:
a q es la especie en solución.
s es la especie adsorbida en el sólido.
n es el coeficiente de equilibrio estequiométrico.
La constante de equilibrio será:
a i ( s ) aBn (a q )
K e q = ------------------------------------ .............1.1.2.15.3 Ai ( a q ) a n B ( s )
Dónde:
a i ( a q ) son las actividades de las especies disueltas,.
a i ( a q ) = c i γ i.
Dónde: la concentración molal
γ i es el coeficiente de actividad molal.
C i es la concentración molal.
Para las especies adsorbidas, su actividad esta relacionada con la
fracción mole Xi y el coeficiente de actividad en el estado adsorbido λi.
Entonces:
a i( s ) =Xi λi
Sustituyendo estas relaciones; la concentración de A sobre el sólido
expresado como una fracción mole q A ( s ) depende de su concentración en
solución (fase líquida ) C de acuerdo a:
K e q Xn B λn B γ A
q i ( s ) ={ --------------------------------} ------1.1.2.15.4 C n
B λA γn
B
o bien:
38
q = K C
Dónde K es el coeficiente de distribución de concentración entre fase
líquida y fase sólida.
Es una función complicada.
La k e q se conoce para pocos sistemas; por lo que se ha tendido a
determinar ecuaciones empíricas mediante experimentación; obteniéndose las
ecuaciones de adsorción de Freundilich.
q = K Cn 0.1 ≤ n ≤ 1
donde;
K y n son constantes que deben ser determinadas experimentalmente.
Las desviaciones de n ≠ 1, indican el grado de no linealidad entre la
concentración de iones o moléculas en solución y la fase adsorbida.
La ecuación de adsorción de Lagmuir tiene bases físicas y ha sido
desarrollada para adsorción de gases en sólido sobre un sustrato con interfase
líquido - sólido:
La ecuación es:
K 1 K 2 C
q = -------------------------- 1.1.2.15.5
1 + K 2 C
Donde:
es la densidad del suelo saturado en gr / cm3 .
K 1 , K 2 son constantes del sistema.
Sin embargo si:
39
K 1 K 2 = K
Y: K2 C = ( C 1-n - 1 )
K C q = ------------------------- = K C n 1.1.2.15.6
1 + (C 1- n - 1 )
Ambas isotermas suponen equilibrio instantáneo así como reversibilidad
completa entre las concentraciones en fase sólida y fase líquida.
Cuando no se considera una adsorción instantánea y con irreversibilidad,
puede expresarse variación en fase sólida como:
7.15.2.1.1)( 4 KCKt
q
Donde:
y K4 son constantes que depende n del suelo y el químico en
solución.
Otro tipo de isotermas:
q ------------------------- = a C B qc 1.1.12.15.8
t
Donde:
a, b, c son constantes.
1.1.2.16 Temperatura del suelo.
La transferencia de calor en un medio poroso tiene importancia primero porque participa en el balance de energía de la superficie de la tierra y tiene influencia en el régimen de temperatura cerca de la superficie; y luego porque existe una fuerte relación entre el calor transferido y la humedad transferida por el medio poroso. Finalmente diremos que el flujo de calor en el suelo se encuentra influenciado por sus componentes, por el agua de infiltración y por los gases que tenga incluidos.
Los mecanismos de transferencia de calor en el suelo son de orden de importancia:
La conducción
La convección y
La radiación
La conducción ocurre a través de las partes sólidas, líquida y gaseosa del suelo. La convección puede considerarse despreciable con la excepción de una
40
infiltración rápida de agua después de una lluvia intensa y la radiación es solamente de importancia en suelos localizados en zonas desérticas de alta temperatura. Por ejemplo el desierto de Altar, Sonora.
De acuerdo con nuestro diagrama de definiciones, el flujo de calor será:
calordenacumulaciósalequecalorentraquecalor
Calor que entra:
K ( dy dz)
x
T
Calor que sale:
x
TdydzK
xx
TdydzK )()(
La acumulación:
t
dzdydxTC
Finalmente:
t
TC
z
TK
zy
TK
yx
TK
x
Donde: Es la densidad de suelo gr/ cm3.
C Es la capacidad calorífica volumétrica del suelo. K Es la conductividad térmica del suelo cal / cm – s - °C O también:
t
TD
y
T
y
T
x
T
222
Donde:
D Es la difusividad térmica del suelo.
La capacidad calorífica de una unidad volumétrica de suelo puede concentrarse en función de sus capacidades caloríficas, su fase sólida, líquida y gaseosa.
C = aaggg CnCCn 100
Donde:
gn Es la porosidad ocupada por el gas.
g Es la densidad del gas.
gC Es la capacidad calorífica del gas.
Es el contenido de humedad del suelo.
41
0 Es la densidad del agua
0C Es la capacidad calorífica del agua
n Es la porosidad del suelo
a Es la densidad de los sólidos del suelo
aC Es la capacidad calorífica de los sólidos del suelo.
Si:
gn 0.467
g 0.0012
gC 0.0003
0.317
0 1.000
0C 1.000
(n-1) = 0.216 n Es la porosidad del suelo
a 2.500
aC 0.60
C = (0.467) (0.0012) (0.0003) = 1.68 x 10 -7 cal / cm3 °C + (0.317) (1.000) (1.000) = 0.317 cal / cm3 °C + (0.216) ( 2.5000) ( 0.600) = 0.324 cal / cm3 °C
C = 0.641 cal / cm3 °C
K puede ser calculada como: K = (0.467) (0.00006) = 2.80 x 10 -5 cal / cm – s °C + (0.317) (0.00136) = 4.31 x 10 -4 cal / cm – s °C + (0.2.16) (0.00060) = 1.30 x 10 -4 cal / cm – s °C K = 5.89 x 10 -4 cal / cm – s °C Entonces la difusividad térmica será; D = K / C Sustituyendo valores, tenemos: 5.89 x 10 -4
D = --------------- = 0.0009 cm2 / seg 0.641
42
La perdida de calor en la superficie del suelo puede calcularse como:
z
TTAKq 12
Donde: q Es la perdida de calor en la superficie del suelo. T2 Es la temperatura a la profundidad ―z‖; T2 = 35° C T1 Es la temperatura en la superficie; T1 = 20° C z Es la profundidad ; z = 5.00 m A Es el área por unidad de temperatura del suelo A = 1 m2 Por lo que:
segmcal
m
Cscmcalq
2
4
/18.05
2035/1089.5
1.1.2.17 Dispersión
Una definición general de flujo es:
flujo impulsorafuerzaalidadproporciondefactor
Con las siguientes dimensiones:
2ML o 1MT
Donde : M es una medida de la cantidad de material arrastrado por el flujo. L es una dimensión líneal. T es el tiempo.
Las fuerzas impulsoras son los mecánismos responsables de que se efectúe el flujo y los contaminantes se moveran con el agua subterránea por una interacción compleja de cuatro procesos que se mencionan a continuación.
a) La advección. b) La dispersión mecánica. c) La difusión molecular. d) La interacción hidroquímica.
La advección: Es la transferencia de contaminantes con la misma velocidad y dirección con que se mueve el agua que los transporte. Este es el principal mecánismo, de tal modo que si se suprimen los demás, este es el único que permanece en el modelo del flujo.
43
Dispersión mecánica: Es el fenómeno de aspersado causado por las variaciones de velocidad. Debe incluirse en el modelo cuando existen fuertes gradientes de concentración que pueden influenciar la distribución de contaminantes.
Difusión molecular: Generalmente no es importante comparada con la dispersión mécanica, excepto si el flujo es muy lento. El coeficiente de difusión molecular se toma en cuenta con el de dispersión mécanica, y se conoce a veces como el ― coeficiente de dispersión hidro química‖.
La interacción hiroquímica: Entre el fluido y el suelo a veces ocurren procesos importantes que cambiaran la calidad del agua subterránea por los constituyentes químicos disueltos.
La advección por el flujo de agua subterránea tiene un rango:
seg
cmV
seg
cm 16 1010
El flujo material de densidad ρ ( gr/ cm3 ) con velocidad de V ( cm / seg) resulta:
segcm
grUcmF
2
Si se tiene fluyendo material con velocidad U que contiene otra substancia a una concentración C ( gr / cm3) entonces el flujo será:
segcm
grUCF
2
La velocidad U es la fuerza impulsora del flujo.
Considerando un medio poroso saturado con agua contenida en un tubo cilindríco, a tiempo cero se inyecta en el tubo un compuesto químico líquido de concentración C0. El perfil de concentración es una función escalon a tiempo
t = 0.
El movimiento es unidireccional, el valor de la inyección es constante y suponemos que no hay interacción físico – química como adsorción entre la fase sólida y la fase líquida.
La concentración del compuesto químico inyectado varia con el tiempo como se muestra en la figura 1.1.2.17.1
44
C
T=0 T=T₁T=T₂
La concentración del compuesto químicoinyectado varia con el tiempo como se muestra
La zona de transición seDefine como la zona donde La concentración de un liquido Inyectado varia de 0, a Co. La longitud de zona varia con El tiempo.
Figura 1.1.2.17. La evolución de la zona de transición con el tiempo.
La zona de transción se define como: ―la zona donde la concentración de un líquido inyectado varia de o , a C0. la longitud de la zona varia con el tiempo. La dispersión de un flujo de un fluido en un medio poroso se define cuando la zona de transición evoluciona entre los dominios de la fase líquida con diferente concentración. La dispersión resulta de la acción simultánea del fenómeno puramente mécanico y físico – químico. Entendiendose por: Acción mecánica: La distribución de velocidad de un fluido a través de un medio poroso es no uniforme, esto se debe a los efectos de la frontera de la fse sólida y se divide en tres tipos: a.1 El hecho de que el fluido es viscoso implica una velocidad nula sobre la superficies sólida, creando un gradiente de velocidad en la fase líquida de los tubos capilares a.2 Las variaciones de las dimensiones de los poros crean discrepancia entre las velocidades a lo largo de los ejes de los poros. a.3 Las líneas de corriente fluctuan con respecto a la dirección media del flujo. La observación de estos fenómenos elementales sugiere un aspecto geométrico de la dispersión descomponiendose en el sentido del flujo y en el sentido ortogonal denominandose: Dispersión longitudinal y Dispersión lateral o transversal. Hoopes J. A y Harleman, han encontrado en el Instituto Tecnlógico de Masachussett:, USA: La dispersión longitudinal:
D1 = 233
2.1
0
v
KUv
45
Para 0.004 <v
KU 0 <0.1
La dispersión lateral: 0.7
D2 = 1.86
v
KUv 0
Con unidades de transmisibilidad de m2 / seg. Y la relación : 0.5
v
KUv
D
D 0
2
1 120
Ejercicio: Donde : U0 = 1.93 x 10 -6 m / seg. K = 3.30 x 10-5 m / seg. T = 20° C v = 1.01 x 10-6 m2 / seg. Entonces:
Re =
011.01001.1
1030.31093.16
5.056
0
x
xx
v
KU
0.004 < Re < 0.1 : se aplica. La dispersión longitudinal será: D1= 233 x 1.01 x 10-6 x 0.0111.2 = 1.05 x 10-6 m2 / seg y : D2 = 1.86 x 1.01 x 10-6 x 0.0110.7 = 7.98 x 10 -8 m2 / seg
12.131098.7
1005.18
6
2
1
x
x
D
D
y: 0.5
11.01202
1 xD
D
= 12.57 ~13.12.
b) acción físico – química: La dispersión físico química es la difusión molecular que resulta del gradiente del potencial químico. Este potencial se correlaciona con la concentración, y la difusión molecular ocurre aún cuando el líquido se encuentre en reposo y puede clasificarse como: Figura . 1.1.2.17.2 b.1) Dentro de un tubo de corriente, la diferencia de concentración en la dirección media del tubo tiende a desaparecer.
46
b.1) Dentro de un tubo de corriente,un tubo de corriente,L a diferencia de concentraciL a diferencia de concentracióón en la n en la Dirección media del tubo tiende a desaparecer.
Tiempo = T
Tiempo = T+ΔT
…………..
Tiempo = T
Tiempo = T+ΔT…………..
…………..
…………..
…………..
b.2 Entre dos tubos Adyacentes de corriente Existe transferencia de masa por
En la figura1.1.217.2 .b. Se muestran la b.1 y la b.2 b.2) Entre dos tubos adyacentes de corriente existe transferencia de masa por efecto de diferencia de concentración.
1.1.2.17.1 Parámetros adimensionales que rigen el fenómeno.
Se puede suponer que la dispersión depende de los siguientes parámetros:
Viscosidad (μ) y densidades (ρ) de ambos fluidos.
Aceleración de la gravedad (g).
Velocidad promedio delñ poro (U).
Coeficiente de difusión molecular (Dm).
Permeabilidad, porosidad, diámetro, etcetera ( k,n,d, etc)
Además suponiendo que:
1) El mezclado ocurre sin disminución de volumen, la influencia de la diferencia de densidades, debido a la acción de la gravedad puede describirse mediante un solo parámetro.
g( ρ1 –ρ2) = g ∆ρ.
2) El coeficiente Dm toma en cuenta la difusión molecular y se supone independiente de la concentración.
3) La dispersión depende solamente de las viscosidades de ambos fluidos antes de su mezclado.
Puede entonces decirse que una relación funcional entre ―m ― cantidades dimensionales pueden siempre escribirse en términos de (m – n) Grupos adimensionales donde ―n‖ es el número de dimensiones fundamentales, entonces; hay una relación funcional de la forma :
47
D = f ( g ∆ρ, μ1, μ2, U, Dm, k) = 0
ó de la otra forma:
0,,,,,,, 21 KUDmgD
El número de variables físicas independientes es m = 7 , y existen (7 – 3) = 4 parámetros adimencionales que rigen el fenómeno:
Haciendo la siguiente tabla:
g
D k U μ1 μ2 Dm
a B c 1 2 3 4
F 1 0 0 0 1 1 0
L -3 2 1 1 -2 -2 2
T 0 -1 -1 -1 1 1 -1
Tabla 2.17.1 Parámetros adimencionales
Se generan los siguientes números adimencionales:
k
U1 2.17.1
2
1
3
2Dg
k
2.17.2
2
2
3
3Dg
k
2.17.3
D
Dm4 2.17.4
48
Dividiendo:
2
1
3
2
Y como:
d
Dmk
Donde d es el diámetro del material:
PeDm
dU
1 o número de Peclet
3
11
dg
D
Entonces:
0,,,3
1
2
1
dg
D
D
Ud
Dm
D
49
Utilizando los dos primeros; en la siguiente gráfica:
Figura 1.1. 2.17.3 Coeficiente de dispersión. Existen cinco regiones, que analizandoi podran analizarse: Región 1: Difusión molecular para D / Dm = 0.67 + a0 más significativa que la dispersión. Región 2: Zona de transición donde ambas son significativas. Región 3: Dispersión es más significativa, pero dentro de la dispersión, la Mecánica prevalece.
m
Dm
dUa
Dm
D
067.0 ---------------------
Según Fried
Dm
dU
Dm
D ---------------------------------------Según Lerner
m
Dm
dUa
Dm
D
0 -------------------------------Según Banks
Región 4 Dispersión mecánica pura:
duDm
DD
10-1
10-2
107
101
104
2
3 1
102
50
Por:
0Dm
D
Y:
8.14.1
2.2
D = 1.8 ud ---------------------------------Según Fried
m
Dm
dUa
Dm
D
0
Donde: m = 1
duDa 92.192.10 ----------------Según Banks
Y según Lerman:
m
Dm
dUa
Dm
D
0
Donde: m = 1.1
6.00 a
Y si Dm ~ 2 x 10-5 cm2 / seg. D = 1.77 ( u d ) 1.1
51
Región 5 La dispersión mecánica, donde el regímen del flujo esta fuera de la ley de Darcy. La turbulencia aparece cuando:
Re > 100
du Re
Se tienen pocos valores para esta zona. 1.1.2.17.1 Movimiento de una partícula en un fluido:
Ley de Stokes.
En esta sección se analizan las fuerzas que determinan el movimiento de una partícula suspendida en un fluido. Las suspensiones de partículas son importantes en diversas aplicaciones ambientales, que van desde la limpieza de partículas contaminantes provenientes de centrales eléctricas alimentadas por carbón y la sedimentación de partículas suspendidas en plantas de tratamiento de aguas residuales o en lagos, hasta le eliminación de la turbiedad durante la producción de agua potable. A fin de diseñar o analizar estos procesos, es necesario entender el movimiento de las partículas dentro del fluido del aire o de agua.
El movimiento de una partícula en un fluido está determinado por balance
de las fuerzas viscosas de fricción que se oponen al movimiento de las partículas con fuerzas gravitacionales o de otro tipo que causan el movimiento. En esta seccion se emplea el balance de fuerzas sobre una partícula para derivar la relación entre el tamaño de la partícula y la velocidad de sedimentación conocida como la ley de Stokes, y ésta se utiliza en ejemplos que incluyen camaras de sedimentación de partículas.
1.1.2.17.2 Sedimentación o decantación gravitacional. Considere la partícula en sedimentación de la figura 1.1.2.17.2.
FB
Fg
FD
FD
52
Figura 1.1.2.17.2. Fuerzas que actúan sobre la partícula que se sedimenta a través de aire o agua. La fuerza de gravedad F g va en dirección hacia abajo,
es contrarrestada por la fuerza de fricción FD.
A fin de determinar la velocidad a la que cae (la velocidad de sedimentación), se efectuará un balance de fuerzas. Hay tres fuerzas que actúan sobre la partícula: la fuerza gravitacional que la empuja hacia abajo, una fuerza de flotación que la empuja hacia arriba y una fuerza de fricción que la empuja hacia arriba. La fuerza gravitaciónal Fg es igual a la constante de gravedad g multiplicada por la masa de la partícula, mp. En términos de densidad ρp, y diámetro, Dp, de
las partículas, mp es igual a
36 p
p
D
. Por tanto:
gDF ppg 3
6
----------------------------------------------1.1.2.17.1.1
La fuerza de flotación. FB, es una fuerza neta que empuja hacia arriba como resultado del aumento de presión conforme hay mayor profundidad. La fuerza dde flotación es igual a la constante de gravedad multiplicada por la masa del fluido desplazado por la partícula:
gDF pfB 3
6
--------------------------------------------1.1.2.1.7.1.2
Donde f es igual a la densidad del fluido.
La unica fuerza que queda por detrminar es la fuerza de fricción, FD. La fuerzad de fricción es el resultado de la resistencia que opone el fluido al paso de la partícula. Esta resistencia depende de la velocidad a la que la partícula cae a través de fluido, el tamaño de la misma y la viscosidad, o resistencia al cizallamiento, del fluido. (La viscosidad desde el punto de vista cualitativo es básicamente lo que se llamaría ―lo espeso‖ del fluido – la miel tiene una viscosidad alta, entanto que el agua tiene uan viscosidad relativamente baja, y la viscosidad del aire es mucho más baja todavía ). En una aplia gama de condiciones, la fuerza de fricción puede correlacionarse con el número de Reynolds que se estudia en los textos de dinámicade fluidos e hidro-mecánica. La mayoría de las situaciones en que hay decantación de partículas implican condiciones de ―flujo reptante‖ ( número de Reynolds menor que 1) En este caso, puede utilizarse la fuerza de fricción de Stokes:
rpD vDF 3 -------------------------------------------1.1.2.17.1.3
Donde μ es la viscosidad del fluido( unidades de g cm-1 s-1) y vr es la velocidad de la partícula con respecto al fluido ( la velocidad de sedimentación). La fuerza neta hacuia abajo que actúa sobre la partpicula y es igual a:
53
DBgabajohacia FFFF ----------------------------------------1.1.2.17.1.4
rppfpp vDgDgD
366
33 --------1.1.2.17.1.5
rppfp vDgD
3
6
3 ------------1.1.2.17.1.6
La partícula responderá a esta fuerza según la segunda ley de Newton, que establece que la fuerza es igual a la masa multiplicada por la aceleración. Por tanto:
pabajohacia mF (aceleración)------------------------------------1.1.2.17.1.7
dt
dvm r
p ----------------------------------------1.1.2.17.1.8
Esta ecuación diferencial se resuelve para determinar la velocidad que varia con el tiempo una partícula que inicialmentese encuentra en reposo. La solución indica que, en casí todos los casos de interés ambiental, el tiempoque se requiere para que la parícula alcance la velocidad de sedimentación final es muy corto ( mucho menos de 1 segundo). Por esta razón, en este texto solo se considera la velocidad de sedimentaciónfinal o terminal. Cuando la partícula alcanza su velocidad terminal, ya no se acelera, de modo
que 0dt
dv. Por lo tanto de la ecuación1.1 2.17.18, Fhacia abajo= 0 . haciendo que
F hacia abajo sea igual a cero y notasndo que vr es igual a la velocidad de sedimentación vs a velocidad terminal , la ecuación 2.1.7.1.6 se puede rearreglar para obtener:
sppfp vDgD
3
6
3 ---------------------------1.1.2.17.1.9
O
p
fp
s Dg
v 2
18
------------------------------------------------1.1.2.17.1.10
Esta última ecuación se conoce como la ley de Stokes. La velocidad de sedimentación resultante a menudo se conoce como la velocidad de Stokes.
54
Llamada así porque se basa en la fuerza de frición de Stokes, es la ecuación fundamental que se utiliza para calcular las velocidades de sedimentación terminales en partículas tanto en el aire como en el agua y en la aplicación en el método de Boyucos en el laboratorio. Se utiliza en el diseño de sistemas de tratamiento para eliminar partículas de los gases de combustión y de aguas residuales, así como en el análisis de partículas y lagos y la atmósfera. Una implicación importante de la ley de Stokes es que la velocidad de sedimentación aumenta con el cuadrado del diámetro de la partícula, de esta manera las partículas grandes se asientan mucho más rápido que las pequeñas. Este resultado se utiliza en el tratamiento de agua potable: la coagulación y la flotación se emplean para hacer que las partículas pequeñas se agregen y formen partículads grandes, que sea posible remover por sedimentación gravitacionalen un periodo razonable. Este proceso resulta en la disminución de la turbiedad (es decir, el incremento de la claridad) del agua. Ejercicio:
Calcule la velocidad de sedimentación por gravedad de dos partículas atmoféricas que tienen diámetros de 0.1 μm y 100 μm, respectivamente. Y con
densidad p = 1.0 cm -3. Con base en el resultado, determine si la eliminación
de éstas partículas en una camatra de sedimentación de 1 m de profundidad sería una proposición realista. La viscosidad del aire es
11410695.1 scmgaire . La densidad del aire es extremadamente pequeña,
y así la fuerza de flotación podría omitrse. Solución: Utilice la ecuación 1.1.2.17.1.10 para determinar la velocidad de sedimentación. Para la partícula de 0.1 μm, obtenemos:
24
14
23
101.010695.118
9800.1cm
scmg
scmcmgv
= 3.2 x 10-5 cm s-1
Y para la partícula de 100 μm:
24
114
23
1010010695.118
9800.1cm
scmg
scmcmgvs
55
A la partícula de 0.1 μm le tomaría alrededor de 900 horas decantarse una distancia de 1 m. Sin embargo, a causa de de que la velocidad de sedimentación es proporcional al cuadrado del tamaño de la partícula, la partícula de 100 μm se asienta 106 veces más rápido, se asentaría una distancia de 1 m en sólo 3 segundos. (Mihelcic, pp 218 - 223, 2008,)
1.2 CONTAMINACIÓN DEL SUELO
La contaminación del suelo se debe principalmente a las causas siguientes:
1.2.1 Contaminación por desechos industriales tóxicos o peligrosos
vertidos al suelo que contienen compuestos químicos, elementos traza, metales radiactivos o que se encuentran a temperaturas elevadas; infiltración de agua de lluvia a través de confinamientos controlados y accidentes, tales como: roturas de líneas de conducción de químicos.
1.2.2 Contaminación de desechos sólidos domésticos vertidos sobre el
suelo o dispuestos mediante rellenos sanitarios mal diseñados, a los cuáles les llueve, el agua de lluvia se infiltra y produce líquidos percolados que pasan al suelo; accidentes tales como roturas que producen fugas en tanques sépticos y sus tuberías.
1.2.3 Contaminación por desechos agrícolas diluidos principalmente por la escorrentía de irrigación o de lluvia que arrastran fertilizantes, minerales, sales y plaguicidas.
1.2.4 Contaminación por accidentes de buques tanque que transportan
petróleo y derraman grandes cantidades sobre las costas.
1.2.5 Accidentes de los pozos petroleros ya sea en tierra firme o en aguas
profundas de los océanos y que finalmente llegan a las costas.
1.2.6 Los residuos minero – metalúrgicos, denominados ―jales‖ de todos tratamientos de minerales
1.2.7 Degradación del suelo por uso intensivo de un mono cultivo y por la contaminación de agroquímicos y plaguicidas
1.2.8 La desertificación, es uno de los principales causantes de que no
exista suelo en varias regiones del país y del mundo
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1.3.1 Impactos de la contaminación del suelo. 1.3.1.1Contaminan los mantos acuíferos
1.3.1.2 Impiden la producción de alimentos. 1.3.1.3 Contaminan los cuerpos de agua, por medio de escorrentía
Los jales con mineral de pirita, se convierte un ácido que afecta las obras civiles en muchos metros a la redonda donde se ubican la presa de jales.
El metal mercurio, contamina los cuerpos de agua y afecta al humano causandole enfermedades como:
El cadmio afecta los huesos del humano, causandole fractura a los mismos aún estando la persona en posición horizontal.
Los lixiviados de los rellenos sanitarios mal construidos o mal operados, contaminan los mantos acuíferos.
1.3.2 Marco legal en materia de contaminación del suelo.
1.3.2.1 NOM-138-SEMARNAT/SS-2003
Límites máximos permisibles de hidrocarburos en suelos y las especificaciones para su caracterización y remediación, para quedar como Norma Oficial Mexicana NOM-138-SEMARNAT/SA1-2008, Límites máximos permisibles de hidrocarburos en suelos y lineamientos para el muestreo y la remediación. 1.3.2.1 NOM-060-SEMARNAT-1994
Establece las especificaciones para mitigar los efectos adversos ocasionados en los suelos y cuerpos de agua por el aprovechamiento.
1.3.2.2 NOM-021-SEMARNAT-2000
Que establece las especificaciones de fertilidad, salinidad y clasificación de suelos, estudio, muestreo y análisis.
Objetivo.
La presente norma es de observancia obligatoria en todo el territorio nacional y tiene por objetivo establecer las especificaciones técnicas de muestreo y análisis de fertilidad, salinidad y clasificación de suelos, a partir de sus características especificas de constitución, formación y distribución.
57
1.3.2.3 NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004
Que establece criterios para determinar las concentraciones de remediación de suelos contaminados por arsénico, berilio, cadmio, cromo, hexavalente, mercurio, níquel, plomo, selenio, talio y vanadio. 1.3.2.4 NOM-141-SEMARNAT-2003
Que establece el procedimiento para caracterizar los jales, así como las especificaciones y criterios para la caracterización y preparación del sitio, proyecto, construcción, operación y postoperación de presas de jales
• Campo de aplicación
Esta Norma es de orden público y de interés social, así como de observancia obligatoria para el generador de jales provenientes del beneficio de minerales metálicos y no metálicos, exceptuando a los minerales radiactivos, y para las presas de jales que se construyan a partir de la fecha de entrada en vigor de esta Norma Oficial Mexicana.
58
UNIDAD 2 Caracterización y monitoreo del sitio contaminado
2.1 Caracterización del suelo 2.1.1 Introducción
El suelo es un sistema complejo dinámico caracterizado por una atmósfera interna, una economía particular del agua, flora y fauna determinada y elementos minerales.
Generalmente se acepta que el suelo es la parte exterior de la corteza terrestre, en la cuál las rocas se han desintegrado por efecto del intemperismo, formando una mullida cubierta en la que vive la flora y la fauna microbiana que actuando como laboratorio vivo, transforma la materia mineral en alimento para las plantas y el hombre. Es decir, el suelo es el recurso natural que, junto con el agua en forma de corrientes y lluvias, permite el establecimiento de actividades agrícolas, forestales y ganaderas.
La parte más importante del medio físico en un ecosistema terrestres es el suelo (Gómez et al. 2001)
Como en cualquier otra ciencia la caracterización precisa, es la base de la
taxonomía y permite la comunicación correcta de conceptos precisos. Para clasificar es necesario describir, cuestión de método. Muchas clasificaciones de suelos que utilizan el concepto de perfil edáfico se han desarrollado en la investigación de los mismos.
La clasificación de suelos está basada en la morfología detallada de los
horizontes y del perfil. Los estudios biológicos, físicos y químicos del suelo se ubican en su
contexto cuando se relacionan con una adecuada descripción del suelo natural (Valle, 2003).
2.1.2.Conceptos Básicos 2.1.2.1Propiedades Físicas
Son aquellas relacionadas con la organización estructural de un suelo y que son utilizadas en su descripción ó determinación en laboratorio.
Son de gran importancia para determinar las cualidades del suelo y definir su uso, entre otros.
Una característica física corresponde a una expresión cuantitativa de determinada propiedad y que da lugar a diferenciar los suelos en sus diferentes tipos.
59
Se han separado las propiedades físicas en primarias y secundarias. Las primeras pueden, o no, relacionarse entre sí. Pero la combinación de dos ó más determinan las secundarias.
Propiedades primarias:
Color, Textura, Estructura, Porosidad, peso.
Propiedades secundarias:
Expansión- contracción, Capacidad de arraigamiento,
Drenaje, Aireación, Temperatura, permeabilidad.
2.1.3 El color del suelo
El color del suelo es una de las características morfológicas más importantes, la más obvia y fácil de determinar .Es el atributo más relevante utilizado en la separación de horizontes y tiene una estrecha relación con los principales componentes sólidos de este recurso. (Ortiz Villanueva et al.,1984; Gómez, et al, 2001).
El color es una propiedad que intrínsecamente no tiene apenas significación sobre el comportamiento del suelo. Su interés radica en que permite inferir otras propiedades, la naturaleza posible de los componentes, y la respuesta esperable de las plantas. ( Bigam et CiolKosz, 1993; Porta, 2003)
2.1.3.1 Importancia
El color en sí mismo es de poca relevancia: su verdadera importancia radica en que el suelo tiene un conjunto de atributos que, de alguna forma, se relacionan con el color, siendo este diferente entre horizontes y entre distintas clases de suelos.
En consecuencia, cualquier error en su determinación propicia conclusiones equivocadas respecto a las características que se relacionan con él.
El color del suelo ha sido asociado con otros atributos o condiciones relevantes, entre ellos:
1. Grado de evolución del suelo. El color del suelo ha sido utilizado para definir índices de evolución.
2. Clasificación de suelos. El color es un atributo utilizado a diferentes niveles de la taxonomía de Suelos.
60
Es una característica diferencial para la definición de horizontes diagnóstico, como son los epipedones mólico, úmbrico, antrópico, melánico y ócrico; así como algunos horizontes subsuperficiales, entre ellos el ágrico;
Permite la identificación del régimen ácuico y de características redoximórficas;
Es criterio diferenciante para algunos de subórdenes, grandes grupos, subgrupos y familias.
3. Contenido de humus y presencia de ciertos minerales. Entre ellos: hematita, goetita, lepidocrecita, calcita y dolomita.
4. Potencialidad y productividad del suelo. Relacionado con la materia orgánica, se derivan condiciones de fertilidad, o condiciones restrictivas para el desarrollo de ciertos cultivos, p. Ej., concentración de sales, mal drenaje. 2.1.3.2 Determinación del color
Referencias sobre descripción del color datan de 1900 en estudios de
suelos realizados en Rusia. Los primeros esfuerzos para establecer estándares del color se remontan a 1912.
Pero en 1925 la compañía Munsell comenzó a producir discos de colores, siendo a finales de la década del 40 que se adoptó la notación Munsell para describir el color en los estudios de suelos en Estados Unidos.
Como referencia se tienen otros dos sistemas para designar colores: 1- Sistema CIE (Comisión Internationale l’Eclairage Comisión
Internacional de la Ilustración). Se basa en la premisa que el estímulo del color es el producto de la capacidad espectral de la luz iluminante, las características de la reflectancia espectral del objeto y las características de la respuesta espectral de la herramienta utilizada para detectar el color.
2- Sistema OSA (Optical Society of America, Sociedad Optica de América). Considera una escala uniforme de color, donde la muestra de cada color se ubica en el centro de un cubo-octaedro; con esta estructura cada color es descrito en términos de tres coordenadas ortogonales
3.- Soil Survey Manual, Manual de supervisión de suelos Adopta el Sistema OSA en 1951. La descripción se realiza por comparación directa utilizando una tabla Munsell que consta de 250 colores.(Porta et al, 2003)
2.1.3.3 El sistema de colores Munsell
El objeto de éste tema es conocer y aplicar el Sistema Munsell. El cual
describe todos los posibles colores en términos de tres coordenadas: Matiz ,(Hue). Se refiere al color espectral y se relaciona con la longitud de
onda de la luz dominante. Brillantez, claridad, pureza (Value), el cual indica la luminosidad o
oscuridad de un color con relación a una escala de gris neutro (ordenada) Saturación o intensidad (Chroma),( abscisa) Es la fuerza del color
espectral y aumenta conforme disminuye el gris.(Ortiz Villanueva B et al,1984) .(Porta et Al 2003)
61
Estas tablas incluyen todos los matices del rango visible del espectro electromagnético, se utilizan para describir el color de rocas, suelos, plantas, entre otros. En suelos se utiliza sólo alrededor de la quinta parte del rango total de matices.
La tabla Munsell está compuesta de una carpeta con páginas, representando cada una de ellas un matiz (Hue) específico que aparece en la parte superior derecha de dicha página. Cada hoja presenta una serie plaquitas o "chips" diferentemente coloreados y sistemáticamente arreglados en la hoja, que representan la claridad (Value) y la pureza (Chroma). Ver la ilustración de la figura 2.1.3.3.1.
Figura 2.1.3.3.1. Foto de la carpeta que contiene las cartas de Munsell.
Las divisiones de claridad (Value) se presentan en sentido vertical, incrementando su valor (haciéndose más claro) de abajo hacia arriba; las divisiones de pureza (Chroma) se presentan en sentido horizontal, en la parte inferior de la hoja, incrementándose de izquierda a derecha.
El matiz (Hue), indicado en cada hoja de la carpeta, se basa en cinco indicadores básicos:
Rojo (R), amarillo (Y), verde (G), azul (B) y púrpura (P); así como los cinco matices combinados de los anteriores (YR, GY, BG, PB y RP), cada uno de los matices tiene diferentes tonalidades que se especifican mediante números entre cero (0) y diez (10) colocados antes de la letra correspondiente.
La claridad (Value) y pureza (Chroma) se expresan en una escala lineal con una relación de 2,5:1 entre ellos.(Hausenbuiller,1980)( Porta et al, 2003; Gómez,2001)
62
Lo anterior se ilustra en las figuras 2.1.3.2 y 2.1.3.3
Figura 2.1.3.3.2 . Esquema del sistema empleado por Munsell para determinar.
colores. Figura 2.1.3.3.3.- Empleando el esquema de la figura 2.3.3.2 , aplicando colores y mostrándolos en forma sólida. 2.1.3.4 FACTORES QUE AFECTAN EL COLOR
La calidad e intensidad de la luz afecta la cantidad y calidad de la luz reflejada de la muestra hacia el ojo.
Se recomienda tomar el color a campo abierto, con incidencia directa de la luz natural sobre la hoja de la tabla Munsell, utilizando preferiblemente las horas del mediodía; cuando esto no es posible, se sugiere tomar muestras para determinar posteriormente el color.
Otro factor es la rugosidad de la superficie reflectora, que afecta la cantidad de luz reflejada hacia el ojo, en especial si la luz incidente cae en un ángulo agudo. Se recomienda usar, en lo posible, un ángulo recto para la luz incidente.
También la humedad de la muestra modifica el color, ya que fluctúa dependiendo del contenido de humedad; por ello se acostumbra tomar el color bajo dos condiciones: suelo seco (seco al aire) y suelo húmedo. La condición de suelo seco o suelo húmedo se establece sobre la base que, en ambos
63
casos, el nivel óptimo se alcanza cuando al humedecer o secar la muestra no ocurren más cambios en el color (Hodgson, 1987).
2.1.3.5 MÉTODO PARA IDENTIFICAR EL COLOR DEL SUELO
Se realiza mediante la comparación de la muestra con las plaquitas de colores que componen cada una de las hojas de Matiz (Hue). Se evalúa el color predominante (color de la matriz del suelo), que se corresponde con el que ocupa más de 50% del volumen del suelo. Cuando existen varios colores, donde ninguno de ellos corresponde a más de 50% del volumen, se determinan todos los colores, comenzando con el que ocupa el mayor porcentaje.
El color del suelo es complejo y, en ocasiones, existen combinaciones de ellos, en la forma de moteado y patrones. El moteado se refiere a cambios repetitivos del color que no pueden ser asociados con los atributos constituyentes del suelo.
Por otra parte, es importante la identificación de patrones de colores relacionados con cambios en la composición del suelo y otros atributos como nódulos o superficie de la unidad estructural, por las inferencias que pueden hacerse con relación a la génesis o el comportamiento del suelo bajo determinadas condiciones de uso y manejo.
La medición del color se realiza en el campo utilizando una muestra, bajo dos condiciones: seco y húmedo, identificando la condición física de la muestra (agregado de suelo separado, friccionado, triturado o triturado y alisado). Para describir el color se utilizan dos parámetros: a) el color Munsell y b) la notación Munsell, p. ej., marrón fuerte [7.5YR 4/8].
2.1.4 Determinación de la textura, (Método de BOUYOUCOS)
2.1.4.1 Introducción
Las propiedades físicas del suelo están ligadas a dos nociones fundamentales: la textura cuando todos los agregados han sido determinados, y la estructura o forma de agruparse estos elementos en agregados. De estos dos factores depende el comportamiento del aire y del agua en el suelo (Reynoso, 1984).
El suelo es un sistema formado por tres fases: sólida, líquida y gaseosa. Estas fases son heterogéneas y en el caso de los sólidos, existen productos orgánicos y minerales.
La materia mineral de los suelos se compone principalmente de fragmentos de roca más o menos alterados y de pequeñas partículas de material finamente dividido o alterado, las cuales varían enormemente en tamaño. Las partículas minerales del suelo pueden clasificarse según su composición química, su densidad, su forma o tamaño. Para clasificar las partículas según su tamaño existen diversos criterios dentro de los cuales destacan la clasificación adoptada por el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) y la Sociedad Internacional de la Ciencia del Suelo (ISSS) (Reynoso, 1984). Como lo muestra la tabla 2.1.4.1
64
Tabla 2.1.4.1 Criterios USDA E ISSS (Reynoso, 1984).
FRACCIONES LIMITES DE LOS DIAMETROS EN mm
DAEUA (USDA) ISSS
Arena muy gruesa 2.0 – 1.0
Arena gruesa 1.0 – 0.5 2.0 – 0.2
Arena media 0.5 – 0.25
Arena fina 0.25 – 0.10 0.2 – 0.02
Arena muy fina 0.10 – 0.05
Limo 0.05 – 0.002 0.02 – 0.002
Arcilla < 0.002 < 0.002
Los dos criterios analizados definen el tamaño de arcilla de la misma manera. La diferencia radica en el tamaño máximo de los limos y esto conduce que según la clasificación de la USDA los suelos sean menos arenosos que con la clasificación de la Sociedad Internacional, por lo que es conveniente definir cual se usará en el análisis de resultados.
Los análisis mecánicos de rutina que se realizan en México, generalmente consideran las clases de partículas arcilla, limo y arena, desde el punto de vista de la USDA.
Las partículas del suelo varían enormemente desde los cantos muy grandes, de por ejemplo medio metro de diámetro, hasta las más finas arcillas coloidales (menos de 0.0002 mm de diámetro) (Hodgson, 1987).
La textura se define de acuerdo con la proporción de elementos del suelo, clasificados en categorías en función de su tamaño, una vez destruidos los agregados, y se refiere a la proporción relativa de arena, limo y arcilla en el suelo. Específicamente, la textura define la relación porcentual de cada uno de los grupos de partículas primarias menores de 2 mm de diámetro (Reynoso, 1984).
La textura es una de las propiedades más permanentes del suelo; es el elemento que mejor caracteriza al suelo desde el punto de vista físico. La permeabilidad, la consistencia, la capacidad de intercambio de iones, de retención hídrica, distribución de poros, infiltración y estructura, son algunas de las características del suelo que en gran medida dependen de ella.
La textura aplica directamente en estos casos:
En la descripción y reconocimiento de suelos, como una de las características fundamentales en morfología de perfil (diferenciación de horizontes, discontinuidades litológicas)
En la taxonomía de suelos, como uno de los criterios para diferenciar familias de suelos
En hidrología para definir constantes hídricas, tasa de infiltración o conductividad hidráulica
65
En manejo de suelos para definir riesgos de erosión, problemas de drenaje, tipo de labranzas, capacidad de admitir aguas residuales contaminadas, etc.
2.1.4.1.1 Fracciones granulométricas
En los suelos las fracciones granulométricas se hallan íntimamente relacionadas entre sí, no obstante cada fracción otorga propiedades particulares (Narro, 1994):
1. Si sus tamaños son de 2.00 a 0.05 mm de diámetro se refiere a una arena, la cual conforma la fracción esquelética del suelo. Sus partículas dejan macroporos entre si, aumentando la permeabilidad y disminuyendo el almacenamiento de agua. Por su baja superficie específica aporta poca fertilidad al suelo. Su escasa capacidad para formar estructura la hace una fracción susceptible a la erosión eólica.
Su consistencia en mojado es: no plástico, ni adhesiva. Impresiona al tacto como abrasiva.
2. Si sus tamaños son de 0.05 a 0.002 mm de diámetro se refiere a un limo. Es una fracción derivada de la anterior por alteración física. Forma entre partículas poros más pequeños, donde puede almacenar agua. En general presenta baja actividad superficial por lo que su papel en la fertilidad química es indirecta. Es capaz de rellenar los poros grandes dejados por la fracción de arena, limitando a veces la permeabilidad, problema serio en zonas de riego. Impresiona al tacto suavemente en forma similar al talco.
Su consistencia en mojado es plástica, al poder deformarse, pero no adhesiva o a lo sumo algo adhesiva, al no poseer actividad superficial.
3. Si sus tamaños son menores de 0.002 mm de diámetro es una arcilla. Fracción de diverso origen mineralógico. Por su pequeño tamaño de partícula, tiene valores muy elevados de superficie específica activa, por lo que incide fundamentalmente en la fertilidad de los suelos, almacenamiento de agua, etc. Desde el punto de vista físico-mecánico su rol más importante es generar estructura al ligar las partículas de limo y arena. Forma cuerpos de elevada porosidad, con predominio de microporos que al llenarse de agua y luego desecarse producen hinchamiento y contracción sucesivamente, exaltado en el grupo de las montmorillonitas.
La consistencia de la arcilla en mojado, se comporta como muy plástico y adhesivo. La arcilla es un material que al intentar amasarlo, inicialmente es difícil de integrarlo con el agua y que luego resulta muy plástico y adhesivo. Esto se debe a que el agua penetra muy lentamente en los poros pequeños y aún en los espacios interlaminares. Cuando esto se produce con el sucesivo amasado se orientan las láminas de arcillas deslizándose unas sobre otras adquiriendo su máxima plasticidad.
La textura desde el punto de vista cuantitativo es la proporción relativa, en general reportada como porcentajes, de las partículas individuales o primarias que componen al suelo. El procedimiento por medio del cual se puede cuantificar la proporción en que se encuentran los diferentes
66
tamaños de partículas primarias de un suelo, se conoce como análisis mecánico.
Los datos obtenidos, permiten, utilizar el llamado triángulo textural (figura 2.1.4.1), para conocer la clase textural, o comúnmente, la textura de un suelo.
Figura 2.1.4.1. Triángulo de Textura (Plaster, 1997).
Para obtener la denominación de la clase de textura, se dan las siguientes cifras de los separados arena, limo y arcilla. Ver tabla 2.1.4.2
Tabla 2.1.4.2. Cifras de separados (Reynoso, 1984).
ARENA %
LIMO % ARCILLA %
CLASE DE TEXTURA
65 25 10 Franco arenoso
20 20 60 Arcilla
20 70 10 Franco limoso
Existen diferentes técnicas de laboratorio para llevar a cabo esta determinación. Las más usuales son la de la pipeta y la del hidrómetro (Método de Bouyoucos), ambas se basan en la velocidad diferencial de sedimentación de las partículas del suelo. Por su rapidez, facilidad de operación y precisión adecuada, la del hidrómetro es muy empleada, especialmente cuando debe analizarse un gran número de muestras.
2.1.5 La densidad de las partículas del suelo 2.1.5.1 Introducción
Recordando que el suelo forma parte de un sistema compuesto por tres fases: sólida, líquida y gaseosa.
67
Tenemos que la masa total del suelo es la suma de la masa de los sólidos y la masa del agua. La masa del aire se puede
considerar despreciable respecto a las otras dos.
El volumen total de las tres fases es la suma del volumen de los sólidos, el volumen del agua y el volumen del aire.
El agua y el aire ocupan los poros del suelo, siendo el volumen de los poros igual a la suma de los volúmenes de agua y aire.
En el estudio de suelos, la densidad es un parámetro importante para la caracterización y clasificación de los mismos. Con base en la densidad del suelo se puede inducir al conocimiento de otros parámetros como la porosidad de éste y que a su vez es un factor de control de la infiltración del agua en el mismo (Llorca, et al, 2004). 2.1.5.2 Conceptos Básicos
Arquímedes (287-212 a.C.) encontró que un cuerpo inmerso en el agua se tornaba más ligero debido a una fuerza de empuje ejercida sobre el cuerpo por el líquido, de manera de que el peso del cuerpo se veía aliviado. Tal fuerza, del líquido sobre el cuerpo, la denomino como empuje.
E = Wc – Wcdf (perdida aparente del peso)
En donde:
E = empuje.
Wc = peso del cuerpo.
Wcdf = peso del cuerpo dentro del fluido.
Por lo tanto, un cuerpo que se encuentra en un líquido está sujeto a una fuerza de empuje y la fuerza ejercida producto de la aceleración constante de la gravedad por la masa.
Cuando un cuerpo está sumergido totalmente en agua se tienen las siguientes condiciones:
El objeto permanece estático pero por debajo de la superficie del líquido. En este caso la intensidad del empuje es igual a la del peso del objeto.
El objeto se va hundiendo desde que se puso en contacto con el líquido o a una profundidad determinada. En este caso la intensidad del empuje es menor a la del peso del objeto.
El objeto va emergiendo desde que se colocó en lo más profundo o una profundidad determinada. En este caso la intensidad del empuje es mayor a la del peso del objeto.
A partir de las 3 situaciones anteriores se obtiene el siguiente enunciado:
Todo cuerpo en contacto con un fluido (líquido o gas) sufre, por parte del fluido, un empuje (fuerza) vertical hacia arriba cuya intensidad es igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo.
El volumen del fluido desplazado es igual al volumen del cuerpo en contacto con el agua.
A partir de lo cual se concluye que:
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La densidad no depende de la forma del objeto. Puesto que la densidad es una
propiedad característica de los materiales.
Un objeto pesa menos dentro del agua.
Si la densidad del cuerpo es mayor que la del fluido el cuerpo descenderá con un
movimiento acelerado.
Si la densidad del cuerpo es menor que la del fluido el cuerpos ascenderá con un
movimiento acelerado.
Si la densidad del cuerpo es iguala a la del fluido el cuerpo quedará en equilibrio a
la mitad de la columna del fluido (Llorca, et al, 2004).
2.1.5.3 Densidad del suelo
Tenemos que la masa total del suelo es la suma de la masa de los sólidos y la masa del agua. La masa del aire se puede considerar despreciable respecto a las otras dos.
El volumen total de las tres fases es la suma del volumen de los sólidos, el volumen del agua y el volumen del aire.
El agua y el aire ocupan los poros del suelo, siendo el volumen de los poros igual a la suma de los volúmenes de agua y aire. Figura 2.1.5.3.1.
_ _ _ _ _ _ ____________________ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Ma Aire. Va
_ _ _ _ _ _ ____________________ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Mw Agua. Vw Vp
_ _ _ _ _ _ ____________________ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Mt Vt.
Ms Sólidos. Vs
_ _ _ _ _ _____________________ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Figura 2.1.5.3.1. Relaciones básicas entre los componentes del suelo (Llorca. 2004).
De la figura 2.1.5.3.1, se tiene que:
69
Mt es la masa total del suelo.
Ms es la masa de los sólidos.
Mw es la masa del agua.
Ma es la masa del aire.
Vt es el volumen total de las tres fases.
Va es el volumen del aire.
Vw es el volumen del agua.
Vp es el volumen de los poros resultante de la suma de Va+Vw, y
Vs es el volumen de los sólidos. 2.1.4.4 DENSIDAD REAL
La densidad media ponderada de las partículas del suelo se considera como el valor de la densidad de la fracción sólida.
Es un valor que corresponde al peso de la unidad de volumen de sólidos en el suelo.
El promedio aproximado es de 2.65 g por c.c., y se refiere al peso ponderado de las partículas minerales constituyentes mas comunes con bajo contenido de materia orgánica.
En suelos con materia orgánica presentan una densidad real entre 2.40 a 2.50 g/c.c. Y que se puede apreciar en la tabla 2.1.4.4.1
Tabla 2.1.4.4.1. Densidad real de distintos constituyentes del suelo (Honorato, 2000).
Mineral Densidad real g/c.c.
Ortoclasa 2.50 a 2.60
Mica 2.80 a 3.20
Cuarzo 2.50 a 2.80
Hematita 5.10 a 5.20
Caolinita 2.50
Humus 1.37
Para m componentes sólidos del suelo:
V1d1+V2d2+ ...+Vm dm Masa del suelo seco Ms
Densidad real = ---------------------------------- = -------------------------------- = ----------
V1+ V2+...+Vm Volumen sólido Vs
Siendo V volumen de los constituyentes
d corresponde a la densidad de los mismos
Es por ello que los suelos orgánicos presentan una densidad menor a la que tienen los suelos minerales.
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Una aclaración pertinente.
El peso de los sólidos del suelo muchas veces es expresado en términos de peso específico. Es simplemente el peso de los sólidos del suelo comparado con el peso de un volumen igual del agua. Como 1 c.c., de agua pesa aproximadamente 1 g, hay una pequeña diferencia entre los valores de densidad y Peso específico. Esta pequeña diferencia se desprecia y por lo tanto los términos de usan indistintamente.
Referencia de la Soil scientist Society American citada por Buckman y Brady en Naturaleza y Propiedades de los suelos (UTEHA, 1982).
Densidad aparente
La densidad aparente de un suelo se define como la relación de la masa de un suelo seco al volumen ocupado por las partículas sólidas más el volumen poroso.
Masa suelo seco Masa suelo seco Ms
Densidad aparente = ---------------------------------------------- = ------------------------- = ------
Volumen sólido + volumen poros Volumen total Vt.
Su valor será siempre menor a la densidad real y varia con el tamaño de las partículas, agregados y ordenación de los mismos. También depende del grado de expansión y contracción de los agregados, que a su vez es función de la clase y cantidad de arcilla y del contenido de humedad.
Los suelos de textura fina suelen presentar valores de densidad aparente de 1 a 1.6 g / c.c., en superficie mientras que en suelos de textura gruesa muestran valores de 1.2 a 1.80 g / c.c., y una menor variación con la humedad. La densidad aparente se incrementa con la profundidad, debido a la mayor compactación del suelo, llegando a valores de 2g / c.c., o superiores.
En la figura 2.1.5.4.1 se puede apreciar un esquema que detalla las diferencias entre densidad real y aparente.
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Figura 2.1.5.4.1. Esquema que muestra la diferencia entre densidad real, bulk density, y la densidad aparente.
2.1.6 Espacio poroso del suelo 2.1.6.1 Introducción
El suelo está formado por partículas sólidas. Entre esas partículas sólidas hay espacios de poros que se llenan de agua y aire. Esta combinación de partículas sólidas y espacios de poros se llama matriz del suelo (figura 2.1.6.1), un sistema de tres fases: sólido, líquido y gas.
Figura 2.1.6.1. Matriz del suelo Aproximadamente la mitad del volumen de un suelo es espacio poroso. El tamaño, número, forma, continuidad y distribución de los poros determinan en gran medida la retención y movimiento del aire y agua en el suelo (Hodson, 1987) . Además el tamaño y número de los poros dependen de la dimensión de las partículas, como se observa en la figura 2.1.6.2. Se encuentran más poros entre las partículas pequeñas que entre las grandes. Los poros son mayores entre las partículas más grandes.
Figura 2.1.6.2 Tamaño de partícula. Las partículas del suelo no forman una masa continua, sino que al unirse crean un espacio de huecos muchos de los cuales se comunican entre sí, debido a eso la vida en él es posible. La porosidad deriva de la agregación de las partículas minerales individuales con participación de la materia orgánica y de la acción de la flora y la fauna y está influenciada por las propiedades físicas del suelo y sus regímenes hídricos y se refiere a la medida del espacio intersticial entre grano y grano, la cual representa la relación entre el volumen poroso y el volumen total de la roca. Los poros distinguibles a simple vista son
los de diámetro superior a 60 m (Porta, 2003). Los vacíos incluyendo poros y
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fisuras del suelo, son de gran importancia para la aireación del suelo y el crecimiento de las plantas. La figura2.1.6.3 muestra que a medida que las raíces crecen en el suelo, los espacios de poros situados entre las partículas sólidas absorben agua y nutrientes existentes en la solución del suelo.
Figura 2.1.6.3. Las raíces y pelos radiculares crecen entre las partículas del suelo. Un suelo se llama "saturado" cuando los poros son ocupados completamente por agua, y "no saturado" cuando una parte de los poros es ocupada por agua y otra parte por aire. Dos importantes características del suelo se ven afectadas por el tamaño de las partículas: la superficie interna y el número y tamaño de los poros. La superficie interna de un suelo es el total de la superficie de todas las partículas en el suelo. Las reacciones que retienen nutrientes de la planta en el suelo también ocurren en superficies de la partícula. Por lo tanto, podemos establecer la regla de que a partículas más pequeñas en el suelo, más agua y nutrientes puede retener el mismo. Las características de los poros del suelo y condición de la superficie son determinadas en gran cantidad por la estructura, la textura, contenido de materia orgánica y de sales solubles, por el tipo y contenido de coloides orgánicos y minerales, y por la homogeneidad o heterogeneidad del perfil del suelo. La velocidad con que el agua invade en los suelos y el avance del frente de mojadura son procesos que dependen del gradiente de potencial hídrico y de la capilaridad, la cual depende de la fluidez del agua y de las características del suelo como medio poroso. Muchos poros son demasiado pequeños para ser observados bajo condiciones de campo. Sin embargo, ciertas características de los poros mayores, que son visibles en el campo, se incluyen en la descripción de cada horizonte. De particular importancia son la forma y el grado de interconexión de los poros mayores, puesto que estas características influyen en la infiltración y la permeabilidad.
73
La proporción real del aire y agua varían según las condiciones. Cuando llueve los poros se llenan de agua, que sólo se vacían de nuevo cuando el suelo se seca. Esto permite al aire volver a ocupar un porcentaje cada vez mayor de espacio de poro. La mayoría de los expertos en suelo consideran que el suelo ideal (figura 2.1.6.4) está formado por un 50 % de material sólido (45 % de partículas minerales y 5 % de materia orgánica), un 25 % de agua y un 25 % de gas (Plaster, 2000).
El Sistema del Suelo
Material
mineral
45%
Material
orgánico
5%
Fase
líquida
25%
Fase
gaseosa
25%
Figura 2.1.6.4. El sistema del suelo
2.1.7 ESPACIO POROSO DEL SUELO
La porosidad del suelo es el volumen de aire y agua contenido en una unidad de volumen de suelo. El contenido volumétrico de sólidos (s) o espacio sólido es el volumen de sólidos que esta contenido en la unidad de volumen de suelo. La suma de porosidad y espacio sólido es igual a la unidad (Narro, 1994).
En los poros del suelo se puede diferenciar por lo menos por tres características:
a) La porosidad.
b) La distribución o porcentaje de los diferentes rangos de diámetro de los poros.
c) La tortuosidad de éstos, es decir, la relación promedio entre la longitud real de los poros y la distancia en línea recta entre los extremos de los poros.
La porosidad del suelo se determina principalmente por el acomodo de las partículas sólidas. La tabla 2.1.7.1 muestra algunas propiedades del suelo.
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Tabla 2.1.7.1. Propiedades del suelo
Suelos arenosos Suelos arcillosos
Valores de porosidad Es bajo valores aproximados son de 0.4 cm3/cm3
Es alto alrededor de 0.6 cm3/cm3
Diámetro promedio de los poros
Es mayor Es menor
Velocidad de infiltración de agua
Muy rápida Es lento
Capacidad de retención de humedad (en contra de la fuerza gravitacional)
Es baja Es alta
Tortuosidad de los poros (indica la geometría de los poros)
Es baja (esto afecta los procesos de transporte de fluidos en el suelo)
Es alta
Por otra parte, puesto que el volumen de los poros está ocupado por agua y aire, se puede calcular sumando los contenidos volumétricos de agua o de aire o restándole al volumen de una unidad de suelo el contenido volumétrico de sólidos. Los poros, por su diámetro, fueron clasificados conceptualmente en macroporos y microporos; los macroporos permiten el libre movimiento de agua y aire, y miden más de 30 micras de diámetro. Los microporos tienen menos de 30 micras de diámetro y retienen entre este valor y unas 0.2 micras el agua que generalmente utilizan las plantas. Los poros de menor diámetro retienen muy fuertemente el agua del suelo (Narro, 1994).
Tipos de porosidad
Absoluta: La porosidad absoluta es considera como el volumen poroso el total de poros estén o no interconectados.
Efectiva: La porosidad efectiva se refiere al porcentaje de poros interconectados que permiten la circulación de fluidos. O se considera como el volumen poroso solamente conectados entre si.
No Efectiva: Esta porosidad no efectiva representa la diferencia entre las porosidades anteriores, es decir, la porosidad absoluta y la efectiva.
Según su origen y tiempo de diposición de las capas:
Porosidad Primaria:
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Es aquella que se desarrolla u origina en el momento de la formación o depositación del estrato.
Los poros formados en esta forma son espacios vacíos entre granos individuales de sedimento.
Es propia de las rocas sedimentarias como las areniscas (Detríticas o Clásticas) y calizas eolíticas (No-Detríticas), formándose empaques del tipo cúbico u ortorrómbico.
Porosidad Secundaria o Inducida:
Es aquella que se forma a posteriori, debido a un proceso geológico subsecuente a la depositación del material del estrato o capa (Morea, 1997). Esta porosidad puede ser:
- Porosidad en solución: Disolución de material sólido soluble constitutivo de las rocas.
- Porosidad por Fractura: Originada en rocas sometidas a varias acciones de diastrofismo.
- Porosidad por Dolomitización: Proceso mediante el cual las calizas se convierten en dolomitas, que son más porosas.
-Porosidad Total: Corresponde a los llamados ―yacimientos de doble porosidad‖
Los empaques de granos que presentan las rocas con porosidad secundaria son en general del tipo rombohedral, aunque es frecuente encontrar sistemas porosos de morfología compleja.
Los poros están clasificados dentro de los siguientes tipos:
Vesicular. Aproximadamente esférico o elipsoidal en la forma, sin apreciable alargamiento en ninguna dirección.
Intersticial. Irregular en la forma de los lados curvos hacia dentro; limitado por superficies curvas o angulares de granos de minerales adyacentes o peds o ambos.
Tubular. Más o menos de forma cilíndrica. 2.1.7.1 Importancia de la porosidad del suelo en la ingeniería ambiental
1. Los microporos y los macroporos, ambos son importantes dado que el suelo necesita microporos para retener agua y macroporos para el aire; además algunos contaminantes pueden recuperarse de los poros.
2. La degradación biológica requiere de microorganismos, los cuales pueden ser aerobios, éstos para que subsistan necesitan de una porosidad de media a alta. En caso de ser anaerobios se requiere un suelo saturado de agua (arcilla).
3. El tamaño de los poros tiene importancia en el crecimiento de las raíces. El volumen del suelo ocupado por las raíces es de alrededor de 1%. Se puede aplicar fitorremediación para extraer algunos contaminantes presentas en el suelo.
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4. La importancia agrícola de la porosidad del suelo es muy grande y sus características dependen de la textura, estructura, contenido de materia orgánica, tipo e intensidad de cultivos, labranza y otras características del suelo y su manejo. Como regla general, los suelos bajo sistemas de producción agrícola intensiva tienden a compactarse, y al reducir su porosidad pierden parte de su potencialidad de producción (Narro, 1994)
5. El agua drena del suelo y entra aire llenando los espacios. Los microporos, tienden a retener agua y algunos compuestos solubles.
6. El conocer la porosidad de un suelo nos ayuda a determinar como migraría un contaminante, considerando la pendiente.
2.1.8 La estructura del suelo. 2.1.8.1 Introducción
Desde el punto de vista morfológico, él termino estructura del suelo se ha difundido como la disposición de las partículas elementales como la arena, limo o arcilla, que forman las partículas compuestas, separadas de las contiguas, y que tiene propiedades diferentes de una masa igual de las partículas elementales sin agregación (Sampat, 1982) .
En otras palabras, la capacidad de las partículas para formar terrones espontáneamente. Además de conocer la capacidad de los granos para retener su forma cuando se humedecen y de permitir el paso del agua a través del suelo.
Desde el punto de vista agrícola, un suelo bueno se desmorona con facilidad, no se dificulta ararlo cuando está seco y no se vuelve pegajoso cuando está mojado. 2.1.8.2 Conceptos básicos
Si el suelo contiene una cantidad apreciable de agregados relativamente estables, de tamaño de 1 a 5 mm de diámetro, por lo general tendrá suficientes poros para una aereación adecuada, siempre y cuando las condiciones de drenaje sean buenas.
Al contrario, en suelos con mal drenaje, aún los poros más grandes estarán llenos de agua y el suelo tendrá aereación inadecuada.
La infiltración y la permeabilidad están íntimamente relacionadas con el tamaño de los poros y la estabilidad de las unidades estructurales del suelo.
En los suelos con grietas grandes, la infiltración puede ser alta, inicialmente; Sin embargo la capacidad de infiltración bajará tan pronto como las grietas grandes se llenen. Luego el suelo se hinchará y la velocidad se reduce, casi, hasta cero. Un ejemplo de ello es la Arcilla negra (Sampat, 1982).
En suelos franco- arenoso la infiltración inicial desciende en forma brusca. Los cambios estructurales que suceden en el suelo tienen lugar con la mojada inicial y pueden manifestarse por un hinchamiento rápido de los vacíos del suelo. La velocidad de infiltración constante y relativamente alta, que se
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desarrolla después de un tiempo, indica un suelo abierto con poco o ningún cambio en su estructura cuando se moja de manera prolongada.
Normalmente se considera que los suelos arenosos son más permeables que los arcillosos o limosos. Pero si los últimos son bien agregados, el agua puede entrar en ellos más rápidamente que en las arenas.
Los suelos bien estructurados con un tamaño apropiado de agregados, tienen una buena velocidad de infiltración inicial, que no se reduce a un valor bajo cuando se mojan.
En suelos bien estructurados la mayor parte del agua que sale es remplazada por aire en los espacios porosos.
En suelos de estructura deficiente, la eliminación de agua puede ocasionar encogimiento del suelo; tales suelos tienen una tendencia a formar terrones grandes y masivos con grandes grietas, en lugar de gránulos friables (Thompson, 1980). 2.1.8.3 Clasificación de la estructura
Nikiforoff sugirió la clasificación morfológica, con base a:
a) Tipos o formas de estructura del suelo determinada por las formas generales de los agregados.
b) Clase o tamaño. Diferenciándolo con base en el tamaño.
1.- Muy gruesa 10 mm excepto tipo bloques de 5cm.
2.- Gruesa 5 a 10 mm excepto tipo bloques de 2 a 5 cm.
3.- Mediana 2 a 5 mm excepto tipo bloques de1 a 2 cm.
4.- Fina 1 a 2 mm excepto tipo bloques de 5 a 10 mm.
5.- Muy fina 1 mm excepto tipo bloques de 1 a 5 mm.
a) Grado de estabilidad de la estructura; determinado por la durabilidad o estabilidad de los agregados y su facilidad de separación.
1.- Pobremente desarrollado.
2.- Débilmente desarrollado.
3.- Moderadamente desarrollado.
4.- Bien desarrollado.
5.- Fuertemente desarrollado.
Kubiena en 1938 propuso una clasificación de acuerdo con la microsestructura con base en la naturaleza de la arquitectura del suelo, la cual consiste en el arreglo de los constituyentes del suelo en relación unos con otros. 2.1.8.4 CLASIFICACIÓN SEGÚN El DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DE LOS ESTADOS UNIDOS DE AMÉRICA (THE UNITED STATES DEPARTAMENT OF AGRICULTURE). (USDA, 1951).
Es común encontrar que una gran cantidad de países han adoptado el método de clasificación que el USDA presentó en 1951, algunas organizaciones como la Food and agriculture Organization de la ONU la han enriquecido adicionando conceptos complementarios.
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El sistema USDA 1051 emplea 3 categorías: Tipo, Clase y Grado (Hodgson, 1987).
TIPOS
Se refiere a la forma y disposición de los agregados.
Se distinguen cuatro tipos generales de formas de estructuras:
Laminar. En la cual los agregados son unidades de diferente espesor con el eje horizontal más desarrollado. Caras predominantemente horizontales, como se aprecia. Figura 2.1.8.4.1.
Figura 2.1.8.4.1. Ejemplo de estructura laminar.
Prismática. Los agregados son alargados, tienen eje vertical de mayor tamaño que el horizontal. Dispuestos alrededor de una línea vertical, con caras verticales bien definidas, como se aprecia en la figura 2.1.8.4.2
Figura 2.1.8.4.2. Ejemplo de estructura prismática.
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Columnar.
Similar al prismático pero con extremos redondeadosFig.2.1.8.4.2 Figura 2.1.8.4.3. Estructura columnar. 4.1 DE BLOQUES. Los ejes horizontales y verticales son dimensiones similares de tal manera que los agregados pueden ser equidistantes. Pueden tener superficies planas o curvas que son réplicas de los moldes formados por las caras de los agregados contiguos. 4.2 GRANULAR. Son de tendencia esférica, porosas, imperfectas y de tamaño pequeño con esquinas y bordes redondeados. Ver Figura2.1.8.4. 4 Figura2.1.8.4.4. Muestra de una estructura granular.
ARREGLO Ó DISPOSICIÓN DE LOS AGREGADOS Angular (o en bloques angulares). Agregados de forma poliédrica, con superficies planas, de aristas vivas y con vértices. Las caras del agregado se ajustan muy bien con los agregados vecinos. Típicamente en los horizontes arcillosos. Sub- angular (o en bloques sub- 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 (Honorato, 2000).
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CLASE O TAMAÑO Se clasifican en muy fina o delgada, fina o delgada, media, gruesa y muy gruesa. De acuerdo al tipo de la estructura los tamaños varían desde menores a 1mm hasta mayores de 100 mm (USDA, 1987). GRADO Se tienen 4 diferentes clases de grados: Sin estructura, el cual se refiere cuando no se observan agregados, ni disposición de líneas naturales. Débil. Con agregados o peds poco formados y que apenas pueden distinguirse en el suelo. Moderado. Agregados bien formados pero poco persistentes. Son evidentes pero no claramente discernibles en el suelo. Fuerte. Agregados persistentes, si bien no son muy evidentes en el perfil natural pero con escasa adherencia. Presentan resistencia al desplazamiento pero separándose cuando el suelo se manipula. Este mismo grado se suele dividir en moderadamente fuerte y muy fuerte (USDA, 1987). ESTABILIDAD DE LOS AGREGADOS Las características más importantes de la estructura del suelo son: La ordenación de las partículas en agregados su forma y tamaño que proporcionan un número adecuado de poros grandes con canales de conexión entre ellos y la estabilidad de los agregados cuando se hallan expuestos al agua. Los agregados débiles se descomponen y dispersan en el agua o se destruyen bajo el impacto de las gotas de lluvia. El limo y la arcilla dispersos tienden a introducirse en los poros del suelo superficial, obstruyéndolos. En tales condiciones, la permeabilidad al aire y al agua declina de modo drástico, aumentando la escorrentía a costa del agua que en condiciones más favorables se hubiera infiltrado. Además, el suelo disperso es arrastrado con facilidad por el agua que discurre por la superficie. La estabilidad de los agregados depende de la textura del suelo, del tipo de arcilla, de la clase de iones asociados a la arcilla, del tipo y cantidad de materia orgánica presente y de la población microbiana presente. Algunos tipos de arcillas son más pegajosas que otras. Los iones de hidrógeno y calcio promueven la agregación mientras que la presencia de iones Sodio favorecen la dispersión. Los microorganismos producen muchos tipos de compuestos orgánicos, algunos de los cuales ayudan a mantener los agregados. El crecimiento del micelio de los hongos parece tener un efecto ligante en el suelo. MECANISMOS PROBABLES DE LA ESTABILIDAD DE LOS AGREGADOS Enlaces químicos en los agregados del suelo. Esto es posible porque la mayoría de las partículas de arcilla poseen cargas eléctricas. Las partículas de tipo silicato presentan formas de placas hexágonales cuyas caras mayores poseen cargas negativas que funcionan como lugares de almacenamiento de
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cationes. El conjunto de cargas negativas debe ser neutralizado por cargas positivas. Tres tipos de éstas tienen importancia en los enlaces químicos de los agregados del suelo. La unión por cationes, es la que se presenta en agregados de forma laminar que en sus caras poseen cargas negativas y que atraen a cationes de hidrógeno y Calcio. De éste modo los cationes mantienen unidadas a las dos partículas. El efecto del castillo de naipes. Resulta de la presencia de cargas positivas en los bordes de las diminutas placas de arcilla. Tal situación permite que el borde de cada placa sea atraído por la superficie del siguiente. La ordenación tridimensional resultante posee numerosos espacios útiles para almacenar agua, pero frágiles y fáciles de destruir. 2.1.8.5 Importancia de la estructura del suelo en la ingeniería ambiental
La selección y diseño de las estrategias de evaluación del impacto ambiental, control de contaminantes o la gestión de residuos en contacto con el suelo, tienen como base las cualidades del suelo.
Es por ello que la evaluación de las características debe ser resultado de técnicas y procedimientos confiables, que eliminen el subjetivismo del evaluador y reflejen resultados objetivos.
2.1.9 La permeabilidad
21.9.1Introducción
El suelo puede dejar pasar agua a su través dado que se trata de un medio poroso, con un medio de poros interconectados. En campo, raramente se dan unas condiciones de equilibrio termodinámico en el sistema suelo-agua. El movimiento del agua en forma líquida, en muchos casos, puede explicarse como resultado de diferencias de potencial hidráulico entre distintos puntos (Porta, 2003). Los procesos implicados en el movimiento del agua son el de entrar en el suelo, la redistribución entre distintos puntos, la absorción por parte de las plantas y la evaporación.
El estudio del movimiento del agua puede abordarse desde distintos enfoques:
Estudio de la geometría del espacio de poros.
Estudio de flujo laminar de agua en tubos capilares.
Estudio del movimiento del agua por medio de ecuaciones de flujo macroscópico.
La permeabilidad hace referencia a la velocidad con que puede circular el agua dentro del suelo (conductividad hidráulica). Por lo tanto, la conductividad hidráulica es la permeabilidad que presenta un suelo al agua; también se le puede definir como el cociente del flujo unitario de agua entre el gradiente hidráulico, en la ley de Darcy. Sus unidades dependen de las del gradiente hidráulico, ya que las unidades del flujo unitario generalmente son cm3 de agua / cm2 de área / seg., o alguna unidad de tiempo más conveniente (Narro, 1994).
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La conductividad hidráulica depende de la permeabilidad del suelo (K’) y de la fluidez del agua (f), tal como se indica en la expresión K = K’ f. La permeabilidad del suelo depende de la porosidad de éste, de la distribución del tamaño de los poros y de la geometría de éstos. La fluidez del agua depende de su temperatura la cual afecta directamente su viscosidad y su densidad; además, depende de la gravedad.
La conductividad hidráulica depende también del contenido de humedad del suelo. En condiciones de saturación el valor de K es constante; pero en condiciones de no saturación, es decir, para los valores de h < 0, K es directamente proporcional al contenido de humedad, ya que a menor contenido de humedad, menor número de poros del suelo conducirán agua; los que conducen agua son los de radio más pequeño.
2.1.9.2 Flujo de agua en el suelo
El potencial hidráulico del agua en un sistema en equilibrio tiene igual valor en todos los puntos. Además existen procesos de transferencia de agua que pueden tener lugar como:
Flujo Saturado. El espacio poroso esta lleno de agua. Es el flujo de los suelos con capa freática circulante, lo que puede permitir una alimentación de las plantas a partir de esta agua. Si el flujo fuese muy lento y no hubiera suficiente renovación de oxígeno podrían generarse condiciones de hidromorfismo, anaerobiosis por un mal drenaje.
Flujo en suelo no saturado. Este flujo es el más corriente en suelos que se humectan o que se secan. Es más difícil de explicar que el flujo saturado.
El mecanismo de transferencia de agua varía según esté el suelo:
Relativamente seco, adquiere importancia la transferencia en forma de flujo de vapor, con una gran influencia de los gradientes térmicos.
Relativamente húmedo: flujo capilar en cualquier dirección.
En un suelo no saturado el aire puede existir en forma discreta, tal como burbujas (sistema cerrado) o bien de forma continua, en canales y galerías (Sistema abierto) (Porta, 2003).
2.1.9.3 Regimen saturado
Ley de Darcy. Darcy puso de manifiesto experimentalmente que la descarga de agua es directamente proporcional a la sección transversal de la columna y a la diferencia de carga o potencial hidráulico, e inversamente proporcional a la longitud de la columna figura 2.1.9.3.1
Se supuso que el medio era uniforme y rígido y el flujo saturado, con lo que la conductividad hidráulica no varía con la posición ni con el tiempo.
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Figura 2.1.9.3.1, Dispositivo de Darcy. Consiste en un cilindro lleno de arena por el que circula agua en régimen saturado. La ley de Darcy se basa en ciertas hipótesis las cuales restringen su aplicación, pero a pesar de sus limitantes, la ley tiene validez confirmada. 2.1.9.4 Conductividad Hidráulica.
La conductividad hidráulica tiene gran importancia teórica como práctica,
en relación a ésta cabe subrayar que:
Es el factor de proporcionalidad de la ley de Darcy aplicada al flujo viscoso de agua en el suelo, por unidad de gradiente hidráulico.
Expresa la capacidad de un medio poroso (suelo) para transmitir agua. La resistencia del suelo al flujo de agua es debido a las fuerzas entre las moléculas del líquido y entre éste y las paredes de los poros.
A igualdad de las demás condiciones, cuanto mayor es la tortuosidad del sistema de poros, menor es la conductividad hidráulica.
En función, entre otros factores, del contenido de agua y por ello del potencial matricial: Conductividad hidraúlica no saturada: K = K(Ө)
Si Ө = Өs K = f(Өs) = Ks Conductividad hidraúlica saturada Ө = f(ψm
p) luego K = f(ψmp)
En condiciones de flujo saturado y condiciones isotermas es constante con el tiempo, si no hay cambios en la estructura del suelo.
En suelos homogéneos es constante con la posición.
Depende de la viscosidad del agua. Su valor aumenta aproximadamente un 3% por cada grado que asciende la temperatura.
La medida de la conductividad hidráulica a distintas profundidades en un suelo permite poner de manifiesto diferencias en la capacidad de transmisión de agua por parte de los distintos horizontes debido a la heterogeneidad del suelo. Es un parámetro espacial y temporalmente variable en un suelo.
Se ve fácilmente alterada por cambios estructurales debidos a procesos naturales o a actividades de manejo.
En proyectos de drenaje agrícola, para resolver problemas medioambientales o de ingeniería relacionados con el movimiento del agua, los cálculos hidráulicos se basan en los valores de la conductividad hidráulica saturada.
La conductividad hidráulica equivalente es el valor de la conductividad hidráulica del material poroso que da origen al flujo medido bajo las mismas condiciones que si el suelo fuese uniforme. Depende de las condiciones del contorno.
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La calidad de las predicciones del flujo de agua en suelos no uniformes dependerá de la significación que tenga la medida de la conductividad hidráulica equivalente (Porta 2003).
Permeabilidad intrínseca, expresa el poder de resistencia a la circulación
que presenta el suelo frente a cualquier fluido, además cuando se requiere separar la influencia de la viscosidad del líquido de la conductividad del medio o ver los cambios de estructura al hacer circular distintos fluidos.
2.1.9.5 Regimen no saturado
La zona no saturada adquiere gran importancia, ya que la mayoría de los
procesos de transferencia de agua en los suelos tienen lugar en régimen no saturado.
En éste régimen los poros están sólo parcialmente llenos de agua. El transporte del agua se ve influenciado por la pérdida de continuidad de poros con agua, la conductividad hidráulica deja de ser constante en régimen no saturado, pasa a depender del potencial matricial y será menor que en régimen saturado.
Ley de Buckingham-Darcy. Esta ley generaliza el flujo a condiciones de régimen no saturado. Buckingham demostró que la ecuación de Darcy también se cumple cuando el suelo no está saturado.
Conductividad hidráulica no saturada. La conductividad hidráulica varía no sólo de un suelo a otro en la zona no saturada, sino que para un mismo suelo es función del contenido de agua. La medida de ésta conductividad resulta más difícil de medir con precisión que la saturada, y no existe un método cuya validez sea general para todos los suelos y circunstancias.
2.1.9.5 Determinanción de las propiedades hidráulicas del suelo
Las características hidráulicas de un suelo saturado son distintas a la de
un suelo no saturado, El suelo saturado transmite agua a una velocidad de flujo mucho mayor que el no saturado, por lo tanto los métodos de medida deben ser diferentes. Las mediciones pueden ser en laboratorio o en el campo. 2.1.9.5.1Medida de la conductividad hidráulica saturada
Deben tomarse en consideración:
La finalidad para la cual se van a llevar a cabo las medidas.
Unidades cartográficas de suelos existentes en la zona para realizar los ensayos de conductividad hidráulica (K) en cada una de ellas o las más representativas, con el número de repeticiones recomendado en cada caso.
Morfología del perfil y profundidad a que debe realizarse cada ensayo.
Interés en determinar el flujo vertical y horizontal en cada caso.
Accesibilidad o no a la capa freática, para determinar el método a utilizar.
85
2.1.9.5.2 Ensayos en laboratorio
La medida de la conductividad hidráulica en el laboratorio se basa en la
toma de muestras en campo, preferentemente que conserven su estructura originaria; que en la práctica es difícil.
Se monta una columna, de forma que las paredes laterales sean impermeables y se pueda hacer circular agua en sentido vertical. Se mide el volumen percolado al cabo de un tiempo. Este dispositivo se le conoce como permeámetro.
Hay varios procedimientos para la determinación de la permeabilidad de los suelos: unos "directos", así llamados porque se basan en pruebas cuyo objetivo fundamental es la medición de tal coeficiente; otros "indirectos", proporcionados, en forma secundaria, por pruebas y técnicas que primariamente persiguen otros fines (Gamez, 1996). Estos métodos son los siguientes:
a) Directos: 1. Permeámetro de carga constante. 2. Permeámetro de carga variable. 3. Prueba directa de los suelos en el lugar.
b) Indirectos: 1. Cálculo a partir de la curva granulométrica. 2. Cálculo a partir de la prueba de consolidación. 3. Cálculo con la prueba horizontal de capilaridad.
2.1.9.6 Permeámetro de carga constante La columna de tierra tiene una altura L, excluida la capa de gravilla (ø> 3
mm) que se suele colocar sobre la base permeable (figura 2.1.9.6.1 y 2.1.9.6.2) ). Idéntico al utilizado por Darcy.
Ofrece el método más simple para determinar el coeficiente de permeabilidad de ese suelo. Una muestra de suelo de área transversal A y longitud L, confinada en un tubo, se somete a una carga hidráulica h. El agua fluye a través de la muestra, midiéndose la cantidad (en cm3) que pasa en el tiempo t. Aplicando la ley de Darcy:
Figura 2.1.9.6.1. Permeámetro de carga constante
86
Este tipo de permeámetro es aplicable para suelos friccionantes, ya que en suelos poco permeables, el tiempo de prueba se hace tan largo, que deja de ser práctico, usando gradientes hidráulicos razonables. Como se muestra en la figura 2.1.9.6.1 Tabla 2.1.9.6.1. Comportamiento de tres suelos.
Estructura Granular simple Granular compuesta
Granular compuesta
Textura Arenosa μm
Limosa Arcillosa 40 90 140
Percolación 475 1110 >2000 250 50
Figura 2.1.9.6.2. Permeámetro de carga constante PERMEÁMETRO DE CARGA VARIABLE En muestras con una baja conductividad hidráulica, se añade agua a la superficie de la muestra una sola vez, y se van midiendo los cambios en el nivel del agua a lo largo del tiempo (figura 2.1.9.6.2 y 2.1.9.6.3). Un tubo de menor sección facilita la lectura del nivel.
Figura 2.1.9.6.3 Permeámetro de carga variable En este tipo de permeámetro(ver figura 2.1.9.6.3) se mide la cantidad de agua que atraviesa una muestra de suelo, por diferencia de niveles en un tubo
87
alimentador. Este permeámetro puede ser utilizado en suelos finos y gruesos variando el diámetro del tubo alimentador, pero lo más común es utilizarlo con los suelos finos poco permeables (Gamez, 1996). Al ejecutar la prueba se llena de agua el tubo vertical del permeámetro, observándose su descenso a medida que el agua atraviesa la muestra.
Figura 2.1.9.6.4. Permeámetro de carga variable 2.1.9.7 Importancia de la permeabilidad del suelo en la ingeniería ambiental
La permeabilidad es la velocidad con que puede circular el agua dentro
del suelo (conductividad hidráulica). La necesidad de llegar a una mejor comprensión y predicción del
movimiento y retención del agua, aire, agroquímicos, nutrientes, contaminantes y sólidos en el suelo ha llevado a desarrollar y comercializar métodos y equipos de medida de las propiedades hidráulicas del suelo.
Los flujos de agua se estudian, para fines hidrológicos, a escala de campo y a escala regional a nivel de cuenca de drenaje. Además conociendo la trayectoria del flujo se puede predecir el recorrido de algún contaminante; considerando la pendiente del terreno.
En los suelos los cambios en las direcciones, suelen ser suficientemente graduales para que la hipótesis Kx=Ky sea generalmente cierta para distancias no demasiado grandes.
El tamaño medio de los espacios o poros determina la permeabilidad del suelo, la intensidad o facilidad con que el agua, aire o algún contaminante se mueven de las capas de suelo superiores a las inferiores. En la porosidad también influye la estructura del suelo; la forma en que las partículas que constituyen un suelo se organizan y agrupan entre sí.
La textura, la porosidad y la permeabilidad del suelo determinan la capacidad de retención de agua, la aeración y la labrabilidad de un suelo.
Los flujos de agua se estudian, para fines hidrológicos, a escala de campo y a escala regional a nivel de cuenca de drenaje.
88
2.1.10 La agua higroscópica
2.1.10.1 Introducción
La lluvia, la nieve, el roció, la condensación de la niebla y otras formas de
precipitación constituyen los aportes de agua al suelo. En donde la capacidad de retención del agua dependerá de la profundidad, textura, estructura, entre otras propiedades del suelo.
El agua en el suelo no está libremente disponible como en un contenedor, sino que está retenida con una energía variable que debe ser superada por las plantas para poder ser incorporada y permitir la producción de materia seca.
Entre otras, la importancia del agua radica en: Ser factor esencial para el transporte de constituyentes en los
procesos de génesis del suelo. Es necesaria para los procesos fisiológicos de las plantas. Transporte de nutrientes en el proceso de absorción de las raíces. Transporte de contaminantes solubles (Thompson, 1980).
2.1.10.2 Conceptos basicos
Estructura del agua y sus propiedades. La molécula del agua es bipolar con centros de carga positivos y
negativos distribuidos asimétricamente. Por ello las moléculas de agua se relacionan entre sí y con los iones a través de puentes de Hidrógeno. A su vez, el agua es atraída eléctricamente por las partículas coloidales del suelo. Basándose en la electrostática, en la que Ley de Coulomb enuncia:
Concepto de energía del agua en el suelo. Las relaciones suelo-agua pueden entenderse desde el punto de vista
energético. La energía asociada al agua del suelo es una resultante de las fuerzas a las que está sometida, incidiendo en la disponibilidad del agua por las plantas, en el movimiento del agua en el suelo y en sus propiedades mecánicas. El estado energético y el movimiento del agua en el suelo vienen determinadas por energía potencial en cada punto, expresada como una diferencia de potencial.
La retención y el movimiento del agua en el suelo, la absorción y el transporte en las plantas y hacia la atmósfera son todos fenómenos relacionados con la energía. El estado de energía del agua en un espejo de agua se denomina energía libre. En éste estado el agua no está sometida a fuerzas externas distintas a la gravedad y toda la energía es utilizada en la unión de una molécula con otra. Por lo tanto, al existir una atracción electrostática con iones o con superficies sólidas, el nivel de energía del agua va a ser menor.
Los valores energéticos pueden expresarse en términos de presión, tensión ó succión. El potencial de agua en el suelo es una medida de la disminución de la energía libre del agua en el suelo como resultado de las fuerzas que actúan sobre ellas (Honorato, 2000).
89
2.1.10.3 Subdivisiones del agua del suelo
El agua en suelos se subdivide de acuerdo a la intensidad de las fuerzas de retención y no a los cambios naturales del agua.
Los límites entre los diferentes tipos se han escogido para indicar el agua que puede sustraerse por percolación, por las raíces de las plantas o por evaporación.
2.1.10.3.1a)CAPACIDAD DE CAMPO. El contenido de agua en el suelo cuando virtualmente ha cesado todo
movimiento descendente, recibe el nombre de Capacidad de campo. Esta situación suele darse en suelos bien drenados dos o tres días después de la lluvia. La capacidad de campo se valora cuantitativamente como la cantidad de agua presente expresada en forma de porcentaje sobre el peso del suelo seco a la estufa.
2.1.10.3.2 b) PUNTO DE MARCHITAMIENTO.
El punto de marchitamiento es el límite inferior del agua disponible para
las plantas. Aproximadamente la mitad del agua contenida en el suelo a capacidad de campo, se halla tan fuertemente retenida que no puede ser utilizada por las plantas. El punto de marchitamiento se alcanza cuando la tasa de absorción de agua por parte de las raíces se hace tan lenta que las plantas se marchitan sin poder recuperarse.
2.1.10.3.3 c) AGUA HIGROSCÓPICA.
Se presenta como una fina película alrededor de las partículas del suelo,
probablemente 2 o 3 capas moleculares. El agua higroscópica puede removerse del suelo seco al aire por medio de secado a la estufa.
Las grandes áreas de las superficies exteriores de Arcilla y Materia orgánica causan que los suelos de éste tipo retengan mas agua higroscópica que otros suelos.
2.1.10.3.4 d) COEFICIENTE DE HIGROSCOPICIDAD.
El coeficiente de higroscopicidad es el porcentaje de agua que permanece
en un suelo seco al aire. La evaporación extrae mas agua del suelo que la que pueden tomar las plantas. Existe, sin embargo una pequeña cantidad que no puede ser sustraída, en condiciones de campo, aún después de una exposición al aire prolongada. En condiciones normales, los suelos contienen siempre al menos tanta agua como la indicada por el coeficiente de higroscopicidad. En la figura 2.1.10.3.4.1 se muestra un dibujo en donde se representa el agua higroscópica y la capilar.
90
Figura 2.1.10.3.4.1. Se muestran partículas de suelo cubiertas por la capa de agua higroscópica y el contenido de agua capilar entre las paredes del suelo.
2.1.10.7 Los estados del agua en el suelo
2.1.10.7.1 El suelo seco.
El suelo seco a la estufa es el peso básico de referencia para todos los
cálculos de humedad. Puede determinarse secando el suelo en una estufa a una temperatura de 105 a 110° C. Las temperaturas con pocos grados superiores al punto de ebullición del agua aceleran el proceso de secado y conceden un margen para la elevación del punto de ebullición, provocado por la presencia de sales disueltas. La muestra permanece en la estufa varias horas según el tamaño de la muestra.
Debe existir suficiente circulación de aire para permitir la evacuación del vapor de agua.
Incluso el suelo seco a la estufa pierde algo de agua si se lleva a temperaturas mas elevadas. La mayor parte del agua proviene de los grupos hidróxidos contenidos en los sólidos orgánicos y minerales.
Se considera que esa agua combinada químicamente pertenece a los sólidos del suelo y no a la fase líquida. La extracción mediante calentamiento a elevadas temperatura, del agua combinada, altera la naturaleza de los materiales orgánicos y minerales presentes en el suelo.
Los contenidos hídricos a capacidad de campo (CC), en el punto de marchitamiento y el coeficiente de higroscopicidad, se usan para definir los diferentes estados del agua en el suelo.
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Agua higroscópica.
Ah = H – Ps. Donde Ah es el agua higroscópica H es el coeficiente de higroscopicidad. Ps es el peso seco del suelo analizado. Agua capilar.
Ac = CC – H. Donde Ac es el agua capilar. CC es la capacidad de campo. H es el coeficiente de higroscopicidad. Agua disponible.
Ad = Pm – Ps Donde Ad es el agua disponible para el cultivo. Pm es el punto de marchitamiento. Ps es el peso del suelo seco a la estufa. Agua de gravitación.
Ag= Porcentaje de agua presente – CC Donde Ag es el agua de gravitación. CC corresponde a la capacidad de campo. Los nombres de los diversos estados del agua sugieren alguna de sus
características.
El agua de gravitación es la que ocupa temporalmente el volumen de los poros de aireación, pero drena hacia profundidad mayor si existe suelo seco debajo. En éste movimiento, la gravedad es el factor mas obvio, aunque la tensión del agua en el suelo seco suele ser mas fuerte.
El agua capilar se retiene en los poros pequeños o capilares de modo semejante a como puede retenerse en un tubo delgado de vidrio.
El agua higroscópica no solo es retenida por el suelo seco al aire, sino que además puede ser de nuevo absorbida a partir del aire por el suelo seco a la estufa.
El agua disponible es la accesible a las plantas y la NO disponible, es la retenida demasiado energéticamente para poder sostener la vida vegetal.
El agua disponible y la no disponible por un lado y la capilar e higroscópica por otro, constituyen dos maneras de sub-dividir la misma agua del suelo.
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En la figura 2.1.10.7.1 se muestran los diferentes estados de humedad del suelo.
Figura 2.1.10.7.1 Se presentan cuatro estados de humedad en el suelo.
2.1.10.8 Potencial del agua en el suelo
Diversas fuerzas actúan sobre el agua del suelo ejerciendo sobre la misma un efecto combinado conocido como potencial hídrico. Los componentes más importantes de éste son el potencial de gravitación, el potencial capilar y el potencial osmótico.
El potencial de gravitación se puede considerar como una presión, con valores positivos para las localizaciones por encima del nivel de referencia.
Los potenciales hídricos se toman como presiones negativas, de manera que sus valores positivos representan localizaciones por debajo del nivel de referencia. Y con frecuencia se toma el nivel del suelo como nivel de referencia, de modo que el potencial de gravitación, en el perfil del suelo, presentará valores positivos iguales a la profundidad de la posición que se considere.
Si sólo se tiene en cuenta una profundidad, ésta puede hacerse coincidir con el nivel de referencia, de manera que el potencial de gravitación será cero.
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El potencial capilar, a veces llamado potencial matricial o tensión del agua en el suelo, resulta de la atracción entre los sólidos del suelo y el agua. Gracias a los puentes de hidrógeno, una capa de moléculas de agua se adhiere a los iones de oxígeno que constituyen la superficie de la mayoría de los minerales del suelo. Además se mantienen otras capas adicionales, unidas por cohesión entre las moléculas de agua. Las capas internas son retenidas de manera rígida, en una estructura similar al hielo, pero conforme avanza hacia el exterior, la retensión es menos firme. La cantidad de agua que puede ser retenida de ésta forma se limita al espesor, para la cual, la atracción de la capa más externa es igual a la fuerza de gravedad.
Es posible retener el agua capilar adicional donde dos o más partículas de suelo se encuentran lo bastante próximas para crear puentes entre ellas. Los poros grandes tienen sus terminaciones llenas de agua gracias a éste efecto puente que, junto con la tensión superficial, contribuye a retener el líquido (Thompson, 1980).
2.1.10.9 Importancia del contenido de agua en el suelo y en la ingeniería ambiental
La relación entre agua y suelo es importante para el cultivo de las diferentes especies de plantas, pero en nuestro caso es muy significativo conocer los mecanismos de transporte de los contaminantes disueltos en el agua.
Así, de acuerdo a los datos de evaluación de la textura, estructura y porosidad se puede evaluar las causas de un movimiento rápido del agua contaminada o el recorrido de largas distancias del mismo.
2.1.11 Nitrógeno en suelos.
2.1.11.1 Introducción
El Nitrógeno es el nutriente que se suministra más a menudo como fertilizante. Las plantas lo requieren en grandes cantidades, pero en las rocas ígneas sólo existen trazas de él. Alrededor de un 78% del aire es nitrógeno, pero éste elemento en forma gaseosa es inaccesible a la planta superiores. Para ser utilizado debe previamente combinarse con Hidrógeno, Oxígeno o Carbono. Los procesos de combinación del Nitrógeno con otro elemento reciben el nombre de fijación de Nitrógeno y se realizan en la naturaleza gracias a la acción de ciertos microorganismos y a las descargas eléctricas en la atmósfera. Sin embargo, la cantidad de nitrógeno fijado suele ser pequeña en comparación con la que las plantas podrían utilizar. Es un nutriente esencial para el crecimiento de los vegetales, ya que es un constituyente de todas las proteínas. Es absorbido por las raíces generalmente bajo las formas de NO3- y NH4+. Su asimilación se diferencia en el hecho de que el ión nitrato se
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encuentra disuelto en la solución del suelo, mientras que gran parte del ión amonio está adsorbido sobre las superficies de las arcillas. El contenido de nitrógeno en los suelos varia en un amplio espectro, pero valores normales para la capa arable son del 0,2 al 0,7%. Estos porcentajes tienden a disminuir acusadamente con la profundidad. El nitrógeno tiende a incrementarse al disminuir la temperatura de los suelos y al aumentar las precipitaciones atmosféricas.
2.1.11.2 Conceptos básicos 2.1.11.2.1 El ciclo del nitrógeno.
El nitrógeno pasa de una a otra de sus formas en su tránsito del suelo al cuerpo de los organismos vivos y en su retorno de éstos al suelo. El ciclo es indefinido y abierto. El nitrógeno puede circular en el ciclo indefinidamente y es abierto porque puede incorporarse o abandonarlo en diversos puntos. La parte del ciclo en que la materia orgánica se descompone y se liberan iones inorgánicos recibe el nombre de mineralización. El proceso inverso, mediante el cual los iones inorgánicos se convierten en formas orgánicas se llama inmovilización. A largo plazo, ambos procesos se hallan equilibrados, pero a corto plazo uno u otro pueden predominar durante un tiempo. La mejor manera de apreciar el balance entre ambos consiste en medir la cantidad de NH4+ + NO3 - en el suelo. La producción de NH4+ constituye la mineralización, pero como éste se convierte fácilmente en NO3-, es necesario medir los dos. Los aportes, transformaciones y pérdidas del nitrógeno en el suelo se
esquematizan en el siguiente ciclo, como se observa en la figura 2.1.11.2.1
Figura 2.1.11.2.1. Principales partes del ciclo de nitrógeno.
95
Como resultado en el suelo podemos encontrar nitrógeno orgánico (proteínico, ácidos nucleicos, azúcares) e inorgánico (NH4
+, NO3-, NO2
-). Siendo, generalmente, el orgánico el más abundante (85 al 95% son valores normales).
96
El nitrógeno asimilable procede de diversas fuentes y está sometido a pérdidas por diversos mecanismos.
Básicamente el ciclo del nitrógeno se compone de cuatro tipos de procesos: FIJACIÓN DEL NITRÓGENO MOLECULAR. Puede realizarse bajo diferentes vías. a) FIJACIÓN BIOLÓGICA SIMBIÓTICA. El nitrógeno atmosférico es fijado por ciertos microorganismos en el suelo que actúan de manera simbiótica con las plantas (como plantas hospedadoras actúan, preferentemente, las leguminosas). El mecanismo es complejo, básicamente se admite que el N2 es transformado a NO3- por la actividad de bacterias del género rhizobium y es incorporado a estos organismos bajo la forma de aminoácidos. En ausencia de fertilizantes, éste es el proceso esencial para el crecimiento de las plantas. b) FIJACIÓN BIOLÓGICA ASIMBIÓTICA. Ciertos microorganismos pueden fijar nitrógeno sin recurrir a comportamientos simbióticos. Se trata de microorganismos heterótrofos frente al carbono y lo tienen que tomar de los azúcares, almidón, celulosas. Son las bacterias heterótrofas, bacterias fotosintéticas y algas azules-verdes. c) FIJACIÓN NO BIOLÓGICA. El nitrógeno puede ser arrastrado directamente al suelo por las aguas de lluvia. Representa una vía muy poco importante frente a la fijación biológica. 2.1.11. 3. Nitrificación.
Es el proceso correspondiente a la oxidación del ión amonio a nitrato. Se desarrolla en dos etapas. En un primer paso, el ión amonio es oxidado a nitrito (reacción catalizada por bacterias nitrosomas) y en la segunda fase el nitrito pasa a nitrato (por la acción de la bacteria nitrobacter).
97
2.1.11.3.1Reducción del ión nitrato.
En ausencia de oxígeno (suelos saturados en agua) el nitrato evoluciona a amonio, interviniendo en el proceso reductor las bacterias nitrato-reductasa, siendo el nitrato el que actúa de aceptor de electrones en la oxidación de la materia orgánica.
2.1.11.3.2 Desnitrificación.
Es otro proceso de reducción del ión nitrato, pero esta vez a nitrógeno molecular. En suelos completamente saturados en agua se produce un empobrecimiento en oxígeno y algunos organismos anaeróbicos tienen capacidad de obtener el oxígeno de los nitratos y nitritos con liberación simultánea de nitrógeno y de óxido nitroso. Inversamente el nitrógeno mineral puede ser utilizado por los microorganismos del suelo y ser transformado en nitrógeno orgánico. Esta transformación se llama inmovilización biológica. (Thompson, L.M., Troeh,F.R. 1980).
2.1.11.4 Fertilizantes nitrogenados
El nitrógeno añadido como abono, puede estar como urea, NH4+ y NO3-. Este nitrógeno sigue los mismos modelos de reacción que el nitrógeno liberado por los procesos bioquímicos a partir de residuos de plantas.
Así la urea es sometida a la amonificación (formación de NH4+) y nitrificación previas para su utilización por los microorganismos y plantas.
El amonio puede ser oxidado a NO3- y ser fijado por las partículas sólidas del suelo o utilizado sin cambio por los microorganismos y las plantas.
Los nitratos pueden ser absorbidos directamente por microorganismos y plantas o pueden perderse por volatilización y lavado.
Efectos secundarios del abonado nitrogenado.
Aportación de nutrientes, aporte del nitrógeno, como S, Mg, Ca, Na y B.
Variación de la reacción el suelo (acidificación o alcalinización) .
Incremento de la actividad biológica del suelo con importantes efectos indirectos sobre la dinámica global de los nutrientes.
Daños por salinidad y contaminación de acuíferos, causados por una dosificación muy alta.
Daños causados por las impurezas y productos de descomposición.
98
Efecto secundario, herbicida y fungicida, de la cianamida cálcica.
2.1.11.4.1Impacto ambiental del exceso de fertilizantes nitrogenados
El problema ambiental más importante relativo al ciclo del N, es la acumulación de nitratos en el subsuelo que, por lixiviación, pueden incorporarse a las aguas subterráneas o bien ser arrastrados hacia los cauces y reservorios superficiales. En estos medios los nitratos también actúan de fertilizantes de la vegetación acuática, de tal manera que, si se concentran, puede originarse la eutrofización del medio. En un medio eutrofizado, se produce la proliferación de especies como algas y otras plantas verdes que cubren la superficie. Esto trae como consecuencia un elevado consumo de oxígeno y su reducción en el medio acuático, así mismo dificulta la incidencia de la radiación solar por debajo de la superficie. Estos dos fenómenos producen una disminución de la capacidad autodepuradora del medio y una merma en la capacidad fotosintética de los organismos acuáticos.La textura de los suelo es un factor importante en relación con la lixiviación. Cuanto más fina sea la textura más capacidad de retención presentarán.(Thompson, L.M., Troeh, F.R., 1980).
2.1.11.5 Importancia del contenido de nitrógeno en el suelo, en la ingeniería ambiental.
Las sales de nitrato son muy solubles, por lo que la posibilidad de que se produzca la lixiviación del anión es elevada y más teniendo en cuenta el bajo poder de adsorción que presentan la mayoría de los suelos para las partículas cargadas negativamente.
La cantidad de nitratos que se lixivia hacia el subsuelo depende del régimen de pluviosidad y del tipo del suelo.
La mayoría de los suelos poseen abundantes partículas coloidales, tanto orgánicas como inorgánicas, cargadas negativamente, con lo que repelerán a los aniones, y como consecuencia, estos suelos lixiviaran con facilidad a los nitratos. Por el contrario, muchos suelos tropicales adquieren carga positiva y por tanto, manifiestan una fuerte retención para los nitratos.
2.1.12 Fósforo disponible en suelos 2.1.12.1Introducción
El suelo es considerado como un recurso natural dado que puede emplearse una y otra vez, es decir su fecundidad se regenera por medios naturales o artificiales siempre y cuando se le dé un buen uso y se empleen
99
técnicas adecuadas para su explotación moderada y eficiente. (Gómez, et Al, 2001)
El fósforo (P), después del nitrógeno, es el segundo elemento en importancia para el crecimiento de las plantas, macronutriente que en mayor medida limita el rendimiento de los cultivos. Interviene en numerosos procesos bioquímicos a nivel celular y se le considera un nutriente esencial para las plantas (García, 2005). (Hausenbuiller,1980) La falta de este elemento en el suelo, puede impedir que otros elementos sean absorbidos por las plantas. 2.1.12.2 HIstoria
La roca fosfórica es la más importante de todos los materiales que se requieren para la agricultura. Es el mineral no metálico más vital. Este mineral se inicia a explotar desde 1840 en Inglaterra, desde entonces no ha cesado de explorarse y explotarse para producir fertilizantes que ayuden al suelo a producir el elevada cantidad de alimentos que cada día necesita la humanidad.
Los mayores yacimientos se localizan en la Florida, USA y en Egipto donde ambos han producido el 60 % del consumo mundial en la primera mitad del siglo XX (GRAY ,1947).
De acuerdo al anuario estadístico de la minería de Mexicana, publicado en el año de 12010, los principales productores de roca fosfórica, a nivel mundial eran:
Tabla 2.1.12.2.1 principales productores de roca fosfórica, a nivel mundial (miles de toneladas) Países productores 1978 1979 Total 4815 4796 España 163 163 Estados Unidos 117 --- Francia 372 381 Italia 191 200 Kenia 88 91 México 960 984
100
2.1.12.1 Ciclo del fósforo en la naturaleza
El ciclo del fósforo en el suelo se esquematiza en la figura 2.1.12.2.1.
Figura 2.1.12.2.1. Ciclo del fósforo El fósforo es un componente esencial de los organismos. Forma parte de los ácidos nucleicos y de otras moléculas que tienen PO4
3- y que almacenan la energía química; de los fosfolípidos que forman las membranas celulares; y de los huesos y dientes de los animales. Está en pequeñas cantidades en las plantas, en proporciones de un 0,2%, aproximadamente. En los animales hasta el 1% de su masa puede ser fósforo (Tecnum, 2005)
101
Figura 2.1.12.2. 2.- Ciclo del fosforo Su reserva fundamental en la naturaleza es la corteza terrestre. Por meteorización de las rocas o sacado por las cenizas volcánicas, queda disponible para que lo puedan tomar las plantas. Otras fuentes de fósforo son la materia orgánica (fósforo orgánico), el humus, los residuos y estiércoles y los fertilizantes fosfatados suministrados dentro de un plan de nutrición mineral. Con facilidad es arrastrado por las aguas y llega al mar. Parte sedimenta al fondo del mar y forma rocas que tardarán millones de años en volver a emerger y liberar de nuevo las sales de fósforo. (Forma grandes yacimientos sedimentarios de roca fosfórica, como el existente en San Juan de la Costa, Baja California Sur, México. A 20 Km. Al norte de La Paz capital del estado) Otra parte es absorbida por el plancton que, a su vez, es comido por organismos filtradores de plancton, como algunas especies de peces. Cuando estos peces son comidos por aves que tienen sus nidos en tierra, devuelven parte del fósforo en las heces a tierra. Además las salidas pueden ser por extracción en los granos cosechados, erosión, escurrimiento, lixiviación es el principal factor limitante en los ecosistemas acuáticos y en los lugares en los
102
que las corrientes marinas suben del fondo, arrastrando fósforo del que se ha ido sedimentando, el plancton prolifera en la superficie. Al haber tanto alimento se multiplican los bancos de peces, formándose las grandes pesquerías. Con los compuestos de fósforo que se recogen directamente de los grandes depósitos acumulados en algunos lugares de la tierra se abonan los terrenos de cultivo, a veces en cantidades desmesuradas, originándose problemas de eutrofización. El fósforo se encuentra en forma natural en el agua y en aguas residuales como fosfatos Estos son clasificados como orto- fosfatos, fosfatos condensados, ( piro- metalúrgico, y otros poli- fosfatos). .Ellos se encuentran en forma de solución, en partículas o detritos, o en cuerpos de organismos acuáticos. Estás formas de fosfatos vienen de una gran variedad de fuentes. Pequeñas cantidades de fosfato condensado son añadidas al agua durante su tratamiento. Grandes cantidades son agregados al agua cuando es esta es usada para lavar y limpiar, en forma de detergente. Los fosfatos también son utilizados para el tratamiento de calderas de agua. Los orto-fosfatos son utilizados en la agricultura, jardinería como fertilizantes. Para derretir nieve. (APHA, AWWA, WEF, 1995 En la figura 2.1.12.2.3 se representan las ganancias y pérdidas del fósforo asimilable en el suelo.
Figura 2.1.12.2.3 Ganancias y pérdidas del fósforo en el suelo.
103
2.1.12.4. Formas de fósforo
Desde el punto de vista químico el fósforo puede encontrarse como: 1. Fósforo inorgánico. 2. Fósforo orgánico. 3. Fósforo adsorbido. 4. Fósforo asimilable.
Dependiendo del tipo de suelo, se puede decir que entre 60-50% corresponde a la fracción orgánica, mientras que el resto se encuentra en forma inorgánica (INTA, 2002). Las formas orgánicas se hallan en el humus del suelo, en diferentes niveles de estabilización. Dentro de la compleja configuración del humus, podemos distinguir sustancias orgánicas más accesibles para las plantas y otras de menor accesibilidad. En el cuadro 1 se presentan las diferentes estructuras en las que se suele dividir al humus para su mayor entendimiento y la disponibilidad de nutrientes provenientes de ellas.
El motor que mueve todas las formas orgánicas y que realizan la mineralización del P orgánico, es la actividad microbiana.
El P inorgánico está representado por diferentes fracciones:
P presente en los minerales primarios
P adsorbido (labil) en las arcillas
P en solución: es el que pueden aprovechar las plantas: HPO4= y H2PO4-
P no lábil (poco disponible) representado por P precipitado/Ocluido
La disponibilidad está determinada por los siguientes factores:
pH del suelo
Fe, Al, y Mn solubles
Presencia de minerales que contienen Fe, Al y Mn.
Minerales de calcio y magnesio disponibles
Cantidad y descomposición de materia orgánica
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Actividad de microorganismos
Todos estos factores están influenciados por el pH de suelo. La máxima disponibilidad del P ocurre para pH entre 6 y 7 (García, 2005 y Hausenbuiller, 1980)
A pH bajos, suelos ácidos, existe en solución Fe, Al y Mn que reaccionan con el ácido fosfórico dando fosfatos hidróxidos insolubles. También existe la fijación por los óxidos hidróxidos formando fosfatos hidróxidos insolubles. La fijación por silicatos-arcillas, se realiza en condiciones de moderada acidez.
En suelos alcalinos, los fosfatos precipitan con el Ca de cambio y con el de CaCO3.
La dependencia del comportamiento del fósforo con el pH se resume a continuación:
pH = 3 - 4. Mínima solubilidad.
pH > 4 el fósforo disminuye la capacidad fijadora.
pH = 5,5 mucho del fósforo está químicamente combinado con Fe y Al.
pH = 6 comienza la precipitación como fosfato cálcico
pH = 6,5 se forman sales de Ca insolubles por lo que el fósforo no es disponible.
pH > 7 puede formarse incluso apatito como ejemplo de compuestos muy insolubles.
Generalmente los fosfatos forman compuestos insolubles con iones Fe+3 y Al+3 en medio ácido y con Ca++ en medios alcalinos. Tan solo existe un rango de pH (alrededor de 6,5) en el que el fosfato se mantiene soluble, que es la situación en la que se puede presentar cierto riesgo de lixiviación (García 2005).
2.1.12.5 Movilidad del fósforo en el suelo
El movimiento del P se realiza principalmente por difusión, y en mucho menor medida por flujo masal.
El P se mueve muy poco en suelos minerales, difundiéndose a distancias tan cortas como un 0.6 cm (Plaster, 2000). Este movimiento limitado tiene importantes implicaciones para el manejo del suelo. En lugar de la lixiviación, el
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fósforo se pierde más comúnmente por la escorrentía, la erosión o debido a que los suelos volátiles lo transportan desde el campo. Esto también aumenta la dificultad de las plantas para obtener un fósforo adecuado. Debido a su baja movilidad, es muy importante que el fertilizante de fosfato sea situado cerca de la semilla, al plantarse, o mezclado con el suelo cerca de las raíces de la planta.
Los factores principales que influyen en el ritmo de difusión son:
Constante de solubilidad del P: es una propiedad química intrínseca del elemento
Gradiente de concentración de P entre dos puntos considerados
Distancia entre los puntos entre los que se realiza la difusión y tortuosidad del medio.
Humedad: la difusión se realiza en medio acuoso, por lo que se transforma en un factor crítico.
Temperatura: la difusión del P aumenta con el incremento de la temperatura.
La absorción de fósforo depende de algunas condiciones del suelo:
El pH del suelo establece principalmente el grado de fijación. El fósforo es más libre en un pH entre 6.5 y 6.8.
Los suelos secos detienen la difusión del fósforo a las raíces. Por consiguiente las plantas toman mejor el fósforo en suelos húmedos.
El oxígeno es necesario para la descomposición de los fosfatos orgánicos. Las raíces también necesitan oxígeno para tomar nutrientes. En consecuencia, un suelo suelto y bien drenado mejora la absorción del fósforo. Un suelo compactado o pobremente drenado reduce el acceso.
Un suelo frío retrasa la actividad de los microorganismos que colocan el fósforo en la solución, retrasa su difusión hacia las raíces y retarda el crecimiento de la raíz. La respiración de la raíz también disminuye, privando a las raíces de la energía necesaria para absorber el fósforo. Las faltas de fosfato son normalmente en suelos mojados y fríos.
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El balance total de nutrientes también es importante. El nitrógeno, por ejemplo, mejora la absorción del fósforo. Una cantidad demasiado alta de zinc parece que la reduce.
La infección de micorrizas de las raíces de la planta ayudan a ésta a absorber fósforo, especialmente en suelos deficientes de fósforo.
Una cosecha emplea sólo entre 10 a un 30 por ciento del fertilizante de fosfato aplicado. El resto se va a la reserva y puede ser utilizado más tarde para las cosechas.
El fósforo también estimula el crecimiento pero en menor medida que el nitrógeno. El fósforo afecta al crecimiento de la planta de diversas maneras:
El fósforo forma parte del material genético (cromosomas y genes) por lo que esta implicado en la reproducción de la planta y la división celular.
Forma parte de las sustancias químicas que almacenan y transfieren energía en todos los seres vivientes. Sin él todas las reacciones biológicas llegan a detenerse. En las plantas los ejemplos de reacciones de energía incluyen la captura de energía de la luz por la fotosíntesis y el transporte de energía en las raíces para la absorción de nutrientes.
Estimula pronto y rápido el crecimiento de la raíz y ayuda a la joven planta a desarrollar sus raíces.
Ayuda a las plantas a usar agua más eficientemente, mejorando el agua absorbida por las raíces.
Mejora la eficacia de la captura del nitrógeno por las plantas, haciendo mejor empleo del nitrógeno de fertilizante y reduciendo el riesgo de contaminación del agua de la tierra debida a la lixiviación del nitrato.
Un fósforo adecuado en el suelo asegura un suministro de suficiente fósforo a la alimentación de los animales.
El fósforo actúa de muchas maneras para equilibrar el nitrógeno. Mientras el nitrógeno retarda la madurez, el fósforo la acelera. El nitrógeno ayuda al crecimiento vegetativo; el fósforo ayuda a la floración y a la fructificación. Como regla empírica, el fósforo es más importante para las cosechas de las que usamos la parte de la flor (flores, frutas o semillas). El fósforo también promueve el crecimiento de la raíz temprano y rápido, por lo que es a menudo el elemento principal en los fertilizantes de arranque.
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Entre un 25 y un 90 por ciento de todo el fósforo del suelo reside en la materia orgánica. La materia orgánica es un almacén importante de fósforo. La figura 2.1.12.5.1 resume todas las formas del fósforo.
Figura 2.1.12.5.1. Formas del Fósforo Una hectárea típica de suelo contiene entre 900 y 1,800 Kilogramos de fósforo en la capa de arado. De ese total, sólo aproximadamente 4.5 kilogramos están en solución en cualquier momento (Plaster, 2000). Como las plantas quitan el fosfato de la solución, el fosfato de reserva (fijado u orgánico) se mueven desde sus otras formas y se convierte en soluble. En el punto culminante de la estación de crecimiento el fosfato en solución puede ser reemplazado varias veces diariamente desde la solución que guarda el suelo. En muchos suelos, las plantas no pueden sacar las provisiones del suelo lo suficientemente rápido como para producir una cosecha completa. Por esta razón, los agricultores fertilizan el suelo con fosfato para compensar por fijación. En la naturaleza, muchas, o incluso la mayoría de las plantas, poseen adaptaciones a suelos con bajo contenido de fósforo, incluyendo la asociación con hongos de micorrizas. 2.1.12.6 Deficiencia o exceso de fósforo
Una escasez de fósforo puede impedir el crecimiento, pero la planta permanece verde. Las plantas con deficiencia de fósforo a menudo presentan un tinte púrpura en sus hojas y tallos, empezando en las hojas más bajas y más viejas. Una escasez de fósforo puede retrasar la madurez de varias cosechas como maíz, algodón, sojas y otras. Algunas cosechas, como la zanahoria, desarrollan sistemas de raíz pobre. Por otro lado, un exceso de fósforo del suelo bloquea a otros nutrientes de la planta como el hierro 2.1.12.7 Importancia del fósforo en el suelo, en la ingeniería ambiental
El P del suelo es suministrado por la meteorización de minerales principalmente. A medida que minerales como la apatita se meteoriza libera aniones que pueden ser usados por las plantas. Estos aniones son ortofosfatos primarios (H2PO4
-) y ortofosfatos secundarios (HPO4-).
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En el suelo ocurren procesos en los cuales el fósforo orgánico es transformado a inorgánico disponible para las plantas debido principalmente a la acción de microorganismos que descomponen de la materia orgánica, sin embargo este proceso es de doble vía, también estos microorganismos requieren de fósforo como fuente de energía para sus procesos vitales y lo toman de la solución del suelo.
Muchos suelos contienen grandes cantidades de fosfato, pero la mayoría no está disponible para las plantas. El fosfato en formas insolubles, que no está libre para el crecimiento de las plantas, se dice que está ―fijado‖.El fósforo no se pierde por lixiviación(
Las reacciones que fijan el fosfato dependen del pH del suelo. En suelos fuertemente ácidos (3.5-4.5) se forma fosfato de hierro insoluble. En el rango de pH de 4.0 a 6.5, el P reacciona con el aluminio. Los fosfatos de calcio son importantes en el rango de pH de 7.0 a 9.0. La máxima disponibilidad se encuentra en un pH de 6.5 (en suelos minerales), aunque el rango de 6.0 a 7.0 es satisfactorio para la mayoría de las cosechas.( Valdéz, 2005)( (Porta et Al, 2003) .( Hausenbuiller R. L., 1980)
El problema ambiental de los fosfatos es, como el del N, la eutrofización de las aguas principalmente
Un exceso del fósforo, causa un crecimiento desmedido de algas, lirios acuáticos, que son los causantes del bajo nivel y perdida de los cuerpos de agua como son: lagos, lagunas, etc. Llega a crear desequilibrios ecológicos en las comunidades y problemas en canales y embalses, generando costos importantes si se requieren limpiezas periódicas (Porta et Al, 2003)
Los detergentes sintéticos son sustancias tenso-activas, es decir, con capacidad para desprender la mugre y evitar que vuelva adherirse. Debido a su propiedad de producir espuma abundante con cualquier tipo de agua, sustituyeron a los jabones desde la mitad del siglo pasado. El grave problema de los detergentes es que no todos son biodegradables, es decir, no son susceptibles de ser incorporados a los ciclos naturales, por lo que permanecen por mucho tiempo como contaminantes de los suelos. (Gómez et Al, 2001)
Los plaguicidas son sustancias que se emplean para eliminar insectos, arácnidos, roedores, o hierbas parásitas. Algunos de los más dañinos son los insecticidas fosforados, tales como paratión, metilparatión, malatión y glutión. Los plaguicidas son sustancias con gran estabilidad. A pesar de proporcionar beneficios a la humanidad, contaminan peligrosamente el agua y la tierra pues, destruyen a los insectos que amenazan los cultivos, también aniquilan a los insectos benéficos –como los polinizadores - Y a otros animales como aves,
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peces, y diversos organismos acuáticos. (Gómez, et Al, 2001)( López, 2007)
Es posible utilizar la bio- remediación par eliminar la contaminación por plaguicidas, con el uso de microorganismos desarrollados por la bio- tecnología, para degradar sustancias peligrosas en sustancias menos tóxicas o que no sean Tóxicas.( López, 2007)
2.1.13 Calcio y Magnesio extraíbles
2.1.13.1 Introducción.
El calcio y el magnesio son cationes de gran tamaño, abundantes en los feldespatos y otros minerales. El calcio es un macronutriente esencial para las plantas. En raras ocasiones es deficiente como nutriente, pero a menudo se aplica al suelo como enmienda, es decir como factor para el cambio de las propiedades químicas del suelo que redunden en la mejora en el suministro de nutrientes para el cultivo. Este catión, por meteorización, se libera de los minerales con mayor rapidez que los de menor tamaño. El calcio junto con el magnesio, además del sodio y potasio, son los que predominan en el agua de drenaje y los principales cationes básicos, en los sitios de intercambio catiónico. El magnesio se presenta como catión divalente en los huecos octaédricos de las estructuras minerales. Al igual que el calcio es un nutriente esencial para el crecimiento de las plantas. También es un macronutriente. El ión magnesio no cambia de valencia y es adsorbido en los sitios de intercambio catiónico y absorbido por las plantas o lavados del suelo. (Thompson, 1980).
2.1.13.2 Conceptos básicos
2.1.13.2.1 Las enmiendas del suelo.
El suelo puede modificarse en vistas a un aspecto determinado de la fertilidad tal y como la mejora del suministro de uno o varios nutrientes o por el contrario puede intentarse un cambio general en las propiedades físicas y químicas del mismo. En éste último caso se habla de enmiendas en el suelo.
Con mayor frecuencia, las enmiendas implican la aplicación de varias toneladas por hectárea de algún material que modifica las propiedades del suelo. En general, el efecto directo consiste en provocar una variación de pH.
2.1.13.3 Aumento en los niveles del pH.
La mayor parte de los suelos que se dan en climas húmedos para obtener grandes cosechas sin irrigación, tienen reacción ácida.
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La causa de la acidez reside en el lavado de bases por el agua de precolación. El resultado es un descenso de fertilidad y un medio poco adecuado para la mayoría de las plantas. Aumentar el pH hasta niveles próximos a la neutralidad puede ser rentable a pesar del costo implicado por el tratamiento de encalado.
Si se practica un buen sistema de cultivo, el encalado da lugar a una mejora a largo plazo de la fertilidad. Sin embargo, en sistemas de cultivos mal organizados, el encalado sirve de estimulante en las cosechas inmediatas, pero a costa de un gradual empobrecimiento del suelo.
El encalado y la fertilización suelen ser prácticas complementarias, por lo menos en las regiones húmedas
El encalado aumenta la exportación de nutrientes cuando se recogen grandes cosechas; también favorece la actividad microbiana y acelera la descomposición de la materia orgánica. Debido a éste último efecto, el encalado induce un descenso en el contenido de materia orgánica del suelo.
Respecto a los nutrientes de las plantas, aumenta su disponibilidad inmediata y reduce la futura. El descenso de las cosechas posteriores puede evitarse utilizando fertilizantes además de cal.
La pérdida de materia orgánica puede impedirse, o cuando menos limitarse, si se devuelven al suelo todos los residuos posibles de las cosechas resultantes de una mayor producción. La fertilización a menudo aumenta la necesidad de cal. En el suelo se oxida el amonio de los fertilizantes nitrogenados, formándose nitratos. El amonio es una base, pero los nitratos en el suelo se comportan como ácidos. Generalmente, cuando se han usado durante unos pocos años un fertilizante de tipo amoniacal, se requiere la aplicación de cal. Las formas amoniacales suelen ser los fertilizantes nitrogenados más baratos, por lo que a menudo, es más económico utilizarlos y corregir con cal la tendencia resultante a la acidez, que sustituirlos por otros.
Las formas orgánicas de Nitrógeno, tales como la urea, también acidifican el suelo por el mismo proceso que el amonio.
2.1.13.4 Materiales usados para encalar.
Un material satisfactorio para elevar el nivel de pH del suelo debe cumplir varios requisitos, a saber:
1. - Debe poseer un suave efecto alcalinizante, Lo que se pretende es aumentar el pH hasta cerca de la neutralidad.
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2. - Su aplicación debe conducir a una proporción deseable de cationes en los sitios de intercambio. Los iones añadidos deberían ser sobre todo Ca++ y algo de Mg++.
3. Deberán presentar un efecto favorable sobre la estructura del suelo. La base más favorable para una buena estructura es el Ca++. La mayor parte del material utilizado realmente consiste en roca caliza molida, porque es la que mejor cumple con las anteriores condiciones, además de ser económica. La Caliza consiste principalmente en CaCO3. Las variedades dolomíticas contienen también MgCO3. Con ellas se suministran los cationes deseables y los aniones CO3
= no poseen efectos perjudiciales. El efecto alcalinizante es suave pero efectivo.
A pesar de su suavidad, el CaCO3 y el MgCO3 son efectivos gracias al escape del gas CO2 que se genera en la reacción.
H+ Micela + CaCO3 Ca++ Micela + H2O + CO2 .
2.1.13.5 El sobre encalado.
Un encalado excesivo puede resultar más perjudicial que el propio defecto de cal. La disponibilidad del hierro, fósforo, manganeso, boro, zinc y también del potasio disminuyen con el exceso de cal. En las áreas sobre encaladas las plantas manifiestan un crecimiento deprimido y una coloración amarillenta.En los suelos arenosos, los peligros de la cal en exceso son mas acentuados porque tienden a formar deficiencias en elementos menores.Los problemas creados por los suelos excesivamente calizos derivan de su elevada humedad, dificultades de aireación y de las deficiencias nutritivas de las plantas que se cultivan en ellos. (Thompson, 1980)
112
En la figura 2.1.13.5.1 se muestra el ciclo del Calcio en suelos.
Rocas ígneas.
Lluvias Encalado
Calcio en minerales
Meteorización Calcio en solución Ca++ en complejo
De suelo. de cambio.
Pérdida por lavado Materia orgánica calcio en plantas y seres vivos.
Figura 2.1.13.5.1. Ciclo del calcio en suelos ( Hans Fassbender, Química del suelo, 1987).
113
En la siguiente figura 2.1.13.5.2 Se muestra el ciclo del magnesio en suelos.
( ibidem)
Magnesio atmosférico. Disuelto y en polvo.
Magnesio en abonos. Magnesio en
Materia orgánica
Mineralización Magnesio en solución Mg ++ cambiable.
de suelo
Inorgánico- orgánico.
Mg en seres vivos Mg en minerales
Cosecha lavado Erosión.
Figura 2.1.13.5.2 ibidem (Fassbender,H.,Bornemisza,E.,1987).
2.1.13.6 Importancia del contenido del calcio y magnesio en el suelo para la ingeniería ambiental.
Las actividades antropogénicas han provocado que la alcalinidad de los suelos se vea afectada en busca del mejor rendimiento de los cultivos.
Ello ha ocasionado el desequilibrio de parámetros como el pH el cual ocasiona trastornos más graves que los que pretendió evitar.
El uso inadecuado de piedras calizas (CaCO3) y dolomíticas
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(Ca CO3 Mg CO3), puede ocasionar un incremento en el pH de los suelos y por lo tanto afectar el rendimiento de la producción seca además de afectar a los microorganismos autóctonos o bien anular el tratamiento de bio - remediación con microorganismos inducidos para eliminar contaminantes.
Los carbonatos de metales alcalino- térreos que se encuentran en cantidades notables del suelo, debido a la baja precipitación típica de regiones áridas y semiáridas casi siempre se encuentran formando parte de la fase sólida del suelo.
Los carbonatos al ser tratados con un ácido, en un sistema cerrado bajo condiciones constantes de volumen y temperatura, producen un aumento de presión, el cual esta relacionado linealmente con el contenido de CO2, producto de la reacción entre los carbonatos y el ácido.
2.1.14 Sodio y Potasio
2.1.14.1 Introducción
Todos los nutrientes esenciales requeridos para la producción de alimentos y fibras están relacionados con la calidad de nuestro ambiente. Colectivamente ellos mejoran el potencial productivo y la integridad ambiental del suelo cuando se usan en cantidades adecuadas y en forma balanceada.
Los nutrientes promueven cultivos más vigorosos y productivos, que pueden desarrollar sistemas radiculares más grandes, abundantes residuos sobre la superficie, cobertura rápida del suelo, eficiencia del uso de agua y mayor resistencia a condiciones de estrés producidas por sequía, insectos, bajas temperaturas, etc.
Aún cuando los nutrientes esenciales desempeñan un papel vital en la producción de alimentos y en la protección del ambiente, algunos de ellos tienen riesgos ambientales cuando no son manejados adecuadamente. Los dos nutrientes asociados más a menudo con mal manejo y como fuentes de preocupación ambiental son nitrógeno (N) y fósforo (P).
El potasio (K) no tiene efectos nocivos en la salud o en el ambiente. De hecho, este nutriente es esencial para la salud de los humanos y animales. El K juega un papel vital en el ambiente debido a que un suplemento adecuado de este nutriente es esencial para la eficiente utilización de N y P, ayudando de esta forma a mantener estos nutrientes fuera de las fuentes de agua. A medida que se incrementan los rendimientos, menos N queda en el suelo, reduciendo el potencial de lixiviación de NO3 al manto friático (USDA, 1996).
115
El K soluble en agua más el intercambiable proporcionan cierta idea sobre el contenido de potasio y si se necesitan o no fertilizantes adicionales de ese elemento.
El sodio (Na) no se considera como esencial para el crecimiento de las plantas, resulta benéfico para algunas de ellas. Tiene una importancia especial en relación a los problemas alcalinos y son muy importantes los métodos para determinar su contenido en los suelos, las plantas y las aguas.
2.1.14.2 Formas de potasio en el suelo
A pesar de que la mayoría de los suelos contienen miles de kilogramos
de K a menudo más de 20,000 kg / ha, solo una pequeña cantidad está disponible para la planta durante el ciclo de crecimiento, probablemente menos del 2% (Plaster, 2000). El K está presente en el suelo en tres formas K no disponible, lentamente disponible y disponible, como se ilustra en la fig. 2.1.14.2.1 en la dinámica entre las diferentes formas de K en el suelo:
Potasio no disponible — Es retenido fuertemente en la estructura de los minerales primarios del suelo (rocas). Este K es liberado a medida que los minerales se meteorizan o descomponen por acción de los agentes ambientales como temperatura y humedad, pero esta liberación es tan lenta que el K no está disponible para las plantas en un ciclo de crecimiento en particular. El proceso de meteorización es tan lento que toma cientos de años para acumular cantidades significativas de K disponible en el suelo. Generalmente, los suelos de regiones cálidas y húmedas son más meteorizados que aquellos de climas fríos y áridos. Los suelos menos meteorizados son más ricos en K que aquellos que han soportado la prolongada acción de altas temperaturas y humedad.
Potasio lentamente disponible — Es aquel que queda atrapado o fijado entre las capas de cierto tipo de arcillas del suelo. Estas arcillas se contraen o se expanden cuando el suelo está seco o húmedo. La contracción y expansión de las capas de las arcillas atrapa los iones K haciéndolos no disponibles o lentamente disponibles. Los suelos viejos muy meteorizados no contienen cantidades significativas de estas arcillas. Los suelos arenosos contienen reservas más pequeñas de K lentamente disponible en comparación con aquellos suelos que contienen mayores cantidades de arcilla.
Potasio disponible — Es aquel que se encuentra en la solución del suelo y el K que está retenido en forma intercambiable por la materia orgánica y las arcillas del suelo.
116
Figura 2.1.14.2.1. Dinámica entre las diferentes formas de K en el suelo. 2.1.14.2.2 Movimiento del potasio en el suelo
Es vital mantener niveles adecuados de K en el suelo porque este nutriente no tiene mucha movilidad, excepto en suelos arenosos o en suelos orgánicos. A diferencia del N y algunos otros nutrientes, el K tiende a mantenerse en el sitio donde se coloca cuando se fertiliza. Cuando el K se mueve, lo hace por medio del proceso denominado difusión, en desplazamientos lentos y de corto recorrido por las películas de agua que rodean las partículas del suelo. Las condiciones secas hacen que este movimiento sea más lento, pero niveles altos de K en el suelo lo aceleran. La figura 2.1.14.2.2.1 ilustra la forma como el K se mueve en el suelo.
Figura 2.1.14.2.1. Proceso de difusión en el suelo. En general, las raíces de la planta hacen contacto con menos del 3% del suelo en el cual crecen. Por esta razón, el suelo debe estar bien abastecido de K para asegurar que las necesidades de la planta sean atendidas continuamente durante todo el ciclo de crecimiento, hasta el momento de la cosecha. La masa
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total de las raíces del maíz, por ejemplo, ocupa menos del l% del volumen del suelo. Esto significa que las raíces del maíz entran en contacto con menos del 1 % de los nutrientes disponibles en el suelo (USDA, 1996). 2.1.14.3 Funciones del potasio
Es esencial para la síntesis de proteínas.
Es importante en la descomposición de carbohidratos, un proceso que provee de energía a la planta para su crecimiento.
Ayuda a controlar el balance iónico.
Es importante en la translocación de metales pesados como el hierro (Fe).
Ayuda a la planta a resistir los ataques de enfermedades.
Es importante en la formación de fruta.
Mejora la resistencia de la planta a las heladas.
Está involucrado en la activación de más de 60 sistemas enzimáticos que regulan las principales reacciones metabólicas de la planta.
2.1.14.4 Causas de las carencias minerales
La carencia de minerales se produce por tres razones principales:
Hay poca cantidad en el suelo de ese o esos elementos (suelo pobre).
El pH del suelo es alto o bajo y mantiene al elemento insoluble.
Otros elementos antagonistas lo bloquean.
Porque el suelo es pobre Simplemente el suelo contiene poca cantidad del elemento en cuestión y por eso se produce la carencia.
En todos los suelos siempre hay algo, pero a veces es demasiado poco para lo que necesita la planta.
pH del suelo alto o bajo que mantiene insolubles a los elementos minerales. Esto significa que el elemento (Fe, P, Mn, etc.) está en el suelo en cantidad suficiente, pero no está disuelto en agua. En la solubilidad de los nutrientes influye decisivamente el pH.
Antagonismos.Puede haber un determinado elemento en el suelo, pero existen otros elementos que lo bloquean por un efecto químico. Los casos más importantes de antagonismos son: Un exceso de Potasio en el suelo reduce la disponibilidad de Magnesio. Puede haber mucho
118
Magnesio en el suelo, pero si el Potasio es superabundante, la planta no dispondrá de Magnesio. Un exceso de Sodio (Na) produce deficiencia de Calcio y Magnesio, lo que se traduce en cultivos arbóreos en fuertes defoliaciones.
2.1.14.5 Sintomas de deficiencia de potasio
Los síntomas de deficiencia de K aparecen en muchas formas. Uno de
los síntomas más comunes de carencia de K es el marchitamiento o quemado de los márgenes de las hojas. En la mayoría de los cultivos el quemado aparece primero en las hojas viejas, especialmente en gramíneas. En algunos cultivos y en ciertas condiciones, los signos de deficiencia se presentan primero en las hojas nuevas por ejemplo, en algodón de alto rendimiento en la mitad o la última parte del ciclo de crecimiento (Morales, 2005).
Las plantas con deficiencia de K crecen lentamente, tienen un sistema radicular mal desarrollado, los tallos son débiles y el acame es común. Las semillas y los frutos son pequeños y deformes y las plantas tienen una baja resistencia a las enfermedades.
2.1.14.6 Determinación de nutrientes disponibles
El cambio y el curso de las condiciones ambientales determinan el desarrollo vegetativo de los cultivos y su productividad. Además de las diferencias climáticas, se incluye especialmente el suministro potencial de nutrientes de los suelos cultivados.
Si los suelos son incapaces de suministrar uno o más de los nutrientes necesarios, los cultivos no podrán beneficiarse al máximo del efecto favorable de una temperatura y precipitación adecuadas.
Por lo tanto, es importante que el productor conozca:
Las necesidades de nutrientes de los cultivos.
Las cantidades de nutrientes disponibles en sus suelos.
La forma de establecer y mantener las condiciones optimas del suministro de nutrientes.
La carencia de uno o más de los nutrientes requeridos por la planta para su desarrollo normal, se manifiesta a través de la aparición de síntomas
119
específicos en los cultivos. La naturaleza y magnitud de la disponibilidad o deficiencia de los nutrientes puede determinarse por medio de los análisis de suelos y de los tejidos vegetales (Graetz, 1990).
2.1.14.7 IMPORTANCIA DEL SODIO Y POTASIO EXTRAÍBLES EN LA INGENIERÍA AMBIENTAL
Todos los nutrientes esenciales requeridos para la producción de alimentos y fibras están relacionados con la calidad de nuestro ambiente. Colectivamente ellos mejoran el potencial productivo y la integridad ambiental del suelo cuando se usan en cantidades adecuadas y en forma balanceada.
El K es un nutriente esencial de la planta. Es uno de los tres nutrientes principales junto con el N y P. Los cultivos contienen aproximadamente la misma cantidad de K que de N, pero más K que P. En muchos cultivos de alto rendimiento, el contenido de K excede al contenido de N.
El K es absorbido (del suelo) por las plantas en forma iónica (K+). A diferencia del N y el P, el K no forma compuestos orgánicos en la planta. Su función principal está relacionada fundamentalmente con muchos y variados procesos metabólicos.
2.1.15 Intercambio Catiónico
2.1.15.1 Antecedentes
Algunos componentes del suelo, fundamentalmente los compuestos húmicos y las arcillas de diámetro inferior a 0,2 μm, manifiestan propiedades coloidales: floculación, adsorción e intercambio iónico.
Estos efectos se producen por la presencia de cargas eléctricas, normalmente negativas, en la superficie de las arcillas y del húmus. La presencia de cargas negativas ocasiona que las partículas de suelo rodeen los cationes formando una fase adsorbida donde la concentración de cationes es muy superior a la de la disolución del suelo.
Los cationes adsorbidos pueden intercambiarse con los de la disolución del suelo Cualquier cambio en la composición de la disolución del suelo: adición de fertilizantes, extracción de nutrientes por las raíces de las plantas …. Etc., produce también un cambio en la composición de la fase absorbida. Por ejemplo, en un suelo en el que existan iones K+ adsorbidos, la adición de otro catión a la disolución del suelo superficial del K adsorbido.
El espesor de la fase adsorbida (teoría de Gouy - Chapman) viene determinado entre otros factores por la carga de los cationes adsorbidos siendo
120
mucho más pequeña para los cationes de alta carga. En medio acuoso se producen fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas coloidales, predominando las fuerzas atractivas cuando el espesor de la fase adsorbida es pequeño. En estas condiciones se produce la agrupación de varias partículas, proceso que se denomina floculación y es uno de los factores determinantes en la formación de la estructura del suelo. (Llorca et al p 79, 2004)
La arcilla y coloides orgánicos exponen de 40 a 800 m2 de área superficial por gramo y por consiguiente son las porciones más activas del suelo tanto física como químicamente. Las propiedades del suelo tales como adherencia, plasticidad, hinchamiento, absorción de agua y carga eléctrica están estrechamente relacionadas con el área superficial y estructura de la arcilla.
Las arcillas que presentan una superficie específica grande son por lo general de mayor carga eléctrica y de mayor capacidad de intercambio de cationes. (Ortiz et al, p 142, 1984) 2.1.15.2 Introducción
La acidez o alcalinidad de un suelo depende mucho del equilibrio entre micelas cargadas negativamente y cargas positivas, sobre todo Ca++, Mg++, K+ y Na+, estos cationes suelen llamarse bases porque, generalmente existen suficientes iones OH – para alcalinizar el sistema cuando las cargas positivas de aquellos exceden en número a las cargas negativas de las micelas.
El suelo es ácido cuando existe la situación inversa y muchas cargas negativas de las micelas se hallan equilibradas por iones H+ y Al +++.
La cantidad de cada catión básico presente en el suelo se distribuye en tres partes: Elementos estructurales de minerales, cationes en solución y cationes intercambiables, adsorbidos en micelas y utilizables a través del proceso de intercambio catiónico. (Thompson, L. M., 1980)
2.1.15.3 Conceptos básicos.
2.1.15.3.1 Intercambio catiónico:
Es la capacidad del suelo de mantener y cambiar cationes y se mide en mili-equivalentes por 100 gramos de suelo y aumenta con el contenido de arcilla y de materia orgánica. En terrenos ácidos, la capacidad de intercambio catiónico está parcialmente saturada de iones de hidrógeno y aluminio, en suelos neutros y alcalinos, principalmente de bases como calcio, potasio y magnesio. No sólo tienen importancia los iones, sino también las relaciones de los iones entre sí. Las cargas responsables de la capacidad de intercambio
121
catiónico se originan por:
a) Sustitución isomórfica
b) Cargas de la arista arcillosa.
c) Cargas dependientes del pH (grupos funcionales de la materia orgánica),
(Cepeda, p 77, 2007). (Ortiz et al, p 144, 1984) (Porta, et al, p 235, 2003) (Gómez, et al, p 59, 2001) (Hausenbuiller, et al, pp 165 - 177, 1980).
Se entiende por intercambio catiónico a los procesos reversibles por los cuales las partículas sólidas del suelo adsorben iones de la fase acuosa, y des-adsorben iones al mismo tiempo cantidades equivalentes de otros cationes estableciendo un equilibrio entre ambas fases. Estos fenómenos se deben a las propiedades especificas del complejo coloidal, cuyas partículas tienen cargas electrostáticas y gran superficie de intercambio. La materia orgánica, las arcillas y los hidróxidos funcionan como transformadores. (Gómez, et al, p 59, 2001)
Los cationes contenidos en estructuras minerales devienen disponibles gracias a los procesos de meteorización. Sin embargo la tasa de liberación varía para los distintos cationes y tipos de minerales.
Generalmente los minerales que contienen calcio se meteorizan con mayor rapidez que el promedio.
Una vez liberados los cationes pasan a los sitios de intercambio catiónico, ya sea a la solución, pudiendo ser utilizados por las plantas y los microorganismos.
Cualquier exceso emigra a la base del solum, si se trata de una región árida o percola hasta el agua de drenaje, en suelos de regiones húmedas. La mayoría de los materiales disueltos en los ríos provienen del lavado de los suelos y las cantidades son tan grandes, que en regiones húmedas, pueden superar el peso del limo y demás sólidos arrastrados al océano. Los iones dominantes en el agua de los afluentes son el Ca++ y el CO3
=
La meteorización en regiones áridas es más lenta que en las regiones húmedas y la cantidad de material que alcanza la solución del suelo es menor. Así mismo en las zonas áridas la solución es más concentrada, porque el contenido hídrico del suelo se reduce más que su contenido en sales. Además en regiones áridas los materiales disueltos son arrastrados hacia la parte baja del perfil, pero no abandonan el suelo
122
Si no que se almacenan en la base del horizonte B formando sales de Ca++, Mg++, Na+, K+ y otros cationes combinados con CO3
=, SO4= y demás
aniones.
Parte de estas sales emigran de nuevo por capilaridad hacia la parte superior del perfil, cuando los horizontes superficiales se encuentran más secos que los profundos.
Las sales más solubles, como las de Na+, son las que ascienden en mayor cantidad.
2.1.15.4 Adsorción preferente.
La proporción relativa de los cationes adsorbidos en los sitios de
intercambio del coloide del suelo depende tanto del suministro disponible de
cada catión, como de la intensidad del lavado y de la fuerza con que es
adsorbido cada catión.
El suministro disponible de cada catión consiste, primero en los iones que
han sido retenidos, además de los iones que han circulado a través de las
plantas, animales y microorganismos hasta volver al suelo más el suministro nuevo de que proviene de la meteorización de los minerales o de fuentes exteriores como los fertilizantes. Los nuevos suministros son muy importantes para compensar la lenta eliminación de los nutrientes por lavado o esquilmo de las cosechas.
El proceso de lavado elimina rápidamente el exceso de sales solubles, las cuales no han sido atraídas por los coloides del suelo.
Cuando la mayoría de los iones presentes son adsorbidos por los coloides, el lavado de aquellos tiene lugar más lentamente, ya que para extraerlos debe realizarse un intercambio de iones. Los procesos de lavado acidifican el suelo debido a que los cationes básicos se intercambian por iones H+.
El suministro de éstos últimos proviene del CO2 que se disuelve en el agua y que, a su vez, debe su origen a los procesos biológicos y a los productos de descomposición de materiales orgánicos.
Otros factores de eliminación de cationes comprenden la extracción de cosechas y la volatilización. Aquella puede ser muy importante y con frecuencia conduce a la necesidad de fertilizar suelos, que en un principio, producían buenas cosechas sin abonos.
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La volatilización es cuantitativamente más importante en suelos húmedos. En éstas condiciones, algunos microorganismos anaerobios forman materiales volátiles, sobre todo nitrógeno gaseoso, óxidos de nitrógeno parcialmente reducidos, sulfuro de hidrógeno y metano.. Estos gases, a veces, escapan a la atmósfera.
La magnitud de la fuerza de atracción entre un catión y una micela depende de la carga del catión, de la densidad de carga sobre la micela y de cuán cerca puede aproximarse a la micela.
Las cargas son únicas para los iones H+, Na+, K+ y NH4+, dobles para
Ca++ y Mg++ y triples para Al+++.
La aproximación del catión se halla limitada por el agua de hidratación que lleva consigo.
Cuanto mayor es la carga y menor es el tamaño del ión deshidratado, mayores son sus dimensiones en estado de hidratación. Es difícil determinar el tamaño exacto del ión hidratado, pero puede establecerse una secuencia de mayor a menor, Al+++>Mg++> Ca++> Na+ > K+ = NH4
+.
La secuencia de fuerzas de atracción relativas, que refleja, a la vez, el número de cargas y el tamaño en estado hidratado es Al+++> Ca++>Mg++ > K+ = NH4
+.> Na+. Esta serie liotrópica , puede ser considerada como una secuencia de adsorción preferente .Si dos iones, uno situado al principio de la serie y otro al final, se hallan presentes en igual cantidad, los sitios de intercambio adsorben mayor número del primero que del segundo. No obstante, la adsorción preferente puede ser vencida por acción de masa cuando un ión se encuentre mucho mas concentrado que los restantes en la solución del suelo.
2.1.15.4 Proporciones más frecuentes de cationes.
El pH del suelo está muy relacionado con las cantidades relativas de cationes ácidos, H+ Y Al+++, y bases de los sitios de intercambio El pH sube cuando aumentan las concentraciones de bases y baja cuando se incrementan los ácidos. También ocurren variaciones en el interior de los dos grupos. El ión Al+++ es mucho menos frecuente que el H+ a valores de pH superiores a 5, pero deviene dominante en suelos extremadamente ácidos. Aparentemente cuando el pH desciende por debajo de 5, el aluminio se libera de la estructura cristalina de los minerales de la arcilla, se traslada a los sitios de intercambio, pasando también a la solución del suelo y, en ocasiones, causa daños a las plantas. De modo que la toxicidad del aluminio puede evitarse manteniendo el pH del suelo en niveles de 5 a 6.
Las bases dominantes en los sitios de intercambio catiónico son el calcio y el magnesio. Esto debido a que el calcio meteorizable abunda y se libera con
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relativa rapidez. Además de que el calcio es adsorbido por las micelas de arcilla y humus con mayor fuerza que los demás cationes básicos.
Excluyendo los cationes ácidos, los cationes de calcio, magnesio, potasio y sodio constituyen el 99% de las bases cambiables del suelo.
2.1.15.5 El pH del suelo.
Los procesos de lavado eliminan bases del suelo y por lo tanto, con el tiempo, tienden a provocar un descenso del pH. Este proceso de descenso gradual es importante en los suelos jóvenes y pierde influencia en los seniles, en donde los procesos meteorizantes han eliminado ya la mayor parte de las arcillas.
Los fertilizantes que contienen azufre o nitrógeno acidifican el suelo produciendo efectos apreciables en pocos años. La aplicación de cal permite aumentar el pH cuando este es demasiado bajo y por el contrario, en suelos básicos, puede conseguirse un descenso del pH mediante la aplicación de yeso.
En casi todos los suelos es posible lograr un descenso de pH mediante la aplicación de azufre, que una vez oxidado por los microorganismos, forma ácido sulfúrico.
La vegetación tiene influencia sobre los niveles de pH, puesto que aporta materia orgánica, además de influir en el proceso del lavado. La materia orgánica degradable da lugar a la formación de ácidos orgánicos que aumentan la capacidad de intercambio de cationes, pero que disminuyen el porcentaje de saturación de bases y, por lo tanto, el pH.
Los procesos de lavado se aceleran en condiciones ácidas porque la meteorización que predomina en ellas libera más cationes y son menos retenidos en los sitios de intercambio. Más aún, las condiciones ácidas suelen presentarse en regiones húmedas, donde el lavado puede ser intenso. Sin embargo, la vegetación contrarresta dicho proceso.
2.1.15.6 Saturación de bases y el pH del suelo.
La adición de ácidos o de materiales que los originen, hace descender el pH del suelo, mientras que la adición de bases produce el efecto contrario. Sin embargo, la variación de pH suele ser relativamente pequeña en comparación con la cantidad de ácido o base administrada, ya que la mayoría de los suelos se hallan bien tamponados.
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La capacidad de intercambio catiónico es el principal mecanismo tapón de que dispone el suelo. Generalmente, los cationes cambiables son en parte básicos como el Ca++, K + y el Mg++ y en parte ácidos como el H+ y Al+++. Si bien éstas propiedades solo pueden manifestarse cuando los cationes se hallan disueltos. Para la mayoría de los suelos, el número de cationes adsorbidos sobre las micelas (inactivos) supera en mas de 100 veces al número de cationes en solución verdadera ( Activos ). Al medir el pH sólo se tiene en cuenta la porción activa de los iones H+, aunque existe un intercambio continuo ó equilibrio entre los iones cambiables adsorbidos y los que se encuentren disueltos.
Cuando se añade ácido a un suelo, sólo una fracción de los iones H+ aplicados permanecen en solución, los restantes se intercambian con bases adsorbidas en micelas y ocupan su lugar.
Cuando se añade una base al suelo ocurre la reacción inversa: los iones H+ de las micelas son sustituidos por los cationes de la base y pasan a la solución, donde reaccionan con iones OH- para formar agua.
Gracias a estos procesos, cuando se aplica al suelo un ácido o una base, el pH varía sólo ligeramente y, simultáneamente, tiene lugar una variación en el porcentaje de sitios de intercambio ocupados por H+ respecto a los ocupados por las bases.
El porcentaje de sitios de intercambio catiónico ocupados por bases recibe el nombre de porcentaje de saturación de bases.(Thompson, 1980).
En general, cuanto más arcilla hay en el suelo, tanto más elevada es la capacidad de intercambio de cationes. La proporción de los distintos cationes unidos al complejo de intercambio varía con las condiciones bajo las cuales se ha formado el suelo. Estas proporciones pueden modificarse encalando y tratando al suelo con fertilizantes.
Por lo común en condiciones neutras (o casi neutras) de climas moderados, el calcio constituye cerca del 80 %, o más de las bases solubles. La arcilla donde el calcio predomina asegura una buena aireación y un buen drenaje, reduciendo al mínimo los efectos desfavorables de un contenido elevado de arcilla.(Cepeda, p 94-95, 2007)
El calcio promueve la descomposición de la materia orgánica y la liberación de nutrientes. A la vez, mejora la estructura del suelo y la retención del agua. Sin embargo, un exceso una deficiencia de potasio, fosfato, magnesio, zinc y hierro. (SEP/ TRILLAS, p 29, 2002)
126
2.1.15.7 iones intercambiables.
Son aquellos que pueden ser intercambiados en un período limitado por otros iones, a partir de las soluciones de concentración y pH estandarizados como el acetato de amonio a pH 7, ó acetato de sodio a pH 8.2, etc.
Iones que neutralizan la carga negativa de las partículas del suelo y que se encuentran en equilibrio con otros en la solución.
2.1.15.8 iones no intercambiables.
Son aquellos que se encuentran encerrados en minerales en sitios pocos accesibles o químicamente ligados en compuestos orgánicos y que no pueden ser liberados fácilmente con agentes de intercambio convencionales en un período limitado.
Las partículas de suelo tienen un carácter anfótero en distinto grado, es decir, alguna más que otras, pueden comportarse como ácidos o como bases y son capaces de retener tanto cationes como aniones dependiendo de la condición del medio.
A pH ácidos pueden existir cargas negativas y positivas, y el pH al cual se igualan se denomina punto de carga cero (ZPC) o punto isoeléctrico, donde la carga neta total es cero.
A pH básicos, existen las cargas permanentes debidas a las sustituciones isomórficas y las cargas variables debidas a la materia orgánica y otros componentes.
2.1.15.9 Capacidad de intercambio catiónico.
En suelos, los sitios de carga negativa son mucho más numerosos, por lo tanto la capacidad de intercambio de cationes es de mayor relevancia que la capacidad de intercambio de aniones. (Hausenbuiller, et al, pp 165, 1980).
La capacidad de intercambio catiónico (CIC) de una de las muestras de suelo o de algunos de sus componentes se expresa:
- El número de moles de iones carga positivos adsorbidos que pueden ser intercambiados por unidad de masa seca, bajo unas condiciones dadas de temperatura, presión, composición de la fase líquida y una relación de masa solución dada.
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- Un mol de carga positiva equivale a 6.02 x 1023 cargas de cationes adsorbidos.
En unidades SI la CIC se expresa en centimoles de carga positiva por kilogramo, cmol (+) Kg -1 o bien en cmol, kg-1. Con anterioridad se venia utilizando como unidad el meq / 100 g, cuyo uso se halla muy extendido. El valor se numéricoes el mismo en ambas unidades. ( Porta et al , p 235,2003)
A manera de resumen se puede decir que:
La capacidad de intercambio catiónico (CIC) es una propiedad ligada en la fracción mineral a la arcilla y al limo y a la fracción coloidal de la materia orgánica.
Se refiere al proceso reversible de intercambio de cationes y aniones entre las fases sólidas y líquidas del suelo, y entre fases sólidas en estrecho contacto.
Los minerales y las partículas orgánicas con alta superficie específica pueden absorber sobre sus superficies moléculas e iones.
La adsorción indica la retención de una especie iónica en la superficie de un sólido causada por intercambio iónico u otras reacciones.
La desorción es el proceso opuesto en el cual se liberan los iones adsorbidos.
Los coloides orgánicos e inorgánicos contribuyen a la CIC total del suelo.
La CIC corresponde al total de posiciones de cambio (cargas negativas) o cantidad total de cationes adsorbidos.
La adsorción de iones es de gran significado para la reacción del suelo pH, suministro de nutrientes, estructura, procesos de formación del suelo.
El intercambio entre iones se realiza en cantidades equivalentes según el número de cargas. La magnitud de la CIC depende del tipo de coloide: arcillas y humus y del porcentaje de cada uno de ellos presentes en el suelo. La CIC depende del pH del suelo, por su efecto en generar cargas negativas. La CIC se expresa en centimoles por Kg, Un centimol positivo es igual a 1 miliequivalente que se define como 1 mg de H o la cantidad de cualquier otro ión capaz de combinarse con él o desplazarlo.
Los cationes intercambiables más importantes son: Ca++, Mg++, K+, Na+ con Al3+ y H+. Menos abundantes son NH4
+ y Fe+. El H+ y el Al3+ causan acidez del suelo, en cambio Ca++, Mg++, K+ y Na+ son básicos y se conocen como las
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bases del cambio. La naturaleza de los cationes adsorbidos dependerá de la disponibilidad de iones en la solución del suelo, asociados principalmente al clima y al drenaje. (Honorato, p 146, 2000.)
2.1.15.10 Mecanismo de intercambio de cationes
Tanto en suelos ácidos como calcáreos el Ca+++ es usualmente el catión intercambiable predominante. Los suelos ácidos resultan de la acumulación de K+ intercambiable en el suelo. Los cationes en la solución del suelo reemplazan a los cationes adsorbidos en el proceso denominado intercambio de cationes. En este intercambio es rápido y reversible y las condiciones de equilibrio existen los cationes solubles e intercambiables. (Ortiz et al, p 144, 1984)
El intercambio se produce entre una superficie sólida, coloide, y líquida, solución del suelo, y eventualmente entre dos superficies sólidas, coloide-raíz. Los cationes están sometidos a la atracción del campo eléctrico creado por la superficie cargada en cuya cercanía hay una mayor concentración iónica y que tienden a difundir hacia la solución al existir un gradiente de concentración en la superficie cargada negativamente y los atraídos eléctricamente, forman una doble capa difusa. Donde el mecanismo es reversible, llegando siempre a un equilibrio, aunque los cationes polivalentes pueden ser más difíciles de intercambiar al formar enlaces covalentes fuertes. Así se puede observar en la figura 2.1.15.11. Las reacciones de intercambio son estequiométricas, el intercambio se produce en cantidades químicamente equivalentes. Con las reacciones de intercambio son rápidas en el laboratorio y en el terreno pueden verse frenadas por la tasa de difusión del ión desde y hacia la superficie del coloide.Hay un efecto de acción de masas, de modo que la dirección de la reacción depende de las concentraciones relativas.(Honorato, p 147, 2000.)
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Figura 2.1.15.10.1 Esquema en donde se muestra el mecanismo del intercambio catiónico. 2.1.15.11 Importancia de la capacidad de intercambio catiónico de los suelos en la ingeniería ambiental.
La capacidad de intercambio catiónico es el principal mecanismo amortiguador del suelo.
Por eso la variación de pH es relativamente pequeña en proporción a la cantidad de ácido o base suministrada.
De acuerdo a la CIC un suelo puede amortiguar las consecuencias que se pueden esperar por efecto de un contaminante.
El intercambio catiónico es una de las propiedades más importantes del suelo y tiene como influencia sobre muchas de sus características.
Los cationes cambiables influyen en la estructura, actividad biológica, régimen hídrico y gaseoso, reacción, procesos genéticos y formación de suelo.
Los cationes aplicados en forma de fertilizantes presentan interacciones con los cationes cambiables del suelo; generalmente son adsorbidos, quedando protegidos del lavado, pero aun disponibles para la planta.
2.1.16 pH y evaluación de la salinidad del suelo
2.1.16.1 Introducción
Para caracterizar un suelo, dos son las propiedades químicas de importancia primordial:
El intercambio iónico
El pH
Estas propiedades son básicamente el resultado de las interacciones de la fracción mineral y en menor proporción de la materia orgánica.
Se le denomina pH al logaritmo negativo de la actividad de iones hidrógeno en solución.
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pH = - log [H+]
El término pH define la relativa condición básica o ácida de una sustancia. La escala del pH cubre un rango de 0 a 14. Un valor de pH de 7.0 es neutro. Los valores por debajo de 7.0 son ácidos. Aquellos que están sobre 7.0 son básicos (UACH, 2002).
El estado de acidez del suelo se conoce como reacción del suelo y pueden ser ácidos, neutros y alcalinos. La reacción del suelo describe la acidez o alcalinidad de un suelo. Los usuarios del mismo se preocupan de su reacción porque afecta mucho al crecimiento de la planta. La reacción se mide con ayuda de la escala de pH (Plaster, 2000).
La mayoría de los suelos productivos fluctúan entre un pH de 3.5- 4.0 a 9.0-10.5 (UACH, 2002). Un ácido es una sustancia que libere iones hidrógeno (H+). Cuando un suelo se satura con H+ actúa como un ácido débil. Mientras mayor sea el H+ retenido por el complejo de intercambio, mayor será la acidez del suelo. El aluminio (Al) también actúa como un agente acidificante y activa el H+. Los grados relativos de acidez y basicidad se presentan en la figura 2.1.16.1.
Figura 2.1.16.1. Grados de acidez y basicidad encontrados en la mayoría de los suelos agrícolas Los principales factores que determinan la intensidad de acidez de éste son la lluvia, la irrigación, el drenaje, las partículas minerales, el tiempo de explotación y la fertilización (SEP, 1990).
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Las lecturas entre 0 y 7.0 se dice que son ácidas. Un pH de 1.0 es extremadamente ácido y un pH de 6.0 es ligeramente ácido. Las lecturas oscilantes entre 7 y 14 son alcalinas o básicas. Cuando mayor es el número, más fuerte es la base. El punto medio de la graduación de pH 7.0 es el punto neutro que no es ácido ni base. El agua pura, que tiene un pH neutro, puede ser nuestro modelo para la explicación del pH. Algunas moléculas de agua se rompen para formar un catión y un anión como en la siguiente reacción: H2O H + + OH- Agua ión de Hidrogeno ión de hidroxilo El catión en la reacción es el ión de hidrógeno H+. Hace una solución ácida. El anión es el ión hidroxilo OH-. Hace una solución básica. En el agua pura, el número de iones de hidrógeno es igual al número de iones de hidroxilos, para mantener el equilibrio. Sin embargo, las sustancias disueltas en el agua pueden cambiar el equilibrio haciendo que un ión sea más numeroso que otro. Por ejemplo el agua pura se expone al aire, el dióxido de carbono de la atmósfera se disuelve en el agua para formar el ácido carbónico, este rápidamente se descompone para liberar iones de hidrogeno: CO2 + H2O H2 CO3 HCO3
- + H+ Ahora hay un exceso de iones de hidrógeno, por lo que esta solución diluida es ácida. El agua en equilibrio con el aire tiene un pH cercano al 5.6. De hecho, la lluvia es ligeramente ácida aún sin contaminación del aire que incluso produce ―lluvia ácida‖ con un pH más bajo. La escala de pH es una graduación especial que expresa la concentración de iones de hidrógeno. Cuando menor es el número de la escala del pH, más fuerte es la acidez. Cada punto del pH multiplica la acidez por un factor de 10. Un pH de 5 es 10 veces más acido que un pH de 6 y 100 veces más ácido que un pH de 7. El pH de la solución del suelo afecta profundamente a la solubilidad de los diferentes iones presentes, de este modo varía la asimilabilidad de los mismos por las plantas ya que estas solo pueden absorberlos en solución. La figura 2.16.1.2 muestra como los rangos de pH influyen en la disponibilidad de nutrientes para la planta y en solubilidad de otros elementos en el suelo. En otros casos el pH afecta a la actividad microbiana necesaria para provocar la transformación de ciertos elementos, que se liberan en formas no asimilables y han de sufrir una transformación química que permita su fácil absorción (UE, 2005).
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Figura 2.1.16.2. Rangos de pH en la disponibilidad de nutrientes para la planta y en solubilidad de otros elementos en el suelo.
2.1.16.3 Salinidad del suelo
La acidez es un problema para los agricultores, porque la percolación lixivia el calcio, el magnesio y el sodio del suelo. Los agricultores de zonas áridas a menudo tienen un problema diferente, aunque relacionado: una acumulación de sales solubles de estas mismas bases. Una sal es una sustancia química que resulta de la reacción de un ácido con una base, como la reacción del ácido clorhídrico con hidróxido de sodio para formar la sal de mesa común:
HCl + NaOH → H2O + NaCl
Una sal soluble se define como una sal que es tan soluble o más en agua que el yeso (CaSO4). Por sus propias características se encuentran tanto en la fase sólida como en la fase líquida, por lo que tienen una extraordinaria movilidad. Las sales solubles de mayor interés para los suelos son los sulfatos (SO4=), los bicarbonatos (HCO3-) y los cloruros (Cl-) de bases de calcio, magnesio y sodio. Estas sales pueden provenir de los materiales originales, del riego con agua salada o incluso de sales congeladas.
La salinización natural del suelo es un fenómeno asociado a condiciones climáticas de aridez y a la presencia de materiales originales ricos en sales, como sucede con ciertas margas y molasas. No obstante, existe una salinidad adquirida por el riego prolongado con aguas de elevado contenido salino, en suelos de baja permeabilidad y bajo climas secos subhúmedos o más secos (UE, 2005).
Los científicos del suelo definen tres tipos de problemas del suelo basados en los tipos de sales solubles: salino, sódicos y salino-sódico. La tabla 2.1.16.3.1 resume estos tres.
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Tabla 2.1.16.3.1. Características de un suelo salado
Clases de suelo salado
Conductividad
m mhos/cm
% sodio intercambiable
Proporción de adsorción
de sodio
pH del suelo
Estructura del suelo
Salino > 4.0 < 15 < 13 < 8.5 Normal
Sódico < 4.0 > 15 > 13 > 8.5 Pobre
Salino-sódico
> 4.0 > 15 < 13 < 8.5 Normal
2.1.16.4 Suelos salinos
Los suelos salinos tienen niveles altos de sales solubles. La salinidad del suelo puede medirse fácilmente pasando una corriente eléctrica a través de una solución extraída de una muestra de suelo. Cuando mayor es el contenido en sal más electricidad pasara. La cantidad de flujo eléctrico se llama conductividad eléctrica y se mide por la unidad de milimhos por centímetro (mmhos/cm). Esta unidad de medida esta actualmente reemplazada por el siemens por metro, que equivale a 10 mmhos/cm.
El efecto principal de la salinidad es hacerle más difícil a las plantas la adsorción del agua del suelo (Plaster, 2000).
2.1.1.6.5 Desarrollo del pH del suelo
El suelo no alcanza los extremos de pH, el suelo más ácido tiene un pH aproximadamente de 3.5, y el más básico un pH de 10.5. Estos son los valores extremos (Plaster, 2000).
El pH del suelo resulta de la interacción de los minerales del mismo y el intercambio de catión. Diferentes reacciones rigen en diferentes rangos de pH. En las condiciones más simples, el pH esta producido por la reacción del agua y de las bases de calcio, magnesio y sodio para formar iones de hidroxilo. Un pH bajo es producido por la percolación del agua medianamente ácida, que resulta en un reemplazo de bases intercambiables por iones de hidrógeno.
Suelos alcalinos:
CaCO3 + 2H2O → Ca2+ + H2CO3 + 2OH- (pH 8-8.5) Suelos calcáreos.
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Se pueden probar con ácido clorhídrico diluido: harán burbujas debido al dióxido de carbono
Na2CO3 + 2H2O → 2Na+ + H2CO3 +2OH- Suelos sódicos. Suelos resultado de meteorización de materiales madre calcáreos. (Na > 15% → NaOH)
2.1.16.6 Causa de acidez
El pH de la mayoría de los suelos está controlado por la percolación (o por falta de percolación) de agua ácida, Esta percolación lixivia fuera bases y las reemplaza en los sitios de intercambio con iones de hidrógeno y calcio.
2.1.16.7 Factores que afectan el pH
En el pH del suelo tienen influencia varios factores, entre los que se incluyen:
Material de origen. Los suelos que se desarrollaron de un material parental proveniente de rocas básicas generalmente tienen un pH más alto que aquellos formados de rocas ácidas (granito).
Profundidad del suelo. Excepto en áreas de baja precipitación, la acidez generalmente aumenta con la profundidad. Por esta razón, la pérdida de la capa superior del suelo por erosión puede llevar a la superficie suelo de pH más ácido. Sin embargo, existen áreas donde el pH del subsuelo es más alto que el pH de la capa superior.
Precipitación. A medida que el agua de las lluvias se percola en el suelo, se produce la salida (lixiviación) de nutrientes básicos como Ca y Mg. Estos son reemplazados por elementos ácidos como Al, H y Mn. Por lo tanto, los suelos formados bajo condiciones de alta precipitación son más ácidos que aquellos formados bajo condiciones áridas.
Descomposición de materia orgánica. Los materiales orgánicos del suelo son descompuestos continuamente por los microorganismos convirtiéndolos en ácidos orgánicos, dióxido de carbono (CO2) y agua, formando finalmente ácido carbónico.
Vegetación natural. Los suelos que se forman bajo bosque tienden a ser más ácidos que aquellos que se desarrollan bajo praderas. Las coníferas crean más acidez que los bosques de hoja caduca.
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Siembra de cultivos. Los suelos a menudo se vuelven más ácidos con la cosecha de los cultivos debido a que éstos remueven bases. El tipo de cultivo determina las cantidades relativas removidas.
Fertilización nitrogenada. El N ya sea proveniente de los fertilizantes, materia orgánica, estiércol o fijación biológica de las leguminosas produce acidez. La fertilización con N acelera el desarrollo de la acidez. A dosis bajas de N, la acidificación es lenta, pero se acelera a medida que las dosis de N se incrementan. En suelos calcáreos el efecto de acidificación puede ser beneficioso. Cuando existen deficiencias de hierro (Fe), Mn u otros micronutrientes, el reducir el pH hace que estos nutrientes sean más disponibles, con excepción del molibdeno (Mo).
Inundación. El efecto global de la inundación del suelo es el incremento del pH en suelos ácidos y una reducción en suelos básicos. Sin tener en cuenta el valor original del pH, la mayoría de los suelos llegan a valores de pH entre 6.5 y 7.2 alrededor de un mes después de haber sido inundados y se mantienen a ese nivel hasta que se secan (UACH, 2002).
2.1.16.8 Evaluación de suelos salinos
El contenido salino del suelo suele medirse de forma indirecta, dado que la presencia de iones en el agua la hace conductora de la electricidad, se utiliza la conductividad del extracto de saturación para estimar el contenido en sales solubles. Se entiende por extracto de saturación la solución extraída del suelo después de saturarlo con agua, buscando ponerlo en un punto cercano a su capacidad de campo, dada que esta es la situación más perdurable con una concentración mínima de sales. Un estado de mayor humedad presentaría una solución más diluida pero de escasa duración temporal; un estado más seco elevaría la concentración pero sería muy variable en el tiempo.
La conductividad eléctrica varía con la movilidad de los iones y por tanto con la temperatura, para obtener valores comparables siempre se mide a una temperatura fija de 25º C (UE, 2005).
La presencia de sales ejerce una doble influencia en el suelo, por un lado la posible toxicidad de algunos iones presentes como el sodio, y de otro lado el incremento en la presión osmótica de la solución que dificulta la absorción de agua por parte de las plantas, de hecho su efecto se suma al potencial matricial; esto hace que los suelos salinos se comporten fisiológicamente como secos con un nivel de humedad apreciable.
La salinidad influye en el crecimiento de todas las plantas por ese efecto de sequía, no obstante existe una diferencia específica entre ellas como se desprende de la tabla 2.12.16.8.1siguiente.
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Tabla 2.1.16.8.1. Contenido salino del suelo.
Conductividad
dS/m
Salinidad Desarrollo de los cultivos
0 - 2 Ninguna Normal para todos.
2 - 4 Escasa Se ven afectados algunos cultivos muy sensibles.
4 - 8 Moderada Se afectan la mayoría de los cultivos. Solo se desarrollan las plantas tolerantes.
8 - 16 Alta Solo pueden desarrollarse las plantas muy tolerantes y con dificultad.
> 16 Excesiva No hay posibilidad de cultivo. Solo se da la vegetación halófila.
A partir de 15 dS/m el suelo se considera salino. Ahora bien, no todas las sales se comportan de la misma manera y mientras la mayoría de las plantas no son sensibles a la elevación del calcio, todas lo son al incremento de sodio (UE, 2005).
Por otra parte la presencia de sodio en la solución del suelo genera una alcalinidad más alta que el calcio, por la mayor fuerza de la sosa como base que la de la cal. Por esta razón es conveniente medir el pH del extracto de saturación a la par que se mide la conductividad eléctrica, pues este parámetro nos sirve como índice de la sodicidad, o contenido en sodio, del suelo.
Cuando la conductividad eléctrica supera el valor de 8 dS/m, la mayor parte de las plantas se ve afectada, pero su grado será máximo si abunda el sodio en la solución, lo que se traduce por un valor del pH superior a 8.5, que es el máximo generado por la presencia de carbonato cálcico. Esto hace que también se considere al suelo como salino cuando se dan las circunstancias apuntadas.
La salinidad no siempre tiene que ir asociada a un pH alcalino, sino que cuando se alcanzan valores muy ácidos se produce la solubilización de sales alumínicas que pueden generar una elevada conductividad con un riesgo añadido, la presencia de aluminio soluble en cantidades suficientes para ser tóxico para la mayoría de las plantas. Por ello cuando el pH baja de 3.5 se
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consideran salinos los suelos con conductividad superior a 8 dS/m, como en el caso de la alcalinidad.
La recuperación de los suelos salinos puede efectuarse por un lavado del mismo por inundación con aguas libres de sales, siempre que exista calcio suficiente en la solución para mantener floculadas las arcillas y permitir una permeabilidad aceptable. No obstante es conveniente la instalación de un sistema de drenaje artificial, mediante la instalación de tubos porosos bajo el suelo o, al menos, bajo la zona de enraizamiento de las plantas, como puede apreciarse en la figura 2.1.16.8.1.
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Figura 2.1.16.8.1. Sistema de drenaje. Para asegurarse de la eliminación de las aguas cargadas de sales se debe instalar una red de evacuación del líquido procedente de los tubos de drenaje, como se aprecia en la figura siguiente. Deben colocarse con la suficiente pendiente para que el agua no permanezca demasiado tiempo en dicha red y sea absorbida por el suelo, como se muestra en la figura 2.1.16.8.2 Figura 2.1.16.8.2 Red de evacuación. Los colectores principales son los encargados de eliminar las sales de la zona que se está recuperando, en ellos se produce una fuerte concentración de las sales por efecto de la evaporación del agua, siempre intensa al tratarse de zonas secas con escasa humedad ambiental. Debe procurarse un flujo rápido hacia el canal principal. Por último las aguas debes ser evacuadas hacia un curso de agua cuyo caudal sea suficiente para diluir las sales aportadas y no transferir el problema a las zonas vecinas (UE, 2005).
2.1.17 La microbiota 2.1.17.1Introducción
Para la microbiología del suelo es esencial considerar la naturaleza del medio ambiente en el que se encuentran los microorganismos (MO).
Las fuerzas que desempeñan alguna función en la dinámica de las poblaciones , así como los efectos de éstas poblaciones sobre su medio ambiente, están determinadas por las características físicas y químicas del suelo.
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El agua, aire y los nutrientes orgánicos e inorgánicos se obtienen del suelo, el cual sirve además como amortiguador de los cambios drásticos que ocurren en la superficie.
El suelo es un medio vasto y dinámico para los habitantes subterráneos, así como un sitio en el cual las sustancias que no están disponibles para las plantas superiores se transforman en otros, que si son aprovechables mediante la actividad de agentes microbianos.
Toda la vida terrestre se basa en el hecho de que la planta verde es capaz de formar azúcares, almidones, proteínas y grasas a partir de agua, CO2 y minerales, en presencia de luz..
Éstas sustancias sirven de alimento a los animales , pero si no hubiese la posterior destrucción de las sustancias vegetales y animales, cantidades de plantas y animales muertos cubrirían el planeta y saturarían los mares, cancelando toda posibilidad de continuar con la vida.
El suelo contiene cinco grupos de MO: bacterias, actinomicetos, hongos, algas y protozoarios. El suelo como ecosistema incluye a éstos grupos microbianos que constituyen la microbiota, así como a los constituyentes orgánicos e inorgánicos de un determinado lugar.
Todos los habitantes de una localidad forman una comunidad.
El conjunto de células o filamentos de las especies que están representadas en la comunidad se consideran poblaciones diferentes.
Los MO pertenecen a la vida más primitiva que se conoce y todo su cuerpo esta formado por una única célula . No tienen boca ni intestinos, y todo lo que ingieren pasa a través de la pared del citoplasma. Excretan enzimas y digieren su alimento fuera de la célula. Sólo cuando las sustancia s fueron digeridas y disueltas, pueden absorberlas a través de la membrana finísima que los separa del medio ambiente.
La mayoría de las bacterias posee una, a lo sumo tres enzimas. Los hongos y actinomicetos pueden poseer más. Por eso las bacterias se ven forzadas a trabajar en equipo. Con cada enzima se consigue catalizar sólo un único proceso bioquímico de descomposición y que consiste en juntar un ión de oxígeno
(oxidación), o sustraer un ión de hidrógeno de la unión de dos moléculas orgánicas. Toda descomposición es una secuencia de oxidaciones y reducciones de una sustancia orgánica hasta conseguir agua y gas carbónico.
Algunas algas, las clorofílicas, y las bacterias fotosintéticas son independientes, captando carbono del aire y su energía de la luz solar.
140
2..1.17.2 Bacterias.
Las bacterias sobresalen en forma especial debido a que hay muchas poblaciones en un determinado suelo y porque son el grupo más abundante, por lo general más numeroso que los otros cuatro juntos.
Las bacterias en el suelo pueden clasificarse en dos grandes grupos: Las nativas ó autóctonas y las invasoras ó exógenas.
Las poblaciones nativas pueden presentarse en estados resistentes y perduran por largos periodos sin tener actividad metabólica, pero en determinado momento, éstas formas nativas proliferan y participan en las funciones bioquímicas de la comunidad.
Las exógenas por el contrario, no participan de manera significativa en las actividades de la comunidad. Entran con precipitación, en tejidos enfermos, estiércol o aguas negras y pueden permanecer un tiempo como formas inactivas e incluso crecer por periodos cortos, pero nunca contribuyen en las transformaciones o interacciones ecológicas.
Entre las poblaciones nativas hay especies bacterianas que se desarrollan considerablemente cuando se agregan nutrientes orgánicos fácilmente degradables.
Estas bacterias necesitan ser provistas de nutrientes para un rápido crecimiento, pero se consumen rápidamente; entonces estas bacterias responden de inmediato a la adición de sustancias y se mantienen en gran número mientras haya nutrientes disponibles, pero disminuyen una vez que se agota su fuente alimenticia.
Las bacterias también se pueden clasificar de una manera toxinómica por el sistema propuesto en el manual de Bergey. En otros esquemas basados en las diferencias fisiológicas, se emplea una variedad de características nutricionales y metabólicas que incluyen la naturaleza de la fuente de energía, los carbohidratos que usan para su crecimiento, etc.
La capacidad de crecimiento en ausencia de oxígeno es una característica bioquímica importante que ha llevado a distinguir tres categorías distintas: aerobios, los cuales requieren oxígeno; anaerobios, que crecen solamente en ausencia de oxígeno, y anaerobios facultativos, los cuales se desarrollan tanto en ausencia como en presencia del gas.
2.1.17.3 INFLUENCIAS AMBIENTALES.
Las condiciones ambientales afectan la densidad y composición de la flora y los factores abióticos pueden alterar significativamente a la comunidad y a su potencial bioquímico.
141
Entre las variables principales del medio ambiente que influyen sobre las bacterias del suelo están la humedad, aireación, temperatura, materia orgánica, acidez y suministro de nutrientes inorgánicos. Otras variables tales como el cultivo, la estación del año y la profundidad tienen significados importantes, pero su influencia proviene de las combinaciones de los principales determinantes.
La humedad controla la actividad microbiana en dos formas, ya que el agua es el componente principal del protoplasma, debe disponerse de un suministro adecuado cuando la humedad es excesiva, la proliferación microbiana se detiene no tanto por el exceso de agua, sino porque dicho exceso limita el intercambio gaseoso y disminuye el suministro de oxígeno, creando un ambiente anaeróbico.
La máxima densidad bacteriana se encuentra por lo regular en regiones de alto contenido de humedad, del 50 al 75% de la capacidad de retención de humedad del suelo. Las variaciones periódicas del tamaño de la comunidad de un suelo están directamente relacionadas con las variaciones de humedad, enfatizando de ésta manera la función biológica del abastecimiento de agua.
La inundación del suelo trae consigo una disminución en la abundancia de las bacterias que se desarrollan en presencia de aire, estimulando paralelamente los anaerobios. Este cambio de flora se lleva a cabo porque el oxígeno libre desaparece, como resultado de su utilización por los microorganismos que lo requieren; por esto solo pueden proliferar las bacterias que toleran niveles bajos de oxígeno o anaerobiosis completa.
La temperatura rige todos los procesos biológicos y por lo tanto es un factor de interés con relación a las bacterias. Se ha demostrado una asociación entre el tamaño de la comunidad y la temperatura, pero tales efectos además de cualitativos son cuantitativos.
Cada microorganismo tiene una temperatura de crecimiento óptima y un intervalo fuera de la cual el crecimiento se detiene.
Tanto el intervalo de temperatura como la temperatura óptima, sirven para delinear tres grupos microbianos:
La mayoría de los microorganismos son mesófilos con una temperatura óptima cercana a 25° y 30° C. y una capacidad de crecimiento entre 15 y 45°C. Los Mesófilos constituyen la mayor la mayor parte de las bacterias en el suelo.
Ciertas especies se desarrollan mejor a temperaturas menores a los 20°C, denominándose psicrófilos. Las bacterias psicrófilas no son comunes en el suelo.
142
Las bacterias termófilas son organismos que crecen fácilmente a temperaturas comprendidas entre 45 y 60°C, y algunos, son incapaces de crecer a temperaturas menores a 40 °C.
Además de sus efectos microbiológicos, la temperatura determina la velocidad de los procesos bioquímicos que lleva a cabo la flora bacteriana, un incremento de ésta aumenta la velocidad de reacción hasta el punto de temperatura óptima para la transformación.
También el tamaño de la comunidad en los suelos minerales está relacionado directamente con el contenido de materia orgánica, por lo que en localidades ricas en humus las bacterias son numerosas. La adición de material carbonáceo tiene también gran influencia en el número y actividades bacterianas y la incorporación de abonos vegetales o residuos de cultivo inicia una rápida respuesta microbiana.
Las condiciones altamente ácidas o alcalinas tienden a inhibir a muchas bacterias comunes, ya que para la mayoría de las especies, el óptimo esta cercano a la neutralidad.
Mientras mayor es la concentración de iones de hidrógeno, el tamaño de la comunidad bacteriana generalmente es menor, consecuentemente el encalado de ambientes ácidos aumentaría la abundancia bacteriana.
Aunque el carbón orgánico es el principal constituyente del suministro de alimentos, se requieren nutrientes inorgánicos, por lo que no es sorprendente, que la flora sea afectada a veces por la aplicación de fertilizantes inorgánicos.
Éstas sustancias tienen una doble función ya que abastecen tanto a las plantas como a los microorganismos con los nutrientes inorgánicos necesarios.
Las prácticas de cultivo ejercen también numerosos efectos biológicos directos e indirectos. Las labores de labranza son tratamientos ambientales que pueden causar marcadas alteraciones biológicas. Tales cambios varían con el tipo de operación, profundidad del suelo y principalmente el tipo de residuos de cultivo que pudiese ser incorporado.
Los efectos notados parecen surgir de un mejoramiento en la estructura y porosidad del suelo, favoreciendo así el movimiento de aire, alterando el status de humedad y exponiendo nutrientes orgánicos inaccesibles a la acción bacteriana.
La capacidad de crecimiento en ausencia de oxígeno es una característica bioquímica que distinguen tres categorías: aerobias, anaerobias y anaerobias facultativas.
143
Las condiciones ambientales afectan la densidad y composición de la flora y los componentes abióticos que pueden afectar a la comunidad y su potencial bioquímico.
Entre las principales variables se tienen:
Humedad, temperatura, contenido de materia orgánica, acidez, nutrientes inorgánicos, además del efecto que pueden causar las prácticas de cultivo, la estacionalidad y la profundidad.
Grupos morfológicos.
Las bacterias pueden dividirse en grupos morfológicos que describen a organismos nativos. Sin embargo por el gran número y variedad no ha sido posible describir a todos los tipos.
Muchas de las cepas dominantes tienen diferentes formas en cultivo dependiendo de la edad de la célula.
AISLAMIENTO.
Las cepas bioquímicamente pueden ser aisladas por el método de cultivo selectivo en donde se favorece un tipo fisiológico determinado.
Entre los géneros de bacterias se puede mencionar:
Acinetobacter, Agrobacterium, Arthrobacter, Bacillius, Flavobacterium, Metallogenium, Pseudomonas, entre otras.
2.1.17.4 Actinomicetos.
Como ya se mencionó dentro de la microbiota del suelo se encuentran los actinomicetos, los cuales conforman un grupo de transición entre las bacterias y los hongos.
Son microorganismos que producen filamentos delgados, ramificados que se desarrollan en un micelio.
Algunas variedades producen conidias, esporas, sobre sus hifas.
También existen otras, habitantes del suelo producen las esporas en esporangios.
144
A pesar de que algunos autores las clasifican cercanas a las bacterias su relación con los hongos se manifiesta en:
El micelio de los actinomicetos superiores tiene ramificaciones extensas.
Muchos forman micelios aéreos.
En cultivos líquidos rara vez producen turbidez.
Cuando no producen micelio aéreo se asemejan a los Mycobacterium y a su morfología general, sus reacciones de tinción y su fisiología.
En algunos géneros, la presencia de flagelos semeja a las bacterias.
Pero, también, tienen similitudes en la composición de la pared celular y la sensibilidad a los inhibidores antibacterianos y no a los antifúngicos.
Sin embargo en cultivos en agar, antes de la esporulación, constan de un organismo, un micelio derivado de una sola unidad de propagación.
Las colonias de algunos géneros tienen una consistencia firme y se adhieren al sustrato solidificado. La superficie parece pulvurenta y tienden a pigmentarse.
En los organismos que tienen un micelio sencillo, la colonia presenta una consistencia harinosa y, con frecuencia, se desintegra al ser tocarla.
Los actinomicetos son abundantes y ampliamente numerosos tanto en el suelo como en el estiércol, fangos y fondos de cuerpos de agua.
Están presentes tanto en la superficie del suelo como en los horizontes inferiores.
El tamaño de la comunidad depende del tipo de suelo, de la materia orgánica y del pH.
Es característico que en áreas alcalinas, en sequedad, se incrementa su cantidad.
El Streptomyces predomina numéricamente, entre 70 y 90% y el Norcadia es el segundo más abundante.
Una característica de los streptomicetos es el olor mohoso.
145
Son heterótrofos, condicionados a la disponibilidad de sustratos orgánicos. Sus fuentes de carbono incluyen moléculas tanto sencillas como complejas, desde ácidos orgánicos y azúcares hasta polisacáridos, lípidos, proteínas e hidrocarburos.
El género Norcadia es capaz de metabolizar parafinas, fenoles, esteroides y piridiminas.
Cepas de Micromospora descomponen la quintina, celulosa y glucósidos. Algunas cepas del orden Actinomycetales tienen capacidad de sintetizar metabolitos tóxicos. Así mismo muchos tipos de estreptomicetos aislados pueden producir agentes antimicrobianos conocidos como antibióticos. 2.1.17.5 Hongos.
Aunque los hongos no son los habitantes más importantes del suelo, aportan una parte significativa de la biomasa del suelo.
Son los principales agentes de descomposición en ambientes ácidos.
Los hongos filamentosos presentan una red de micelio constituida por cadenas de hifas independientes.
Otra de sus características es que el micelio puede sub-dividirse en células individuales ó septos.
Además las hifas fértiles producen esporas.
En la naturaleza las conidias son abundantes y bastantes diseminadas.
En medios de cultivo el micelio es incoloro pero las conidias presentan color.
Al igual que los otros MO los géneros presentes y su cantidad dependen de las características del suelo.
La nutrición de los hongos es heterótrofa. Ni la luz del sol ni la oxidación de sustancias inorgánicas proporcionan la energía para su crecimiento.
El número de hongos filamentosos en el suelo dependen del contenido de materia orgánica.
La aplicación de sustratos orgánicos estimula el dominio de los géneros Penicillium, Trichoderma, Aspergillus, Fusarium, y Mucor.
146
El agua del suelo tiene un efecto directo sobre la abundancia de los hongos.
Con abasto bajo, la capacidad para catalizar reacciones química es deficiente.
Los hongos filamentosos son aerobios estrictos, aunque se conocen algunas excepciones.
Con humedad excesiva la difusión de oxígeno es inadecuada y los hongos se ven afectados directamente.
Los aerobios obligados parte del micelio puede penetrar en lugares sin O2 a condición de que las hifas tengan acceso al aire.
Con humedad excesiva la difusión de oxígeno es inadecuada y los hongos se ven afectados directamente.
Los aerobios obligados parte del micelio pueden penetrar en lugares sin O2 a condición de que las hifas tengan acceso al aire.
Muchas especies son mesófilas, aunque también las hay termófilas, pero siempre menores a 65°C.
En suelos cultivados los hongos son abundantes y con frecuencia se encuentran en horizontes pocos profundos.
Los hongos no contienen clorofila y deben obtener el carbono mediante la síntesis celular a partir de moléculas orgánicas.
Entre las fuentes de Carbono se encuentran azúcares, ácidos orgánicos, almidón, celulosa, grasas y casos como la lignina que es resistente a la degradación bacteriana.
Los hongos participan en la formación de amonio y compuestos nitrogenados simples.
Los hongos participan en la formación de humus.
Una relación única de los hongos con las plantas superiores se tiene en la estructura micorriza, u hongo de la raíz.
147
Aunque no es un MO del suelo su adaptación esta relacionada con la demanda de nutrientes complejos.
Estos MO no son tan abundantes como los otros.
2..1.17.6 Algas.
Son organismos fotosintéticos y por lo tanto se despreció por mucho tiempo su estudio en suelos.
Se pueden aislar a niveles pocos profundos y son evidentes agregando pequeñas cantidades de nutrientes.
Las cepas del suelo suelen ser más pequeñas y menos complejas que las acuáticas.
En el suelo se encuentran los tipos Chlorophyta ó algas verdes, Cyanophyta, verdes-azules, Bacillariophyta ó diatomeas y Xanthophyta, verdes-amarillas.
Se caracterizan por tener una nutrición fotoautotrófica debido a la presencia de la clorofila.
El mecanismo fotosintético la hace independiente de la materia orgánica.
Para un desarrollo autotrófico las algas deben obtener agua, nitrógeno, potasio, fósforo, magnesio, azufre, hierro y otros micronutrientes del suelo.
La atmósfera les proporciona el carbono en forma de CO2 y la energía en forma de luz.
Las algas bajo superficie se encuentran en oscuridad, por lo que la vida fotoautotrófica es imposible.
Algunas algas fotoautótrofos obligados son heterotrótofas usando la oxidación de carbono orgánico para remplazar la luz como fuente de energía para procesos anabólicos.
La comunidad tiende a concentrase sobre y bajo la capa superficial.
Se supone que las células subterráneas se originan en la superficie y migran hacia abajo por filtración del agua, prácticas de cultivo ó movimientos de la fauna.
148
2..1.17.7 Protozoarios.
Son los invertebrados más abundantes, las formas de vida animal más simples.
Todas las especies terrestres son microscópicas y más pequeñas que sus similares acuáticas.
Su ciclo de vida consta de dos fases: la activa ó trofozoito y la de reposo o quiste, en la cual se cubre de una capa gruesa.
Su reproducción, generalmente es asexual.
Los protozoarios del suelo se clasifican por su medio de locomoción.
Algunos se desplazan por flagelos, otros por medio de cilios, y otros por organelos, los pseudópodos
La energía necesaria para su crecimiento se obtiene de diferentes formas:
Fotosintética, cuando sintetizan el CO2.
Sapróbica dependiendo de la materia orgánica.
Cuando no hay disponibilidad de células comestibles o el medio ambiente es desfavorable los protozoarios activos entran en estado de quiste.
El regreso a la fase activa, alimentándose, reproduciéndose y moviéndose de un lado a otro.
La presencia de un abasto de alimentos es crítica para los protozoos del suelo. La talla y actividad de la microfauna esta relacionada con la densidad bacteriana.
Son abundantes en la superficie del suelo y su proximidad. Son escasos en el subsuelo.
El nivel de humedad tiene importancia cualitativa y cuantitativa .
El suministro adecuado de agua impacta en la actividad fisiológica y el movimiento lateral o vertical.
Los flagelados son tolerantes a la poca humedad. Predominan en regiones como el Sahara.
149
Los ciliados proliferan sólo con humedad alta.
El metabolismo aeróbico es común , pero algunas especies crecen en condiciones de anaerobiosis.
La mayoría no presenta una marcada sensibilidad al pH.
El principal postulado se basa en sus hábitos alimenticios, regulando el tamaño de la comunidad bacteriana.
(Martin Alexander, 1980)
2.1.17.8 Importancia de la microbiota del suelo, en la ingeniería ambiental
El comportamiento de los microorganismos es muy importante para la ingeniería ambiental ya que su empleo es cada vez mayor en tareas de recuperación biológica para reducir la concentración de agentes contaminantes tanto en suelo como en agua.
Por ello es importante identificar los microorganismos nativos tanto cualitativamente como cuantitativamente.
Las diferentes técnicas de bio - restauración implican conocer el status de los MO que son susceptibles de estimularse para acelerar el proceso de degradación ó bien identificar las limitantes orgánicas del sitio.
150
2.2 Monitoreo del suelo
El suelo es más heterogéneo que el agua o el aire, tiende a cambiar mucho más lentamente y por lo tanto a preservar su estado por más tiempo, es por ello que los estudios del suelo son más intensivos en el espacio, pero requieren menor resolución en tiempo.
En general las investigaciones en edafología, requieren de análisis químicos , físicos, biológicos y bioquímicos ex situ y por lo tanto un muestreo de suelos destructivo. El tamaño de muestra generalmente será menor que el estadísticamente deseado y por eso es recomendable seguir una estrategia que permita tomar las muestras de forma eficiente para no invertir recursos económicos en vano.
Los resultados obtenidos del análisis de muestras de suelo se podrán tomar como una descripción exacta de la propiedad del suelo, sólo si; La muestra representa a la población. Los resultados deben, idealmente, ser reproducibles y no tener sesgo, esto significa que en principio no deben de depender del investigador. La calidad de un estudio tiene que ser controlable y por lo tanto los procedimientos debeb de ser transparentes y bien documentados. Obtener una muestra representativa no es tarea sencilla, muchas veces los errores de muestreo de suelos son mucho más gravesque los errores análiticos.
El grado en el cual el resultado de un análisis identifica una característica real de toda la población del suelo a estudiar, depende de la precisión del muestreo. Todo el esfuerzo invertido en el aseguramiento de la calidad de los análisis en el laboratorio se desperdicia si la muestra a anlizar no es representativa.
La obtención de muestras representativas es una tarea complicada debido a la variabilidad que representa el suelo. Diferencias en la composición y propiedades del suelo las encontramos no sólo de región a región, sino a distancias de muestreo muy cortas e incluso dentro de una misma parcela de cultivo. Cada situacion es singular y requiere de toma de decisiones de acuerdo a los objetivos específicos y a las características del paisaje o lugar. El hecho de que un suelo varía de una región a otra a escalas diferentes, implica que en el diseño de estrategias de muestreo de suelos no se puede seguir una “receta”, más bien cada muestreo debe de diseñarse de acuerdo a las características de la región de interés y al objetivo que se persigue; contestando las siguientes preguntas: ¿Cómo? Y ¿Dónde?. Ver figura 2.2.1
Las técnicas de muestreo de suelo que se comentaran en el presente cuadernillo son las siguientes:
Para el levantamiento de suelos.
Para estudios de contaminación de suelos.
Para diagnóstico de la ferilidad de suelos.
151
Para evaluaciones de técnicas agrícolas.
152
Figura 2.2.1 Preguntas que se deben de contestar durante el diseño de un muestreo. 2.2.1 Estrategia general del muestreo
Esta parte comprende básicamenrte los elementos que deben de tomarse en cuenta para diseñar una estrategia de muestreo considerando los objetivos del estudio y las características de la zona.
Muestreo
¿Cómo? ¿Dónde?
Estrategia de muestreo
A juicio Estadístico
Al azar
Simple Estratificado
Sistemático
153
En cada caso se tendrá una estrategia o un modelo de aproximación que contemple los siguientes puntos (ver figura 2.2.1)
Definición del problema y objetivos del estudio
Definición de las variables a medir
Definición de la población
Número y ubicación de sitos de muestreo
Tipo de muestra y equipo
Profundidad de muestreo
Cantidad de muestra
Época de muestreo.
Definición del problema y objetivos del estudio. Este punto se refiere a que se debe de tener en mente la pregunta quie se quiere contestar con los resultadosde los análisis de las muesytras, para que desde un inicio se elabore un plan de toma de muestras completo y adecuado al objetivo del estudio. En muchas ocasiones es preciso recolectar primero toda la información relacionada con el caso, para decidir cuál es la información adicional que se necesita para resolver el problema.
Definición de las variables a medir. Se refiere al listado de características y propiedades que se necesitan medir y existe una relación muy extrecha entre los métodos analíticos utilizados y los procedimientos de toma de muestras. Los métodos analíticos determinan la forma de la toma de muestras , la herramienta a utilizar, la cantidad de muestra y la forma de preservación y transporte. El procedimiento se vuelve complejo si el estudio consudera múltiples métodos que requieran diferentes formas de recolección, tratamiento y almacenamiento. Es importante considerar además las variables y datos del sitio que se necesitan para la interpretación de los resultados generados. Por ejemplo:
Vegetación
Uso del suelo
Tipo de suelo
Topografía
Datos del agua
Etcetera
Definición de la población. Antes de ejecutar una investigación se debe de definir la población que se va a representar en la muestra, para disminuir el riesgo de que se tomen datos no validos, incompatibles o irrelevantes. La muestra se toma fefiniendo la región que se quiere estudiar y las localidades de interés dentro de la región.
154
Número y ubicación de sitios de muestreo. En esta sección se exponen los principios generales para obtener muestras representativas de un suelo, considerando diversas opciones. Existen dos diseños que dependen de la cantidad y utilidad de la información que se desea obtener del área de estudio, estos son:
1) Basado en le juicio del experto 2) El diseño estadístico, que comprende a los los métodos
estadísticos tradicionales: - aleatorio simple - aleatorio estratificado - sistemático 3) análisis de dtos correlacionados en el espacio (geoestadísticos)
A juicio del experto
La selección de los puntos de muestreo consiste en la ubicación de las muestras típicas de la población de estudio con base en la experiencia de quién toma la muestra, o sea, se lleva a cabo por un experto. Este tipo de muestreo disminuye considerablemente el número de muestras, lo cual se traduce en un menor costo del estudio,pero es importante considerar que se tiene que contar con edafólogos que tengan experiencia en la identificación de unidades de paisaje y de características del suelo, para a su vez identificarla variabilidad del suelo en el campo y así poder ubicar los sitios del muestreo.
Con un muestreo de este tipo no se podrán aproximaciones a los resultados, se corre el riesgo de realizar un estudio subjetivo, sesgadoy con errores sistemáticos, sin datos adicionales no podrán hacerse extrapolaciones. Representa una aproximación inicial o muestreo primario para obtener datos para elegir el diseño de muestreo estadístico más adecuado.
Muestreo aleatorio simple
Los puntos de muestreo de toda población, se eligen de tal forma, que cualquier combinación de n unidades, tenga la misma oportunidad de ser seleccionada, se llevaa cabo seleccionando cada unidad al azar e independientemente de cualquier unidad previamente obtenida. La forma más usual para determinar los puntos de muestreo, es trazando un sistema de coordenadas sobre el área de estudio, seleccionando dos distancias al azar, una para cada eje, y la intersección de estas dos será el sitio en el que se tomará la muestra.
Los resultados de este tipo de muestreo, son adecuados para poblaciones homogéneas, aunque, si se conoce la variabilidad de la población es mejor utilizar uno de los métodos que se describen a continuación.
155
Tabla 2.2 1Algunos diseños de muestreo de suelo y su evaluación por número de muestras, precisión, exactitud y sus aplicaciones.
Diseño Número de muestreo
Precisión de muestras
Aplicación / Observaciones y exactitud
A juicio del experto + No se puede evaluar
Información general, primera observación para elegir un diseño de muestreo . Lo debe de llevar a cabo personal con experiencia
Aleatorio simple ++ + En poblaciones homogéneas
Aleatorio estratificado par cada
subpoblación
+++ ++ En poblaciones heterogéneas. Se obtienen datos
Sistemático ++++ +++ En poblaciones heterogéneas, se utiliza para elaborar mapas de distribución.
Geoestadístico +++++ ++++ En regiones con variabilidad desconocida . Cartografía de la distribución espacial.
Muestreo aleatorio estratificado
Este método se utiliza comúnmente en poblaciones heterogéneas, en el cual la población se subdivide en estratos (grupos, fases) más homogéneosy en cada estrato se lleva a cabo un muestreo aleatorio simple. Para la elección de estratos se utiliza información previa, como lo son el clima, la geomorfología, el tipo de sueloy la vegetación / uso del suelo de la zona de interés, entre otros.
Las principales razones por las que se utiliza este plan de muestreo son los de obtener datos específicos para cada subpoblación y aumentar la precisión en los datos sobre la población.
Muestreo sistemático (en rejilla)
El muestreo sistemático consiste en la toma de muestras equidistantes con el fin de realizar una caracterízación de la población. Se trata de muestras en espacios de dos dimensiones se trazan varias líneas paralelas y perpendiculares sobre la superfície. Sobre las intersecciones (que deben de ser equidistantes) se toma la muestra, la separación entre líneas y por lo tanto el número de puntos depende del nivel de detalle deseado.
156
Muestreo geoestadístico
La geoestadística incluye todos los métodos estadísticos para el análisis de datos correlacionadosen el espacio, también se le conocen como la teoría de las variables regionalizadas.
Estos métodos se desarrollaron por necesidad de tomar muestras representativas en regiones geográficas que tienen una variabilidad significativa y desconocida. Se utilizan en gran medida para elaborar mapas de distribución de determinadas propiedades o característicasdel suelo, por ejemplo, la distribución de metales en una región determinada, para ello se utiliza la interpolación geoestadística conocida como << Kriging >> la cual requiere del conocimiento del variograma o su equivalente.
Para utilizar este método de la forma más efectiva, se sugiere determinar , en un muestreo preliminar,
157
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Figura 2.2.2 Diagrama de flujo para el diseño de una estrategia de muestreo se suelos
158
2.2.2 Tipos de muestreo
La selección de puntos de muestreo consiste en la ubicación de las muestras típicas de la población de estudio con base en la experiencia de quién toma la muestra, o sea, se lleva a cabo pr un experto. Este tipo de muestreo disminuye considerablemente el número de muestras, lo cual se traduce en un menor costo del estudio, pero es importante considerar con Ingenieros ambientales que tengan experiencia en la identificación de unidades de paisaje y de características del suelo, para a su vez indentificar la variabilidad del suelo de campo y así poder ubicar los sitios de muestreo.
Con un muestreo de este tipo no se podrán aplicar aproximaciones a los resultados, se corre el riesgo de realizar un un estudio subjetivo, sesgadoy con errores sistemáticos, sin datos adicionales no pdrán hacerse extrapólaciones. Representa una aprocimación inicial o muestreo primario para obtener datos para elegir el diseño de muestreo estadístico más adecuado.
2.2.2.1 Muestreo aleatorio simple.
Los puntos de muestreo de toda la población, se eligen de tal forma, que cualquier combinación de n unidades, tengan la misma oportunidad de ser seleccionada, se lleva acabo seleccionando cada unidad al azar e independientemente de cualquier unidad previamente obtenida. La forma más usual para determinar los untos de muestreo, es trazando u sistema de coordenadas sobre el área de estudio, seleccionando dos distancias al azar, una para cada eje, y la intersección de estas será el sitio en el que se tomará la muestra.
Los resultados de este tipo de muestreo, son adecuados para poblaciones homogéneas, aunque , si se conoce la variabilidad de la población es mejor utilizar uno de os métodos que se describen a continuación. Ver Tabla 2.2.1.
2.2.2.2 Muestreo aleatorio estratificado
Este método se utiliza comúnmente en poblaciones heterogéneas, en el cual la población se subdivide en estratos (grupos, fases) más homogéneos y en cada estrato se lleva a cabo un muestreo aleatorio simple. Para la elección de estratos se utiliza información previa, como son el clima, la geomorfología, el tipo desuelo y la vegetación / uso de suelo de la zona de interés, entre otros.
Las principales razones por las que se utiliza este plan de muestreo son el de obtener datos espedíficos para cada subpoblación y aumentar la precisión en los dtos desobre población.
159
2.2.2.3 Muestreo sistemático (en rejilla)
El muestreo sistemático consiste en la toma de muestras equidistantes con el fin de realizar una mejor caracterización de la población. Si se trata muestras en espacios de dos dimensiones se trazan varias líneas paralelas y perpendiculares sobre la superficíe. Sobre las intersecciones (que deben de ser equidistantes) se toma la muestra, la separación entre líneas y por lo tanto el número de puntos depende del nivel de detalle deseado.
2.2.2.4 Muestreo geoestadístico.
La geoestadística incluye todos los métodos estadísticos para el análisis de datos correlacionados en el espacio, también se le conocen como la teoría de las variables regionalizadas.Estos métodos se desarrollaron por la necesidad de tomar muestras representativas en regiones geográficas que tienen una variabilidad signifivcativa y desconocida. Se utilizan en gran medida par elaborar mapas de distribución de determinadas propiedades o características del suelo, poe ejemplo, la distribución de metales en una región determinada para ello se utiliza la interpolación geoestadística conocida como << kriging >>, la cual requiere de del conocimiento del variograma o su equivalente.
Para utilizar este método de la forma más efectiva, se requiere determinar , en un muestreo preliminar, la escala de variación espacial (muesreo de nido) y sobre esta base diseñar un muestreo en rejilla regular.
a) Tipo de muestra y equipo de muestreo de suelos. En la tabla 2.2.3.1 se presentan los diferentes tipos de muestras que se manejan en el muestreo de suelos, su definición, su aplicación en edafología y las herramientas que se utilizan. Algunos de los criterios para la elección de las herramientas de muestreo son:
tamaño de la muestra que se necesita par el análisis
capacidad para tomar muestras en diferentes tipos de suelos (arcillosos, arenosos, orgánicos etc.)
profundidad máxima a la que se va atomar la muestra
capacidad para tomar muestras de suelos bajo diferentes regímenes de humedad.
accesibilidad al sitio de muestreo y
los requrimientos de personal para su manejo.
160
b) Profundidad de muestreo. La profundidad de muestreo es la distancia en centímetros a partir de la superficíe del suelo sin tomar en cuenta el horizonte orgánico(O). Esta profundidad dependerá nuevamente del objetivo del muestreo. Se muestran algunos ejemplos en la tabla 2.2.3.2
Tabla 2.2.3.2 Tipos demuestras según sus aplicaciones.
Definición Horizontes del perfil del suelo diferenciados por procesos
Muestras deun sitio
Muestras de varios sitios que han sido mezcladas
Muestras que se colectan sin alterar la estructura
Aplicación Levantamiento de suelos, análisis mineralógicos y físico- químicos y comportamiento de contaminantes
Conocimiento de la variabilidad superficial
Muestras de varios sitios que han sido mezcladas.
Estudios de micro morfología y densidad aparente.
También se utilizan en estudios con columnas de suelo.
Toma de muestra
En calicatas, las muestras se colectan por horizontes.
Muestreo de rejilla y transectos
En estudiosde fertilidad y para conocimiento de los valoresmedios enzonas homogéneas.
De las paredes del perfil de parte del perfil o del perfil completo.
Herramientas y accesorios
Palas curvas y planas, picos,
espátulas, barrenas de un metro de largo, GPS y
cámara fotográfica
Barrenas de5 cm de
diámetro, el largo
depende de los objetivos del estudio.
Barrenas de 5 cm de diámetro el largo
depen de los objetivos del
estudio.
Cajas de Kubiena, cuchillos,
cilindros de PVCo de
acero inoxidable con
bordes afilados.
Muestras
Alteradas Inalteradas
Por horizontes
Simples Compuestas
Superficiales
161
Muestra compuesta: Con la mezcla de la muestra se asume que el análisisse obtieneuna estimación válida de la superfíciede estudio, que de otra forma se obtendría con la media de los análisis individualesde las muestras simples. Se utiliza en estudios a escala regional con los cuales la variabilidad de las muestras simples tomadasa distancias muy cortas meten ruido y opacan cualquier otro patrón más burdo. Es muy importante que todas las sub muestrasde un área homogénea se tomen a la misma profundidad, ya que de lo contrario se producen considerables variaciones en algunos análisis. Para ello, es útil poner una marca en la barrena a la profundidad deseada.
Tabla. 2.2.3.3. Profundidad del muestreo de acuerdo con objetivos.
Objetivo Profundidad de muestreo recomendada
Génesis y clasificación (Cartografía) Por horizontes
Diágnostico de fertilidad Espacio radicular, aproximado 0 – 30 cm
Riesgo de contaminación de acuíferos Por horizontes
Riesgo a la salud: jardín de niños Hasta 35 cm ( 0- 5. 5 -15 y15 – 35 cm)
Consumo de plantas Espacio radicular
Afectación a microorganismosdel suelo Horizonte A
Comportamiento de contaminantes Por horizontes
a) Cantidad de muestra; La cantidad de muestra que se va a tomar se determina a partir del número y tipo de parámetros que se van a análizar. En el la tabla 2.2.3.4 se indica la cantidad de nmuestra para cada tipo de análisis. Es recomendable considerar la cantidad de muestra con base en los análisisque se realizarán, ya que una toma de muestra posterior puede ser costosa. Deben de conservarse por separado la muestra sin tratamiento y la muestra molida finamente para el análisis. Actualmente se recomienda colectar una menior cantidad de muestra como una forma de respeto a la naturaleza. En el mismo sentido, se recomiendaque al tapar la calicata, el suelo se coloque de acuerdocon los horizontes respectivos.
b) Epoca de muestreo. La pregunta de cuando deben de tomarse las muestras es importante sobre todo si el objetivo del estudio son propiedades del suelo que tienen altas tasas de cambio( potencial
162
redox, nutrimentos, nitratos, , contenido de humedad) par ello, por ejemplo, será importante considerar en el diseñodel muestreo; el regímen hídrico, el programa de las actividades agrícolas, las épocas del año, etc.
2.3 Reglas generales durante la toma de muestras
Las muestras se deben de tomar de tal forma que el material de suelo sea representativo de toda la extensión o intervalo de profundidad que se quiera estudiar.
Si se utiliza pala o herramienta parecida, se debe de evitar contaminar la muestracon material de otros puntos de muestreo, superfícies u horizontes.
Las herramientas de muestreo deben de limpiarse antes de cada utilización, retirando todas las partículas adheridas.
Hay que tener especial cuidado de que toda la muestra se deposite en el recipiente adecuasdo, elegido con base en las propiedadesque se analizarán.
En general, es prudente llevar a cabo el trabajo de campo entre dos personaso más, esto aumenta la seguridad en la información y facilita la recolección de datos.
En aso de perfiles, la muestra debe de tomarsde de los freentes. Antes de la toma deben de limpiarse las caras del perfil, p.e, raspandocon una pala. Las muestras deben de tomarse siempre de abajo hacía arriba para evitar mezclar horizontes. La toma demuestera se realiza sacando la cantidad requerida en dirección horizontal.
Si es posible deben de cocumentarse los perfiles con fotografías a color o diapositivas. Las fotos debenm de tener indicado el número de fotogrfía y la indentificación del perfil.
2.3.1 Identificación de las muestras.
Cada muestra se identifica clara y duraderamente (por lo menos con localidad de muestreo, número de muestra, fecha, hora, profundidad y persona que tomó la muestra ver Tabla 2.3.1. la forma de numeración debe de unificarse e ir de acuerdo con la forma en que se toman las muestras.
163
Tabla 2.3.1 Cantidad de muestra recomendada según el tipo de análisis. Tipo de análisis Peso en gramos
Caracterízación química (ph, CIC, C, Ca, Mg, Na, K, N, P) 500
Caracterízación física (textura, densidad) 500
Contaminantes inorgánicos 150
Hidrocarburos 250
Muestras de retención de humedad 1000
Las etiquetas deben de colocarse dentro y en el exterior del recipiente en el que se coloca la muestra del suelo. Utilice tintaque no se disuelva en agua.
2.3.2 Preservación y transporte de las muestras
Las formas de preservación y transporte dependerán del objetivo del muestreo de suelos, a continuación se mencionan algunos ejemplos.(ASTM, 1997) Tabla 2.3.2.1 Ejemplos de tipos de etiquetas.
Número de muestra…………………… Fecha…………………………………… Tratamiento…………………………….. Profundidad……………………………. Colector……………………………….... Proyecto………………………………… Responsable del proyecto……………………………. Localidad o Sitio………………………………………
Número de muestra…………………… Fecha……………………………………. Perfil…………………………………….. Profundidad……………………………. Horizonte……………………………….. Colector…………………………………... Proyecto………………………………….. Responsable del proyecto…………………………….. Localidad o sitio…………………………...................
Las muestras que serán utilizadas para la caracterización física y química del suelo se depositan en bolsas de plástico previamente tal cual son tomadas en campo y se transportan en costales o cajas de cartón para evitar cualquier pérdida. Se recomienda utilizar dos bolsas por muestra con el fin de protegerla y evitar pérdidas.
164
Las muestras para la determinación de contaminates orgánicos se colocan en contenedores de vidrio con tapa metálica previamente enjuagados con un solvente. Las muestras deben de mantenerse a 4° C desde que se toma la muestra hasta su análisis. Las muestras para la determinación de contaminantes inorgánicos se colocan en contenedores no metálicos para evitar contaminación, generalmente se utilizan bolsas de plástico y se transportan sin pretratamiento, al menos que las especificaciones del proyecto indiquen lo contrario.
2.3.3 Documentación
Todo el proceso, desde el diseño del muestreo hasta la toma de muestras debe documentarse por la persona que lo lleva acabo. La bitácora debe contener un conjunto mínimo de datos para poder identificar el sitio de muestreo con exactitud( coordenadas con el GPS, croquís del sitio, paisaje, uso del suelo,etc.). En caso de que se vaya a realizar un muestreodel suelo por horizontes es importante documentar además la información obtenida en la descripción de los perfiles.
2.3.4 Levantamiento de suelo
El objetivo del levantamiento de suelos es el conocimiento de su variabilidad registrando las diferencias de un lugar a otro y como capturar en mapas esta información. El ordenamiento de los suelos en el espacio es un sistema de cartografía que rompe la continuidad del suelo en unidades espaciales que tienen menos variabilidad en determinadas propiedades del suelo que el continuo o totalidad del suelo. Al estudiar, clasificar y cartografiar suelos existe una inherente dependencia con la escala de observación. El clima generalmente influye sobre la variabilidad a gran escala determinando diferencias regionales. Aunque en regiones montañosas la temperatura y la precipitación puede variar a distancias muy cortas, por ejemplo los suelos en pendientes que miran al norte difieren de aquellos de pendientes que miran al sur en la misma localidad. También el materiañ parental determina patrones a escala regional , pero puede haber diferencdias a escala local, por ejemplo. Por depositos coluviales al pie de una pendiente o aluviales a lo largo de un río. A escala semiregional, la variabilidad de muchas propiedades del suelo está relacionada en primer plano, con diferencias en un nfactor formador del suelo, ésto se observa en las litosecuencias, cronosecuencias y toposecuencias. A escala local, las variaciones por pequeños cambios en la topografía y grosor de las capas del material parental o los efecvtos de la cobertura vegetal, por ejemplo, la variabilidad en la fertilidad de la parcela.
165
En cartografía el investigador decide subjetivamente sobre la vriación permitida en sus unidades cartográficas que dependen en gran medida del objetivoy con ello de la escala. En la tabla 2.3.4.1 se presenta un ejemplo de la relación entre el objetivo y la escala de observación , de ambos se deriva la estrategia de muestreo a seguir. Tabla 2.3.4.1 Relación entre la intensidad , la escala, y la exactitud en un levantamuiento de suelo (FAO, 1997).
Levantamiento Área por 1 cm2
Observaciones Linderos Escala
Exploratorio 625 Km2 1/ 25 Km2 Inferidos 1:5,000,000 25 Km2 1 / 50 Km2 1: 500,000 Reconocimiento 1 Km2 1/ 2 Km2 La mayoría 1: 250,000 1: 100, 000 Semidetallado Detallado Intensivo
6.25 ha
1 ha
Menos de Una ha
1/ 12.5 ha 1 / 2 ha Menos de 1/ 2 ha
Algunos La mayoría comprobados Todos comprobados
1: 75, 000 1: 20, 000 1: 10, 000 Mayor a 1: 10,000
2.3.5 Contaminación
La contaminación constituye un aspecto importante en la degradación del suelo . La calidad del suelo, es decir, su capacidad para desarrollar una serie de funciones, puede verse afectada negativamente por la contaminación . La contaminación puede definirse como la concentración de un elemento o de un compuesto químico a partir de la cual se producen efectos desfavorables, que se traduce en una pérdida de aptitud para determinada función o hace inutilizable al suelo, a menos que se le someta a una remediación de suelos. La contaminación se asocia con la entrada de sustancias que son depositadas a través de difernetes vías, el suelo puede ser receptor primario o secundario según sea la depositación directa (aplicación de plaguicidas, derrames, etc. ) o indirecta (p. e, por depositación atmosférica ) y sus efectos sobre las funciones que cumple un suelo en el ambiente dependeran en gran medida de la unidad de suelo en el cual sean depositadas, ya que los diferentes tipos de suelos difieren en su vulnerabilidad a ser degradados. Algunos objetivos asociados a los estudios de contaminación pueden ser:
La evaluación espacial del contaminante.
El monitoreo del comportamiento temporal del contaminante.
La identificación de fuentes.
166
Cuando el objetivo de estudio es la evaluación de la distribución espacial de un contaminante, debe cubrirse el área de interés completamente. La información se utiliza para tomar deccisiones acerca del uso del suelo o acciones de limpieza. El tipo de información que se necesita no es la concentración del contaminante en sí, pero si la de riesgo de exceder o no ciertos valores que son críticos para actuar o par decidir que tratamiento utilizar. Es importante considerar los ―niveles de fondo‖o ―niveles naturales‖ dados por la génesis del suelo. Si el objetivo del estudio fuera el monitoreo del comportamiento temporal de un contaminante, se trataría de de la indentificación de tendencias de los contaminantes en el sentido de prvenir (a priori) o de controlñar (a posteriori) la contaminación. La valuación a priori significa predecir con base en escenarios o por extrapolación de tendencias. A posteriori involucra estudios repetidos a una determinada población. Se ejecutan para evaluar cambios en la contaminación de suelos causadas por una fuenteo para evaluar la efectividad de medidas de control y saneamiento. La indentificación de las fuentes de contaminación requiere información obtenida de un estudio de suelo, por ejemplo, si una fuente puede rastrearse sobre la base de la contaminación espacial a lo largo de transectos o vías de dispersión de los contaminantes. Aunque es igualmente importante la obtención de datos e información histórica sobre las actividades que probablemente tengan relación con las fuentes de emisión. Cada uno de los objetivos tiene sus propias iimplicaciones sobre la estrategía de muestreo a elegir, aunque en todos los estudios el objetivo implicito es el de estimar las carcterísticasdel patrón espacial de la contaminación del sueloen una región determinada. En el monitoreo edafológico, primero de delimitan unidades ecogeográficas con caraterísticas homogéneas, se identifican las probables causas de la contaminación y se establece cuales pueden ser los contaminantes que son emitidos, diferenciando por tipo fuentey determinando sus probables ruta de acceso al suelo. Una vez identificados los contaminantes, se definen sus probables impactos sobre la calidad de los suelos, así como los procesos de degradación más factibles a ocurrir, y se selecciónan variables que pudieran ser indicadoras de dichos impactos y procesos.
167
Tabla 2.3.4.2 Representación esquematica de un levantamiento de suelos (Ortiz y Cuanalo, 1981)
Discusión de propositos y objetivos ¿Qué se quiere?
Coordinación con especialistas
Naturaleza de la información requerida
Obtención de: Fotos aeréas, mapas trabajos previos
Elección del tipo de levantamiento
¿Con qué se cuenta?
Pre - campo
Trabajo de campo
Pos- campo
¿Cómo puede hacerse Decisiones de: Escala, material cartográfico unidades de clasificación Unidades cartográficas
Fotointerpretación del área
Información sobre: accesilidad del terreno, selección de rutas y sitio de observación.
Reconocimiento del terreno
Cartografía de las clases de suelos
Obtención de información para evaluar las tierrassegún el objetivo del levantamiento.
Correcciones necesarias
Análisis de laboratorio
Levantamiento de suelos
168
Unidad 3 Generalidades sobre tecnologías de remediación del suelo
3.1 Introdución
El manejo de suelos contaminados se ha convertido en una actividad común. Los contaminantes penetran a los suelos por derrames, fugas , roturas de tanques y tubería, y muchas veces por disposición de residuos a cielo abierto. En tales casos, se genera un cuestionamiento acerca del alcance y magnitud del riesgo que representa un suelo contaminado, así mismo surgen dudas acerca de las metas de limpieza que deben alcanzarse en caso de ser necesario remediar el suelo impactado. A este respecto, han sido establecidas algunas consideraciones:
1. Altas concentraciones de un contaminante en el suelo, no necesariamente reprentan efectos adversos.
2. El riesgo a la salud humana y al ambiente en un suelo contaminado está relacionado directamente con la liberación y disponibilidad del contaqminante.
3. Conocer lo que se libera y la velocidad de liberación es tan importante como la concentración del contaminante del suelo.
De acuerdo a la Ley General de Equilibrio, Ecológico y la Protección al Ambiente, la restauración se define como el ― Conjunto de de actividades tendientes a la recuperación y restablecimiento de las condiciones propician la evolución y continuidad de los procesos naturales”.
El tratar de recuperar la calidad original de un suelo, puede significar un excesivo costo y la aplicación de tecnologías y recursos humanos altamente calificados.
Las principales estrategías que se utilizan de manera separada o conjugadas al remediar la mayoría de los sitios contaminados son:
Destrucción o alteración de los contaminantes
Extracción o separación de los contaminantes
Inmovilación de los contaminantes.(Estabilización)
Aislamiento de la zona contaminada.
169
3.1.1 Datos requeridos para la remediación de suelos contaminados
Cada sitio a tratar presenta un reto único. No obstante, cada sitio puede analizarse en términos de un juego limitado de características fundamentales y de una solución que sea efectiva en cuanto a los costos de dichas características. Las opciones de remediación para sitios contaminados, dependen de cuatro consideraciones generales:
1. El tipo de contaminante y sus características físicas y químicas determinan si un sitio requiere ser remediado y la manera en la que el contaminante debe tratarse. Además, dichas propiedades determinan cómo puede ser el movimiento del contaminante y si éste es o no persistente en el ambiente. La estructura química de un contaminante determina su toxicidad y por consiguiente permite fijar ciertos criterios para establecer los límites de limpieza.
2. La localización y las características del sitio, así como el uso de suelo (industrial, residencial o agrícola), fundamentalmente afectan la meta de la limpieza y los métodos que pueden emplearse para alcanzarla.
3. Las características naturales de los suelos, sedimentos y cuerpos de agua, a menudo determinan las particularidades de los sistemas de tratamiento.
4. Para suelos o lodos, el manejo del material a tratar (conversión del contaminante a una forma en la que pueda tratarse y/o transportarse desde la fuente de la contaminación hasta el lugar de tratamiento), es el paso crítico en la mayoría de los procesos de tratamiento.
Los pretratamientos para modificar las características naturales de un suelo contaminado pueden ser componentes muy caros en un proceso de remediación.
Las capacidades de las tecnologías de remediación pueden variar ampliamente en función de las condiciones específicas del sitio.
Las tecnologías de remediación pueden actuar conteniendo la contaminación, separando el contaminante del suelo o destruyendo el contaminante. El uso de una tecnología en particular depende, además de los factores mencionados, de su disponibilidad, fiabilidad (demostrada o proyectada), estado de desarrollo (laboratorio, escala piloto o gran escala) y de su costo.
170
3.1.2 Factores que inciden en la eficiencia de una tecnología de remediación
El comportamiento de un contaminante en el suelo, así como la efectividad de una tecnología de remediación, están determinados por una variedad de factores que interactúan de manera compleja y que dependen de las características propias del contaminante así como de las del suelo. Por consiguiente, para la selección adecuada de una tecnología de remediación con buenas perspectivas de éxito, es indispensable considerar tanto las propiedades del contaminante como las del sitio contaminado. En general, dentro de los factores a considerar se encuentran los siguientes:
(i) Procesos químicos (reacciones de hidrólisis, oxidación, reducción, fotólisis);
(ii) Procesos físicos o de transporte (sorción, advección, dispersión, difusión, volatilización y solubilización); y
(iii) Procesos biológicos (biodegradación, biotransformación y toxicidad)
3.2 Las tecnologías de tratamiento
Capaces de destruir el contaminante alterando su estructura química constan de los métodos de tratamiento :
a) Térmicos
b) Biológicos
c) Químicos
Estás tecnologias pueden aplicarse “in situ” o ex situ a los medios contaminados.
Las tecnologías de tratamiento usadas para la extracción y separación de los contaminantes del suelo por:
Desorsión térmica
Lavado de suelos
Extracción de solventes
171
Extracción de vapor suelo (EVS)
Tratamiento de agua subterránea por cualquier fase de separación.
Adsorción de carbón
Intercambio iónico
O alguna combinación de las tecnologias mencionadas anteriomente.
La selección e integración de tecnologías deben de utilizar los más eficientes mecanismos de transporte para lleger al esquema de tratamiento. Por ejemplo, puede moverse más aire que agua a través del suelo. Por consiguiente, para un contaminante volatíl en el suelo, que es relativamente insoluble en el agua, la EVS sería una tecnología de separación con mayor porcentaje de efectividad comparado con el flujo o el lavado del suelo. 3.2.1Las tecnologías de inmovilización.
Incluyen la establilización, la solidificación y tecnologías de contención, como colocación en un sitio de confinamiento seguro. Ninguna tecnología de inmovilización es permanente eficiente, dado que algún tipo de mantenimiento debe de ser aplicado. A menudo, se proponen tecnologías de estabilización para la remediación de sitios contaminados por metales y otras especíes inorgánicas.
Generalmente, ninguna tecnología por si sola puede remediar un sitio completo. Normalmente se combinan varias tecnologías de tratamiento para un solo sitio para formar lo que en la jerga de la ingeniería Ambiental se conoce como un “tren de tratamiento”
3.2.2.Clasificación de tecnologías
3.2.2.1Tratamiento Biológico ―In - situ.
3.2.2.1.1 Biodegradación.
La actividad de los microorgánismos (bacterias) es estimulada por la circulación de soluciónes agua / nutrientes a través del suelo contaminado para reforzar la degradación biologíca “in- situ” de los contaminantes orgánicos. Pueden utilizarse nutientes y oxigeno para reforzar la biodegradación y la desorción del contaminante de los materiales del subsuelo.
172
3.2.2.1.2 Bioventeo
El oxigeno se inyecta a la zona vadosa contaminada del suelo a través del movimiento forzado del aire (extracción o inyección de aire)para incrementar las concentraciones de oxigeno y estimular la biodegradación.
3.2.3. Tratamiento Físico- Químico “ In – situ”
3.2.3.1 Fracturamiento Neumático
Se inyecta aire prepresurizado bajo la superficie para desarrollar grietas en zonas de permeabilidad baja sobre sedimentos consolidados, abriendo nuevos pasadizos que incrementan la eficiencia de extracción muchos procesos ―in – situ‖ .
3.2.3.2 Flujo de un fluido en el suelo.
Agua que contiene un aditivo para incrementar la solubilidad del contaminante, se aplica al suelo o se inyecta en el agua subterránea para elevar el nivel freático en la zona contaminada del suelo. Los contaminantes de lixivian en el agua subterránea , la cuál se extraé y posteriormente es tratada.
3.2.3.3 Extracción de vapor del suelo
El vació se aplica a través de los pozos de extracción para crear un gradiente de presión / concentración que induce a a los volatíles de la fase gaseosa a difundirse a través del suelo hacia los pozos de extracción. Esta tecnología también es conocida como venteo del suelo ―in – situ‖, volatilización incrementada o extracción del vavió del suelo.
3.2.4 Tratamiento térmico “in- situ”
3.2.4.1 EVS Térmicamente Reforzado
La inyección de aire caliente / vapor o calentamiento eléctrico se utiliza para incrementar la movilidad de los volatíles y facilitar la extracción. El proceso incluye un sistema para manejar los gases extraidos.
173
3.2.4.2 Vitrificación “In – Situ”
Se ustilizan electrodos para aplicar energía electrica y así fundir el suelo contaminado, produciendo un vidrio y una estructura cristalina con características de lixiviacion muy bajas.
3.2.5 . TRATAMIENTO BIOLÓGICO “EX –SITU”
3.2.5.1 Composteo
El suelo contaminado se excava y se mezcla con residuduos orgánicos de madera, animales y de jardinería que se agregan para reforzar a porosidad y el volumen orgánico de la mezcla a ser descompuesta.
3.2.5.2 Tratamiento Biólogico, fase sólida controlada, labranza del suelo (Land Farming)
Los suelos excavados contaminados, son mezclados con residuos orgánicos. Los procesos incluyen camas de tratamiento preparadas, células de bio- tratamiento, montones de suelo y composteo.
Se aplica a los suelos contaminados superficialmente y periódicamente se pasa el arado, o bien se cultiva en el suelo para airear los lodos generados.
3.2.5.3 Reactores de lodos activados
Una lechada acuosa es creada para cambiar el suelo o el lodo con agua y otros aditivos. La lechada se mezcla para mantener los sólidos suspendidos y microorgánismos e contacto con los contaminantes del suelo. En la realización del proceso, la lechada es desecada y el suelo tratado es dispuesto fuera del sitio.
3.2.6 TRATAMIENTO FÍSICO – QUÍMICO “EX SITU”
3.2.6.1 Oxidación / Reducción química.
La oxidación / reducción química convierte los contaminantes peligrosos a compuestos no peligrosos o menos tóxicos que son más estables, menos móviles o inertes. Los agentes oxidantes comúnmente utilizados son:
174
Ozono
Peróxido de hidrogeno
Hipoclorito
Dioxido de cloro.
3.2.6.2 Lavado del suelo.
Los contaminantes sorbidos en las partículas finas del suelo son separados de un sistema base acuosa en función del tamaño de la partícula. El agua de lavado puede incrementarse con:
Un agente lixiviador básico
Un surfactante
Un ajuste de ph
Un agente quelatante para ayudar a remover orgánicosy metales pesados.
3.2.6.3 Extracción de vapor del suelo (EVS)
Se aplica un vacío a una red de suelo superficial para conducir por tuberías los orgánicos volátiles los excavados. El proceso incluye un sistema para el manejo de gases liberados.
3.2.6.4 Extracción por solvente.
El residuo y el solvente son mezclados en un extracto, disolviendo el contaminante orgánico en el solvente. Se colocan los orgánicos extraídos y el solvente en un separador, donde son apartados para su tratamiento y uso posterior.
175
3.2.7 TRATAMIENTO TÉRMICO “EX SITU”
3.2.7.1 Desorción térmica por alta temperatura.
Los residuos se calientan a 315 – 536° C (600 – 1000°F) para volatizar el agua y los contaminantes orgánicos, que a su vez son transportados por un sistema de tratamiento de gases.
3.2.7.2 Descontaminación por gas caliente
El proceso involucra incrementar la temperatura del suelo contaminado o material por un periodo determinado. El efluente gaseoso del material se trata de un sistema de commbustión posterior para destruir todos los contaminantes volatilizados.
3.2.7.3 Incineración
Altas temperaturas, 871 – 1204° C ( 1600 – 2000° F) son usadas para combustión ón (en presencia de oxigeno) de los compuestos orgánicos en los residuos peligrosos.
3.2.7.4 Desorción térmica por baja temperatura “Pirolisis‖
Los residuos se calientan a 93 – 538°C (200 – 600°F), para volatilizar el agua y los contaminantes orgánicos, que a su vez son transportados por un sistema de vacío al sistema de tratamiento de gases.
La descomposición química es inducida en materiales orgánicos a través del calor en ausencia de oxigeno.Transforma en materiales orgánicos en compuestos gaseosos y un residuo sólido (coke) conteniendo carbón fijo y ceniza.
3.2.7.5 Vitrificación
Se funden los suelos y lodos contaminados a altas temperaturas para formar un vidrio de estructura cristalina con características lixiviantes muy bajas.
3.2.8 OTROS TRATAMIENTOS
176
3.2.8.1 Excavación / Disposición fuera del sitio.
El material contaminado es removido y transportado para permitir el tratamiento y disposición fuera del sitio.
3.2.8.2 Atenuación natural.
Los procesos naturales superficiales tales como:
La dilusión volatizacion
Biodegradación
Adsorción y las reacciones químicas con materiales sub superficiales permitieron reducir las concentraciones del contaminante.
En la figura 2.9.1 se muestran los costos por tonelada de suelo tratado, en función al tipo de tecnología de remediación. Según la EPA en una recopilación de costos y obteniendo un promedio, el cual de presenta en la tabla.
177
Figura 2.9.1 Costos( Dólares USA) promedio por tonelada de suelo tratado, en función al tipo de tecnología de remediación.
Dentro de la Tabla 2.9.2, se presentan los diferentes tipos de contaminantes tratados por
diferentes tecnologias de remediación. Con una breve estadística del número de ellos
que fueron utilizados durante los años 2008 - 2010
Incineración en sitio. Rellenos fuera de sitio. Desorción térmica. Solidificación Tratamientos biologicos Extracción por vacío
0 100 200 300 400 500 600
USD por tonelada
* Los valores presentados son el promedio de un total de 230 proyectos aplicados para
una variedad de contaminantes biodegradables como gasolinas, lubricantes,y HAP ( EPA,
1998)
Incineración en sitio. Rellenos fuera de sitio. Desorción térmica. Solidificación Tratamientos biologicos Extracción por vacío
0 100 200 300 400 500 600
USD por tonelada
* Los valores presentados son el promedio de un total de 230 proyectos aplicados para
una variedad de contaminantes biodegradables como gasolinas, lubricantes,y HAP ( EPA,
2010)
178
2.9.2 Tipos de contaminantes tratados por diferentes tecnologías de remediación
Tecnología COV COV - H COS COS H BTEX HAP H/P BPC METALES Totales
Biológicas
Bioremediación 25 19 39 8 38 42 28 1 2donde a
202 Fitoremediación 0 3 0 0 2 0 1 0 1 7
Fisico químicas
TQ 2 3 0 4 1 1 3 3 8b
25
RE 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1
Aireación 0 4 0 1 1 0 0 0 0 6
Innundación 5 8 5 4 6 3 1 0 4 36
EV 31 171 25 24 91 12 2 2 0 358
Lavado 0 0 1 1 0 1 1 1 3 8
S / E 11 15 13 35 7 11 12 30 155 289
ES 1 2 1 3 0 1 0 3 0 11
Térmicas
DT 12 29 13 20 20 14 9 12 0 129
Incineración 23 48 37 63 29 22 32 38 2c
294
Vitrificación 0 2 0 2 1 0 0 1 0 6
Total de proyectos
110 305 134 165 196 107 89 91 175
TQ: tratamiento térmico; RE: remediación electrocinética; EV: extracción de vapores; S / E: solidificación / estabilización; ES: extracción de solventes;DT: desorción térmica.
COV: compuestos orgánicos volátiles; COV- H: COV halogenados; COS: compuestos orgánicos semi- volátiles; COS-H; COS halogenados; BTEX: benceno, tolueno, etilbenceno, xilenos; HAP: hidrocarburos aromáticos policíclicos; H / P: herbicidas y pesticidas orgánicos; BPC: bifenilos policlorados.
a Biorremediación de cromo hexavalente: redducción del Cr (VI) a Cr(III)
b Reducción química de Cr(VI) a Cr (III)
c
Incineración de compuestos orgánicos (alta temperatura), con recuperación de metales de Pb o Hg.
Fuente: EPA (2010)
179
Glosario
A Abonos. Sustancias orgánicas que se agregan al suelo de cultivo para
mejorar su productividad agricola. Acrisol. Suelos con horizontes A órico ó úmbrico y B argílico muy pobres
en nutrientes. Adecuados para la explotación forestal: también se pueden dedicar a actividades agropecuarías, aunque su elevado costo de fertilización y en calado es muy elevado.
Acrisol ferríco. Suelos con mínima capacidad para retener agua y
nutrientes. De productividad baja, ya que requiere de fertilización baja. Acrisol gléyco. Suelos con horizonte gléyco, inaprovechables o de
profundidad muy baja. Acrisol húmico. Suelos con elevado contenido de materia orgánica. Sólo
con inversiones elevadas y constante fertilización y encalado resultan productivos, especialmente en praticultura,
Acrisol órtico. Suelos sin ninguna propiedad especial, salvo las descritas
para el grupo. Acrisol plíntico. Suelos con horizonte plíntico, inaprovechables o de
productividad muy bajas. Actinomicetos. Grupo de microorganismos del suelo que producen
filamentos anastomosados, parecidos en algunos aspectos a los hongos, pero que en cuanto a tamaño se asemejan a más a las bacterias.
Acuíferos. Formaciones de rocas que permiten que el agua pase a través
de ellas, y almacenarla en condiciones normales, y son capaces de suministrarla por gravedad o por bombeo.
Adsorción. La adherencia de sólidos disueltos coloidales, o finamente
divididos, a la superficie de cuerpos sólidos con los que entran en contacto. Agregación. Proceso mediante el cual las partículas se agrupan, dando
lugar a unidades distintivas y características. Agregado. Grupo de partículas del suelo unidas entre si , de modo que
forman un unidad desde el punto de vista mecánico. Partícula compleja del suelo.
Agua aprovechable en los suelos. Parte del agua en el suelo que puede
ser tomada por las plantas en cantidades importantes para su desarrollo: agua usable, disponible.
180
Agua capilar. La retenida en los poros por tensión superficial y que se
mueve como resultado de las fuerzas capilares. Agua cautiva. La que se acumula en cavidades naturales o entre estratos
de la corteza terrestre, sometida a la presión de los gases, y que brota violentamente cuando estas cavidades se ponen en comunicación con el exterior.
Agua de adhesión. Es la que se encuentra, además de la higróscopica
absorbida por la fracción coloidal del terreno en forma de película y que rodea a las partículas , pero que no puede moverse libremente.
Aguas arriba. Es la dirección contraria al curso del del río, por oposición
a aguas abajo. Agua de gravedad. La que se encuentra en exceso en el suelo y fluye
libremente por la influencia de la gravedad. El agua contenida por los espacios vacíos del suelo que se drena por gravedad o por libre escurrimiento.
Agua de infiltración. La de precipitación que se filtra por las capas
permeables del suelo y alimenta el agua subterránea. El proceso capilar retarda el movimiento del agua hacia abajo. Capilaridad.
Agua disponible en los suelos. La parte del agua del suelo que puede
ser tomada por las plantas en proporciones significativas para su desarrollo: la que se puede usar y obtener para este fin.
Agua en el suelo. El agua en el suelo se encuentra en las siguientes
formas:agua de gravedad, agua capilar externa, agua capilar interna, agua higróscopica, o de composición.
Agua freática. Agua que llena todas los intersticios o partes de
determinada profundidad del suelo. Agua higróscopica. La que esta presente en un suelo secado al aire.
Hilgard la define más exactamentecomo la cantidad de agua que un suelo seco puede absorber de una atmósfera saturada , a una temperatura uniforme a 15 ° F.
Aireación del suelo. Proceso en virtud del cual ocurre la renovación del
aire y otros gases en el suelo. El grado de aireación depende principalmente del tamaño y numéro de espacios vacíos del suelo y de la cantidad de agua que contengan.
Alcanización. Proceso debido al cual se incrementa el contenido de
sodio intercambiable del suelo. Alcalino. Término químico que se refiere a la reacción básica cuyo pH es
superior a 7, en contraste con la reacción ácida, cuyo pH es menor quede 7.
181
Alud. Deslizamiento cuesta debajo de una masa del suelo, roca y residuos. Masa de material que se desliza cuesta abajo.
Alúmina. La alúmina (óxido de aluminio) se encuentra extensamente
distribuida en la la naturaleza, especialmente formando arcillas: está presente en pequeñas cantidades en la roca fosfórica, junto con porciones menores de compuestos de hierro y otras impurezas.
Aluvial. Terreno compuesto de aluviones, en su doble acepción de
avenida de agua fluvial y de los depósitos que las mismas acarrean. Por lo tanto, se refiere alas llanuras y margenes de los ríos y. por extensión, a la más reciente de las formaciónes geológicas.
Aluvión. Arena, arcilla rocas y otros sedimentos depositados en la tierra
por las corrientes . los aluviones antiguos constituyen los grandes valles y terrazas: los aluviones recientes forman el lecho de los ríos.
Amortiguadores. Sustancias del suelos que actúan químicamente para
resistir los cambios en la reacción o pH. Andosol. Suelos derivados de cenizas volcánicas recientes muy ligeros y
con alta capacidad de reetención de agua y nutrientes: por su alta susceptibilidad a la ersión , así como por la fuerte fijación de fósforo que presentan, se deben de destinar a la explotación forestal.
Arcilla. Roca sedimentaría constituida principalmente por silicatos
hidratados de aluminio que con frecuencia contienen partículas diminutas de otros minerales, es plástica y al mezclarse con el agua forma una pasta moldeable.
Arcilla coloidal. Fracción de la arcilla con propiedades coloidales, cuyo
diámetro es inferior a una micra. Arcilla gris tropical. Arcilla calcárea o no, de sabanas tropicales. Arcillo compactum. Horizonte compacto, poco permeable, rico en
narcilla y separado más o menos toscamente de la capa superior del suelo. Los arcillo – compactum son comúnmente duros cuando se secan y plásticos cuando se humedes en, en un horizonte de acumulación no cementado que se suavisa cuando se moja.
Área Protegida. Parcela de terreno separada y cercada, o de otro modo
protegida, para mantener el ganadfo fuera de ella, impedir el pastoreo o evitar que se use para otros fines.
Arenosol. Suelos de textura gruesa y de baja capacidad para retener
nutrientes. Exclusivamente pratículay de muy baja producción.
182
Aridez . Sequedad del suelo por falta de precipitación, A. Pnck introdujo el concepto de límite de a, para designar la línea en que el volumen de las precipitaciones y la evaporización son iguales.
Aridosoles. Sedefinen simplemente como los suelos de regiones áridas,
queriendo significar con esto, que el regimen climático en el cual se forman , se caracteriza por una evaportranspiración que excede a la precipitación durante la mayor parte del añoy, por consiguiente, no percola agua a través del suelo.
Autotrofo. Vegetal que se puede alimentar por sí mismo, sintetizando por
medio de la fotosíntesis o de la quimiosíntesis, partiendo de las sustancias orgánicas e inorgánicas.
Avenamiento . Extracción del exceso de agua superficial o exceso de
agua en el interior del suelo, por medio de drenes superficiales o subterráneos. Procedimiento para eliminar del suelo el agua de percolación.
Avenida. Creciente impetuosa de un río o arroyo formada con los
escurrimientos superficiales de las aguas de lluvia recogidas en sus cuencas. Azolve. Deposición de sedimentos transportados por el agua,
principalmente de limos en lagos, depósitos, canales o zonas inundadas. Depósitos formados por materiales sedimentados, sin importar su origen.
B Bacterias del suelo. Microorganismos que puden vivir libres o en
simbiosis con plantas superiores.Algunas fijan el nitrógeno de la atmósfera al suelo (autotrofas) y otras degradan la materia orgánicacontenida en el suelo.
Bactericida . Cualquier agente o sustancia que destruye bacterias. Bad – lands. (tierras malas). Región árida y elevada surcada por
numerosas barrancas bastante profundas causadas por aguaceros torrenciales que ocasionalmente caen en esas regiones. La escasa precipitación es insuficiente para mantener una cubierta vegetal continua. Por efecto de la desigual resistencia de las rocas se forman columnas altas y plataformas en las tierras de sus alrededores.
Bolsón. Cuenca llana , despertica. En México se aplica este término a
grandes cuencas hidrográficas cerradas en las zonas desérticas del Norte que forma depresiones del suelo, como el bolsón de Mapimí. Fondo plano de un valle desierto que desagua en una llanura central de evaporación o en playa.
C Cal. El término cal o cal agrícola por lo general se aplica a la roca caliza
molida (carbonato de calcio) o cal calcinada (óxido de calcio), con o sin mezclas de carbonato de magnesio, hidróxido de magnesio u óxido de magnesio.
183
Caliche . Carbonato de calcio y otras sales, en la superficie o en los
materiales superficiales de regiones arídas. Este depósito se constituye como resultado de la evaporación del agua que remontó a la superficie, llevando las sales disueltas.
Calidad de suelo. El atributo de un suelo que no puede ser visto o
medido directamente tomando en cuenta sólo a él: pero la cual se ifiere de sus características y comportamiento en condiciones definidas. Ejemplos de calidades son la fertilidad, la productividad y la erosionabilidad.
Cambisol. Suelo de horizonte A ócrico úmbrico y B cámbico. El uso a que
se puede destinar se describe en cada uno de los sub gruopos. Caolín. Arcilla pura, de color claroque resulta de la descomposición de los
feldespatos por efecto de la hidratación. Capacidad de campo. Cantidad de humedad que se queda en el suelo
después de que el agua no aprovechable ha sido drenada hacia las capas inferiores del suelo. Generalmente se expresa como el porcentaje de suelo secado a la estufa o en otra unidad conveniente: es la cantidad máxima de humedad que puede contener el suelo en condiciones de drenaje libre, después de una lluvia o un riego que ha humedecido todo el suelo. En suelos permeables de textura media esto ocurre aproximadamente dos o tres días después de una lluvia o un riego.
Capacidad de intercambio catiónico. Medida de la cantidad total de
cationes intercambiablesque puede ser retenida por el suelo. Se expresa en términos de miliequivalentes por 100 gramos suelo al estado neutro (pH 7) o algún otro valor establecido en dicho pH.
Capilaridad. Facultad que tiene un material para absorber un líquido por
penetración en sus poros la acción de la tensión superficial del líquido y de retenerlo en eseguida. La capilaridad es uno de los procesos que provocan la higroscopicidad.
Características físicas del suelo. ―Cualidades, propiedades o factores
que pueden servir para establecer el carácter del suelo‖ las cuales son: Color Textura Consistencia Esqueleto grueso
Estructura Permeabilidad
Características químicas del suelo. Las más importantes son: acidez,
contenido de carbonatode cal, riqueza en fertilidad o fertilizantes y concentración de sales solubles.
Cárcava. Surco, canal o pequeña garganta que forman las aguas
circulantes por donde éstas corren durante y después de las lluvias o durante los deshielos.
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Catena Sucesión de tipos de suelos, desde cualquier punto alto hasta el
fondo de un valle o de una planicie, variando de acuerdo a su posición topográfica independientemente de su origen. Esto significa que el perfil de una catena puede estar representado por suelos aluviales, coluviales, residuales etc.
Catión. Ion que lleva carga positiva de electricidad. Los cationes comunes
del suelo son calcio, magnesio, sodio, potasio e hidrogeno. Cationes monovalentes. Iones que tienen una sola carga positiva: con
respecto a su estado neutro, les falta un electrón. Clase de suelo. Se entiende por clase de suelo para una superfície
determinada, la combinación de los factores: tipo de suelo grado de pendiente y grado de erosión.
Clase textural del suelo. Gruesa. Se refiere a suelos de textura arenosa
de muy baja retención de agua y nutrientes, y con un drenaje interno excesivo. Se utiliza en la agricultura; es recomendable agregarles abonos verdes o estiércol a fin de mejorar sus propiedades físicas. En caso de presentar fases salinas y sódicas, o ambas, su remediación es sencilla mediante lavados y aplicación de mejoradores. Media. Se refiere a suelos de textura franca o limosa , con retención de agua y nutrientes moderada. Drenaje interno eficiente y de fácil manejo si se usa en la agricultura; requiere fertilización según la unidad de suelo que la presente. Son suceptibles de salinizarse y de sodificarse, en cuyo caso la remediación mediante lavado y adición de de mejoradores es más lenta y costosa. Fina. Se refiere a suelos de textura arcillosa, con retención de nutrientes y agua, baja o alta según el tipo de arcilla, drenaje interno lento de difícil manejo, especialmente los que son arcillosos, pesados y agrietables; si se destinan a la agricultura, requieren de un contenido de humedad estable que no permitan que se sequen o inunden en áreas de riego. En áreas de temporal y suelos agrietables es recomendable la introduccipón de pastos forrajeros a la de cultivos agrícolas; estos suelos son suceptibles de salinizarsey sodificarse si se riegan con agua de mala calidad.
Clima de suelo. Condiciones de humedad y temperatura existentes
dentro del suelo. Coeficiente de marchitamiento. Define el contenido de humedad de un
suelo, secado en estufa de laboratoro, en el cual las plantas se marchitan y no recobran su turgencia cuando se colocan en una atmósfera húmeda.
Coeficiente higroscópico. Cantidad de agua absorbida por un suelo en
condiciones específicas. Cohesión. Tendencia de las partículas de arcilla a mantenerse
aglomeradas, debido probablemente a la atracción desarrollada entre las moléculas de agua conductoras de iones intercambiables. Generalmente es la propiedad de las partículas sólidas de unirse entre sí, para formar agregados.
185
Coloidal. Partículas menores de 2 micras de diámetro (micra es la milésima parte de un milímetro). Sólidos finamente divididos que no se pueden asentar o eliminar sino por coagulación o por acción bioquímica.
Congelamiento y deshielo. Provocan la fragmentación de las rocas lo
cual conduce al desarrollo de áreas extensas de piedras con fragmentos angulares, en la áreas polares tiene como consecuencia el deslizamiento considerable de suelos.
D Desplazamiento. La participación de la flora y la fauna del suelo en la
conservación del equilibrio biológico de la naturaleza, puesto que sin ella los residuos de las plantas y animales llegarían a formar grandes acumulaciones
E Estructura: esta dada por las disposición que adoptan las partículas del
suelo (o del subsuelo) para formarlo. Las estructuras primarias se unen para formar estructuras secundarias, los aglutinantes son coloides que pueden ser compuestos producidos por microorganismos
Expansión y contracción. La contracción es el proceso más importante,
ya que ocasiona la formación de grietas anchas y profundas que causan el estiramiento de las raíces de las plantas. Durante la expansión se desarrollan altas presiones dentro de los suelos, causando la ruptura y deslizamiento de bloques y la formación de terrones con caras lisas denominados slickensides.
F Formación de arcillas. La descomposición de los minerales individuales
dependen principalmente del clima, y consecuentemente los productos de su descomposición varían de un lugar a otro. Por ejemplo los feldespatos pueden ser transformados a mica en climas fríos, a caolinita en climas cálidos y moderadamente húmedos.
Fosfatos. Minerales de aspecto semejante al de las rocas calizas, siendo
los más importantes la apatita y la fosforita, tanto desde el punto de vista geológico como del aspecto económico, ya que sirven para obtener superfosfatos, utilizados en la agrícultura.
Fósforo asimilable. Las clases de iones fosfatados contenidos en el
suelo, varian de acuerdo con el pH.
H Hidratación: Penetración de agua en las rocas, facilitada por la
permeabilidad o por la existencia de fisuras en las mismas. La hidratación provoca en las rocas un aumento de volumen; las aguas que circulan en el interior de ellas se pueden considerar el factor más importante en la
186
descomposición química. Acción y efecto de combinarse con los elementos que las rocas contienen.
Hidrólisis. Participa en la transformación de los minerales y en la
formación del suelo, actúa en la sustitución de los cationes de Ca, Na, y K existentes en la estructura de los silicatos primarios por iones hidrogeno presentes en la solución del suelo. Los productos de la hidrólisis se encuentran listos para ser adsorbidos por las plantas o removidos por el agua que fluye a través del suelo.
Humedad: La diferencia de los horizontes está determinada en gran
parte por el movimiento de la humedad y, por lo tanto, dicho fenómeno tiene mucha importancia. La solución del suelo puede considerarse como el principal medio de transporte de los iones y de las pequeñas partículas del mismo.
La humedad que penetra en el suelo es el agua en forma de lluvia o nieve, la cual contiene cantidades apreciables de CO2 disuelto.
Humificación. Descomposición de la materia orgánica que involucra a
varios organismos tales como los hongos, bacterias, actinomicetos, lombrices y termitas. El proceso se desarrolla en un lapso de 7 a 10 años.
Al principio se descomponen compuestos simples como azucares y almidones; luego las proteínas, celulosa y hemicelulosa y finalmente los compuestos mas complejos como los taninos.
J Jales. Residuos producto de el proceso minero – metalurgíco.
L Ley. Cantidad de metal por tonelada, el Oro y Plata se mide en gramos
por tonelada, el Cobre, Plomo, Zinc, Cadmio, Hierro y se mide en gramos por tonelada.
M Macroporos. Espacios vacíos del suelo, no capilares, de los cuales el
agua se drena por gravedad, contrariamente a lo que ocurre en los microporos que la retienen debido a la capilaridad. Los suelos arcillosos, no granulares, tienen condiciones opuestas.
Mantillo. Humus crudo; tipo de capa de humus forestal de materia
orgánica no incorporada, generalmente en greña, compacta, o bien en ambas formas, distintas del suelo mineral, a menos que éste se halle ennegrecido por la propia materia orgánica. Materia orgánica, parcialmente descompuesta, de la capa superficial de los suelos forestales.
Material de origen. Material no consolidado a partir del cual se forma el
suelo. Material mineral no consolidadoy con cierto grado de alteración química, a partir del cual pueden formarse los suelos por síntesis. La masa no consolidada de material rocoso del cual se ha formado el perfil del suelo.
187
Material parental. También llamado “roca madre”, es todo material
inorgánico u orgánico, o mezclas de ambos, consolidados o sin consolidar que contribuyen a la formación del suelo, por medio de los procesos químicos, físicos y biológicos de alteración o intemperización de los mismos.
Meandro. Denominado así por el río turco Menderes, es una sinuosidad
regular descrita por el lecho ordinario o, lo que es lo mismo, un trazado fluvial que se aparta, sin motivo aparente, de su dirección de escorrentía, par volver a ella después de describir una curva pronunciada. La orilla cóncava, socavada por la corriente, es abrupta, mientras que la orilla convexa es de pendiente suave.
Meteorización. Los cambios físicos y químicos producidos en las rocas y
en los minerales por agentes atmosféricos. Mejorador de suelos ácidos. El principal mejorador que se urtiliza para
neutralizar la acidez en los suelos es: la cal. Micorriza. Se da este nombre a la asociación de ciertos hongos con
plantas fanerógramas, en cuyas raíces viven aquéllos, formando tejidos que se diferencian de los verdaderos tejidos radiculares. La asociación resulta benéfica para ambas especies y en ocasiones es tan estrecha que algunos árbosles resultan micorrínicos obligados, es decir, que no son capaces de vivir independientementemente.
Microorganismos: Los predominantes son las bacterias, actinomicetos,
algas y hongos. La distribución de los microorganismos en los suelos se determina principalmente por el abastecimiento de alimentos y por lo tanto existen en mayor número en el horizonte superficial, el cual es una masa con gran actividad biológica.
Mesofauna: Esta relacionada principalmente con la ingestión y
descomposición de la materia orgánica. Además muchas lombrices, termitas y milpiés ingieren tanto materia orgánica como mineral y, por lo tanto, su materia fecal es una mezcla homogénea de estas sustancias.
Miliequivalente. Un miligramo de hidrógeno o la cantidad de cualquier
otro ion que se combine con él o lo desplace, Referido a los suelos, los miliequivalentes se expresan generalmente sobre la base de 100 gramos de suelo seco.
Minerales. Cuerpos homogéneos de origen natural que componen la
corteza terrestre, fruto de uniones químicas o de distintos elementos. La mayor parte de los minerales conocidoshasta ahora, más de 3,000, se encuentran en forma cristalina, y sólo unos pocos son amorfos. Las acumulaciones de materiales con rendimiento económico se denominan yacimientos.
Migajones. Expresion general que se emplea para designar suelos de
textura intermedia entre los arenosos de textura gruesa por una parte y los arcillosos de textura fina por otra.
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O Organismos: Prácticamente todos los organismos que habitan en la
superficie de la Tierra o dentro de los suelos, afectan el desarrollo de los mismos de uno u otro modo. Los organismos pueden agruparse de la siguiente manera: plantas superiores, vertebrados, microorganismos, mesofauna
Oxido-reducción. Conviene considerar estos dos procesos
conjuntamente debido a que uno es inverso al otro.
P Plantas superiores: Influyen en el suelo de muchas maneras. Al
extender sus raíces en la tierra la aprisionan, evitando la erosión, siendo los pastos especialmente efectivos para ello. Algunas veces cuando las raíces de las plantas penetran en las grietas de las rocas, llegan a fragmentarlas. Cuando las plantas mueren sus raíces se descomponen y dejan una red de túneles por donde el agua y el aire circulan con mayor facilidad. Una de las principales contribuciones de las plantas superiores es su producción de materia orgánica o humus en la superficie.
Planta de beneficio. Es la fábrica donde se procesan los minerales, para
obtener un concentrado.(Cianuración, flotación, Beneficio de patio, Mesas wifley, concentración gravímetrica, jigs.)
Porosidad: Es definida como el espacio poroso de un suelo o subsuelo,
expresado como porcentaje. Porosidad efectiva: Porcentaje de espacio poroso interconectado.
S Solución. Solo algunas sustancias encontradas en los suelos son
solubles en agua y ácido carbónico.
T Tiempo. La formación de un suelo es proceso muy largo que requiere de
miles y hasta millones de años, además cambian con el tiempo y sufren un envejecimiento.
Dado que esto representa un tiempo mucho mayor que la vida de un individuo, es imposible hacer afirmaciones categóricas sobre las diversas etapas de desarrollo de los suelos.
No todos los suelos se han desarrollado durante el mismo periodo, pero la mayoría de ellos iniciaron este desarrollo en diferentes épocas de los últimos cien millones de años. Algunos horizontes lo han hecho antes que otros, especialmente los superficiales, que solo pueden tardar solo unas décadas para transformarse en depósitos no consolidados. Los horizontes requieren una
189
meteorización considerable de la roca, pueden tardar más de un millón de años para su formación.
Terrero. Material extraído para llegar al cuerpo mineralizado, sin valor
económico. Minería. Textura: El por ciento de arena, limo y arcilla que forman el suelo
determina la textura del suelo. Topografía. Incluye las grandes cadenas montañosas y a las planicies
desprovistas de geóformas sobresalientes, las cuales dan la impresión de una estabilidad notable. Sin embargo, esto no sucede realmente, ya que las rocas están en constante transformación debido a la meteorización y a la erosión (Plaster, 2000). La topografía influye en la evolución del suelo principalmente alterando el movimiento del agua. Las características topográficas son producidas por tres procesos principales. Los tectónicos (perturbaciones en la corteza), la erosión y la depredación.
Transferencia. Muchos procesos relacionados con la formación de
suelos y diferenciación de horizontes están vinculados principalmente con el movimiento, reorganización y redistribución en los dos primeros metros, aproximadamente de la corteza terrestre.
Transformaciones de Nitrógeno. Procesos que intervienen en la
transformación del Nitrógeno son -la amonificación que es el proceso mediante el los compuestos de plantas y animales se descomponen y forman amonio, -la nitrificación transforma a nitrito y luego a nitrato siendo efectuada esta etapa por microorganismos específicos y la fijación proceso mediante el cual el nitrógeno atmosférico es utilizado por las bacterias del suelo en formación de proteínas de sus propios organismos las bacteria fijadora son Azobacter, Clostridium, Pasteurianium, Beijerinckia
V Vertebrados: Algunos mamíferos incluyendo los conejos, topos y perros
de pradera, cavan profundamente dentro del suelo, lo cual ocasiona una mezcla considerable del mismo y frecuentemente acarrean del subsuelo a la superficie.
Z Zeolita. Compuesto químico, natural o artificial que fácilmente cambia su
composición de acuerdo con la concentración de sustancias químicas en solución con las que está en contacto. Tiene infinidad de usos: ablandamiento de agua, fertilizante, remediación de suelos, deserticos o degradados.
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Lecturas complementarias Se anexa tres lecturas complementarias para que los educandos las lean
de la siguiente manera: Una lectura para cada parcial y la entrega de un ensayo para la
evaluación. Objetivo: Que el estudiate se habitúe a la lectura de textos científicos y
aprenda a analizar, resumir y sintetizar . “La zeolita”, Una piedra que hierve. Autores: Pedro Bosch, Isaac
Schifter Editorial: Fondo de Cultura Económica, Colección ―La ciencia para
todos‖/55. Las arcillas: El barro noble. Autores: José Manuel Domínguez,
Isaac Schifter. Editorial: Fondo de Cultura Económica, Colección ―La ciencia para todos‖/
109. “La destrucción de la naturaleza” Autores: Carlos Vázquez
Yanes, Alma Orozco Segovia.
Editorial: Fondo de Cultura Económica, Colección ―La ciencia para todos‖/83.
193
INDICE DE TABLAS Tabla 1.2.1.. Clasificación de la materia orgánica del suelo, según el método de Walkley-Black ............................................................................................ 13 Tabla 1.1.2 Valores de relación C/N .......................................................... 14 Tabla1.1. 2.7.1 Poblaciones del suelo. ...................................................... 19 Tabla tabla 1.1.2.8.1 Sistemas de los componentes del suelo ................ 20 Tabla 1.1.2.13.1Cálculo de la normalidad de la solución de líquido percolado ................................................................................................................... 31 Tabla 2.17.1 Parámetros adimencionales .................................................. 46 Tabla2.1.4.1 Criterios USDA E ISSS (Reynoso, 1984). ............................. 63 Tabla 2.1.4.4.1. Densidad real de distintos constituyentes del suelo (Honorato, 2000). ......................................................................................................... 68 Tabla 2.1.7.1. Propiedades del suelo ......................................................... 72 Tabla 2.1.9.6.1. Comportamiento de tres suelos. ...................................... 84 Tabla 2.1.16.3.1. Características de un suelo salado ................................ 129 Tabla 2.1.16.8.1. Contenido salino del suelo. ............................................ 132 Tabla 2.3.1 Cantidad de muestra recomendada según el tipo de análisis. 159 Tabla 2.3.2.1 Ejemplos de tipos de etiquetas. ........................................... 159 Tabla 2.3.4.1 Relación entre la intensidad , la escala, y la exactitud en un levantamuiento de suelo (FAO, 1997). ................................................................................ 161 Tabla 2.3.4.2 Representación esquematica de un levantamiento de suelos (Ortiz y Cuanalo, 1981) ............................................................................. 164
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INDICE DE FIGURAS Figura 1.1.1 Algunas interacciones de contaminantes entre el aire y el suelo .. 8 Figura 1.1.2 Algunas interacciones de contaminantes entre los sistemas del agua y el suelo. ................................................................................................. 9 Figura 1.1.2.1 Bosque ....................................................................................... 15 Figura 1.1.2.2.4 Presencia de materia orgánica ............................................... 17 Figura 1.1.2.6.1 Descomposición de la materia orgánica ................................. 19 Figura 1.1.2.9.1hojas de Aluminiode arcillas minerales .................................... 21 Figura 1.1.2.9.2 Distribución dimensional de cationes a un solo lado de una partícula de arcilla. .............................................................................................................. 22 Figura 1.12.13.1 El volumen de suelo necesario para intercambiar 1 litro de líquido percolado .......................................................................................................... 32 Figura 1.1.2.14.1 Esquema en donde se muestra el mecanismo del intercambio catiónico. ........................................................................................................... 34 Figura 1.1.2.17.1 La evolución de la zona de transición con el tiempo ............ 43 Figura 1.1. 2.17.3 Coeficiente de dispersión. .................................................... 48 Figura 1.1.2.17.2. Fuerzas que actúan sobre la partícula que se sedimenta a
través de aire o agua. La fuerza de gravedad F g va en dirección hacia abajo, es contrarrestada por la fuerza de fricción FD. ................................................. 51 Figura 2.1.3.3.1. Foto de la carpeta que contiene las cartas de Munsell. ......... 60 Figura 2.1.3.3.2 . Esquema del sistema empleado por Munsell para determinar. .......................................................................................................................... 61 Figura 2.1.3.3.3.- Empleando el esquema de la figura 2.3.3.2 , aplicando colores y mostrándolos en forma sólida. ........................................................... 61 Figura 2.1.4.1. Triángulo de Textura (Plaster, 1997). ....................................... 65 Figura 2.1.5.3.1. Relaciones básicas entre los componentes del suelo (Llorca. 2004). ................................................................................................... 67 Figura 2.1.5.4.1. Esquema que muestra la diferencia entre densidad real, bulk density, y la densidad aparente. ....................................................................... 70 Figura 2.1.6.1. Matriz del suelo ......................................................................... 70 Figura 2.1.6.2 Tamaño de partícula. 70 Figura 2.1.6.3. Las raíces y pelos radiculares crecen entre las partículas del suelo. ................................................................................................................ 71 Figura 2.1.6.4. El sistema del suelo .................................................................. 72 Figura 2.1.8.4.1. Ejemplo de estructura laminar. .............................................. 77 Figura 2.1.8.4.2. Ejemplo de estructura prismática. .......................................... 77 Figura 2.1.8.4.3. Estructura columnar. ............................................................. 78 Figura 2.1.9.3.1. Dispositivo de Darcy. Consiste en un cilindro lleno de arena por el que circula agua en régimen saturado. ................................................... 81 Figura 2.1.9.6.1. Permeámetro de carga constante .......................................... 84 Figura 2.1.9.6.2. Permeámetro de carga constante .......................................... 84 Figura 2.1.9.6.3 Permeámetro de carga variable ............................................. 85 Figura 2.1.9.6.4. Permeámetro de carga variable ............................................. 85 Figura 2.1.10.3.4.1. Se muestran partículas de suelo cubiertas por la capa de agua higroscópica y el contenido de agua capilar entre las paredes del suelo. .......................................................................................................................... 88 Figura 2.1.10.7.1 Se presentan cuatro estados de humedad en el suelo. ....... 90
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Figura 2.1.12.2.1. Ciclo del fósforo ................................................................... 89 Figura 2.1.12.2. 2.- Ciclo del fosforo ................................................................. 98 Figura 2.1.12.2.3 Ganancias y pérdidas del fósforo en el suelo. 99 Figura 2.1.12.5.1. Formas del Fósforo ............................................................104 Figura 2.1.13.5.1. Ciclo del calcio en suelos ...................................................109 Figura 2.1.13.5.2 ibidem ................................................................................110 Figura 2.1.14.2.1. Dinámica entre las diferentes formas de K en el suelo. .....113 Figura 2.1.14.2.1. Proceso de difusión en el suelo. ........................................113 Figura 2.1.15.10.1 Esquema en donde se muestra el mecanismo del intercambio catiónico. .....................................................................................125 Figura 2.1.15.10.1 Esquema en donde se muestra el mecanismo del intercambio catiónico. .....................................................................................127 Figura 2.1.16.2. Rangos de pH en la disponibilidad de nutrientes para la planta y en solubilidad de otros elementos en el suelo.............................................128 Figura 2.1.16.8.1. Sistema de drenaje. ...........................................................134 Figura 2.1.16.8.2 Red de evacuación. ............................................................134 Figura 2.2.1 Preguntas que se deben de contestar durante el diseño de un muestreo .........................................................................................................148 Figura 2.2.2 Diagrama de flujo para el diseño de una estrategia de muestreo se suelos ............................................................................................................. ........................................................................................................................153 Figura 2.9.1 Costos ( Dólares USA) promedio por tonelada de suelo tratado, en función al tipo de tecnología de remediación. ...........................................173
