1.23: Suelos

Si las personas tuvieran una vida más larga y una perspectiva más amplia apreciarían más que los suelos (Figura 1) son seres vivos y que demuestran muchas de las propiedades que asociamos con los organismos. Son entidades dinámicas que se desarrollan a través del tiempo de manera ordenada y predecible y se caracterizan por una serie de procesos que involucran transformaciones de materia y energía. Sin embargo, no tienen límites en el espacio ni en el tiempo y, como no son discretos, no se reproducen. En un sentido ecológico, son comunidades que poseen una variedad de componentes vivos que colectivamente, en conjunto con procesos físicos, llevan a cabo una variedad de funciones. Los observadores suelen considerar que los suelos son un medio abiótico en el que crecen los organismos, pero las acciones de los organismos en el suelo suelen estar tan entrelazadas con los procesos físicos que allí ocurren que no tiene sentido tratar de separarlos, aparte de reconocer que la importancia relativa de las actividades de organismos en el suelo vs. los procesos físicos varían mucho entre diferentes tipos de suelos.

Fi g. 1 Antigo, el suelo estatal de Wisconsin. Tenga en cuenta las capas (en color, otras características además del color también están en capas). La estratificación es una consecuencia de procesos bióticos y abióticos.

Si bien la mayoría considera que los suelos son un conjunto de escombros (es decir, 'suciedad'), los suelos se entienden mejor si se consideran compuestos por los cuatro elementos básicos que los griegos y otras culturas describieron: tierra, aire, agua y fuego. La tierra es un material sólido, derivado tanto de fuentes inorgánicas, en última instancia roca, como de fuentes orgánicas, piezas de material que se derivan de seres vivos. El agua impregna el suelo ya que sus propiedades adhesivas aseguran que se adhiere a todas las partículas. Dependiendo de la cantidad de agua, el aire impregna el suelo en mayor o menor medida. Y finalmente, el fuego del suelo son los seres vivos, en su mayoría pequeños y muy dominados por hongos y bacterias pero también incluyendo una variedad de invertebrados, protistas, vertebrados ocasionales y una población dinámica de raíces vegetales. Los cuatro componentes son de vital importancia para las plantas: el material sólido es la fuente definitiva de la mayoría de los nutrientes y proporciona superficies donde ocurren eventos significativos; el agua es necesaria para todas las plantas y también es el medio del que obtienen los nutrientes; el aire proporciona el oxígeno que las plantas y muchos otros seres vivos en el suelo requieren; los seres vivos en el suelo llevan a cabo una variedad de procesos significativos para las plantas, en particular, la degradación de moléculas grandes en unidades que pueden disolverse en la solución y estar disponibles para las plantas. Cada uno de estos cuatro componentes, tierra, agua, aire y fuego, interactúa con los demás: los seres vivos cambian la composición del gas, la composición del gas afecta a los seres vivos; el agua se mueve y organiza la fase sólida; la fase sólida controla el contenido de agua; los componentes sólidos cambian la química del agua; la química del agua puede sumar o restar a la fase sólida. Los suelos son una red de interacciones, y si bien los componentes se pueden enumerar, el conjunto es mucho más que la suma de las piezas y las funciones del suelo son difíciles de atribuir a componentes específicos.

Las D de la suciedad: hechos, dinámicos, diversos

Biólogos (¡y no biólogos!) deben ser conscientes de tres aspectos clave de los suelos: qué hacen: sus acciones; cómo son dinámicos y cuán diversos son.

TEMAS

• Las escrituras del suelo — lo que pueden hacer los suelos
• Dinámica del suelo: cómo y por qué cambian los suelos
• Diversidad de suelos

escrituras

¿Qué hacen los suelos? Mucho más de lo que podemos enumerar aquí, pero algunos de los más importantes para organismos, poblaciones y comunidades son: retener agua, retener nutrientes y cambiar la química del agua en el suelo.

Los suelos contienen agua, por lo general cantidades muy significativas de agua, y esto mejora enormemente las posibilidades de vida fuera de océanos, lagos y ríos. Si bien algunos seres vivos existen en áreas sin suelo (es decir, sobre roca desnuda), sus actividades están fuertemente moduladas por la disponibilidad de agua, y el agua solo está disponible cuando está lloviendo y por un corto período posterior. A menos que la lluvia sea frecuente, la actividad de los seres vivos es limitada porque los organismos requieren de agua y cuando no está disponible deben apagarse, volviéndose inactivos y con ello capaces de tolerar las condiciones secas. En contraste, un suelo retiene y almacena agua, prolongando en gran medida el tiempo que el agua está disponible para los seres vivos y haciendo posible una vasta diversidad de estilos de vida y organismos que de otra manera no estarían presentes. Debido a que el suelo puede absorber y almacenar agua, el suelo modera los pulsos de agua que fluye por tierra cuando ocurre la precipitación, disminuyendo la erosión y las inundaciones que se producirían sin manto de suelo. Este hecho es muy evidente si uno se encuentra en un gran estacionamiento pavimentado cuando cae la lluvia, o en una parcela de tierra una vez que el suelo se ha llenado a su capacidad y ya no puede absorber agua, o en una situación en la que la lluvia cae más rápido de lo que los suelos pueden absorber.

La cantidad de agua que retiene un suelo está muy influenciada por el tamaño de las partículas que componen el suelo. Un término que describe los tamaños de partículas en el suelo es la textura. La mayoría de los suelos están compuestos por partículas con una variedad de tamaños, pero los suelos compuestos principalmente por partículas muy pequeñas se denominan suelos arcillosos, y los suelos compuestos principalmente por partículas más grandes se denominan suelos arenosos. Hay dos razones principales por las que la textura afecta la cantidad de agua que contiene un suelo. El primero es obvio pero a menudo no tan significativo: la textura afecta el espacio de los poros: el volumen total entre las partículas sólidas que es donde puede residir el agua. Obviamente, un suelo con más espacio de poro tiene más volumen disponible para el agua. Sorprendentemente, el espacio total de poros de diferentes suelos texturados no es tan diferente: los suelos arenosos tienen aproximadamente el mismo espacio total de poros que los suelos arcillosos. Lo que es diferente entre suelos arcillosos y suelos arenosos es el tamaño de los espacios y esto resulta particularmente importante. Los suelos arcillosos tienen muchos espacios pequeños donde puede residir el agua, mientras que los suelos arenosos tienen menos espacios para el agua pero son considerablemente más grandes.

Considera dos suelos que ocupan el mismo volumen, ambos con 'no' agua (aunque resulta imposible deshacerse de toda el agua). El suelo se puede llenar con agua para que todo el espacio de poro (espacios entre las partículas sólidas) se ocupe con agua. Se dice que un suelo en este estado está saturado (Figura 2) y se podría determinar el espacio total de poros haciendo un seguimiento de la cantidad de agua que se tenía que agregar al suelo para saturarlo. Un suelo solo puede saturarse si está en un recipiente cerrado, uno del que la gravedad no puede sacar el agua. Si se abren agujeros en el fondo del contenedor, entonces la fuerza de gravedad puede sacar el agua. Significativamente, la gravedad no puede sacar toda el agua, pero puede sacar parte de ella. Resulta que la gravedad puede eliminar mucha más agua del suelo arenoso que del suelo arcilloso. Esto se debe a que el agua se mantiene en los poros pequeños mucho más apretada que el agua contenida en los poros grandes y la fuerza de la gravedad solo es lo suficientemente fuerte como para sacar el agua de los poros más grandes. Se dice que un suelo que contiene toda el agua que pueda contra la fuerza de la gravedad está a su capacidad de campo (Figura 3). Para eliminar más agua del suelo se necesita agregar plantas. También se podría esperar la evaporación para eliminar más agua, pero esto generalmente es mucho más lento que permitir que las plantas lo hagan y permite que una vea otro punto crítico en la humedad del suelo. Las plantas, al igual que la gravedad, solo pueden eliminar parte, pero no toda, del agua que queda en el suelo. Esto se debe a que eventualmente el suelo se vuelve tan seco que las plantas no pueden sobrevivir. Se dice que el suelo en este grado de sequedad se encuentra en un punto de marchitamiento permanente (Figura 4). Las plantas sí difieren en la cantidad de sequedad que pueden tolerar, pero la mayoría de las plantas, en particular las especies de cultivos, tienen tolerancias bastante similares. Tanto la capacidad de campo como el punto de marchitamiento permanente definen grados de sequedad en el suelo y en realidad se pueden definir en términos que se relacionan con la fuerza que retiene el agua en el suelo y con un término termodinámico definido como potencial hídrico. Y la cantidad de fuerza presente está relacionada con el tamaño de los poros que retienen el agua: a medida que se seca el agua que queda en el suelo está en poros cada vez más pequeños y es cada vez más difícil de eliminar. Saber cuánta agua hay en un suelo no es particularmente útil: un suelo arcilloso con 15 gramos de agua por cada 100 gramos de suelo (porcentaje de humedad = 15%) es tan seco que pocas plantas podrían vivir en él. Un suelo arenoso con un contenido de agua del 15% puede estar saturado y la gravedad podría eliminar el agua de él. En consecuencia, la 'humedad' de un suelo es monitoreada no por el contenido de agua (porcentaje de humedad) sino en términos energéticos (potencial hídrico).

Figura 2 Esta figura representa un suelo saturado: todos los espacios entre las partículas del suelo están llenos de agua.

Figura 3 Si el suelo es capaz de drenar la gravedad eliminará el agua de un suelo saturado y el agua que quede estará presente rodeando las partículas del suelo, por adherencia, y también en espacios entre partículas de suelo, debido a la cohesión, el agua se adhiere a sí misma. La cantidad de agua que la gravedad puede eliminar depende del tamaño de los espacios, los poros, entre las partículas del suelo. La gravedad puede eliminar el agua de los poros grandes del mismo modo que la gravedad sacará el agua de una pajita. Pero la gravedad no puede eliminar las moléculas de agua de los poros pequeños porque las fuerzas cohesivas del agua superan la fuerza de la gravedad.

Figura 4 Las plantas, si están creciendo en el suelo, pueden eliminar agua de un suelo a capacidad de campo. Pueden ejercer un tirón lo suficientemente fuerte como para eliminar el agua de los espacios de poro 'medianos'. Pero eventualmente, la única agua que queda es en los poros pequeños y la mayoría de las plantas no pueden tirar lo suficientemente fuerte como para eliminar esta agua y mueren (también conocido como 'marchitarse permanentemente') a cierto nivel de sequedad del suelo.

La cantidad de agua que retiene un suelo entre su capacidad de campo y el punto de marchitamiento permanente es importante porque representa la capacidad de almacenamiento del suelo que es útil para las plantas. El agua agregada a un suelo que es una capacidad de campo se drenará del suelo debido a la gravedad (la rapidez con que esto suceda depende de la textura del suelo). El agua contenida en el suelo por debajo del punto de marchitamiento permanente no está disponible para (la mayoría) de las plantas. Los suelos arenosos se secan rápidamente porque almacenan poca agua entre la capacidad del campo y el punto de marchitamiento permanente. Los suelos arcillosos pueden contener mucho más pero debido a que el agua se mueve lentamente a través de los suelos arcillosos generalmente no son deseables para la agricultura y los mejores suelos agrícolas se describen como margas, con una mezcla de arena y arcilla.

Además del agua, los suelos también contienen nutrientes. Recuerda que todos los nutrientes que adquieren las plantas, con excepción del carbono, provienen de la solución del suelo. Así, el agua que sostiene el suelo representa no sólo un suministro de agua sino también un suministro de nutrientes. Exactamente la cantidad de cada nutriente (y otros solutos) están presentes depende en parte de la cantidad de agua pero también de las interacciones químicas en el suelo. Una visión simple de la química del suelo es que los nutrientes pueden estar en una de dos situaciones: sólidos (es decir, parte de las partículas del suelo) o solutos, disueltos en el agua. T aquí hay una variedad de sales minerales que pueden disociarse, poniendo iones en la solución del suelo, e.g., Na ⁺ y Cl ^—. La realidad es más compleja. El suelo es un sistema trifásico con químicos no solo en estado sólido (estado precipitado) y en solución como iones disueltos. La tercera fase entre estas dos se describió como 'superficies de intercambio iónico' que es el resultado de que los componentes sólidos del suelo se descomponen (meteorización) y pierden (generalmente) cationes, produciendo una superficie cargada negativamente que puede unir electrostáticamente cationes, formando una 'superficie de intercambio catiónico'. El movimiento de iones de la solución del suelo hacia esta superficie es menos específico y más dinámico que la precipitación de iones de la solución del suelo en minerales específicos. Mientras que la precipitación a un mineral específico requiere una coincidencia entre catión y anión, cualquier ion cargado positivamente (catión) puede asociarse con una superficie de intercambio catiónico. Los cationes que realmente se mantienen dependen de su abundancia en la solución del suelo, su tamaño y la cantidad de carga. Para la nutrición de las plantas, el parámetro clave es la abundancia en la solución del suelo. Considerar una solución de suelo en equilibrio con una superficie de intercambio catiónico y consecuentemente tener una cierta proporción de Na ⁺ a K ⁺ en la solución del suelo. ^{Si las raíces de las plantas eliminan K + de la solución del suelo, la disminución de la concentración de K + en la solución del suelo aumenta la relación Na + /K + y provoca el intercambio de iones Na + por iones K + en los sitios de intercambio catiónico.} Esto repone el suministro de K ⁺ en la solución del suelo. Una aplicación común de las superficies de intercambio catiónico es en los ablandadores de agua, dispositivos que eliminan el calcio y el magnesio del agua y los reemplazan con sodio, haciendo que el agua sea 'más blanda'. Esto da como resultado una serie de consecuencias favorables, por ejemplo, un lavado más efectivo con jabones. Un ablandador de agua opera moviendo agua a través de una 'columna' de intercambio iónico que ha sido 'cargada' con Na ⁺ (es decir, todos los sitios de intercambio iónico están llenos de Na ⁺). A medida que el agua se mueve a través de la columna, el Na ⁺ reemplaza al Ca ²⁺ y al Mg ²⁺ en la solución. Eventualmente uno necesita reemplazar el material de intercambio iónico porque se ha “llenado” con iones de calcio y magnesio.

De ahí que haya tres 'charcas' de nutrientes vegetales en el suelo: materiales sólidos específicos, tanto orgánicos como inorgánicos, la solución del suelo y sitios de intercambio iónico. El intercambio iónico puede ayudar a amortiguar los cambios en el suministro de nutrientes y explica por qué los suelos con mayor capacidad de intercambio catiónico suelen ser mejores suelos para la agricultura (es decir, pueden cultivar mejores cultivos). La mayoría de las superficies de intercambio iónico están cargadas negativamente y por tanto son superficies de intercambio catiónico. La cantidad de superficies de intercambio iónico presentes en un suelo depende fuertemente de la edad del suelo. A medida que los suelos envejecen, los minerales específicos son producidos por la meteorización de los minerales del suelo y la descomposición del material orgánico del suelo. Recuerde que el suelo en su conjunto, y la solución del suelo específicamente, permanece neutral: las cargas positivas equivalen a las cargas negativas. Esto también es cierto para la solución que entra (e.g., lluvia) y sale del suelo como agua subterránea, pero la química del agua que fluye fuera del suelo puede ser bastante diferente a la que ingresa al suelo.

En última instancia, el suministro de nutrientes (e.g., K ^{+, Ca 2 +}, PO _{4 ^—, SO 4} ^{2 -}) en el suelo depende del equilibrio entre adiciones y pérdidas. Los procesos que agregan nutrientes incluyen: adiciones de lluvia, nevadas y polvo; descomposición de material orgánico en componentes que son capaces de disolverse en la solución del suelo; meteorización de minerales del suelo en componentes que son capaces de disolverse. Los procesos que eliminan los nutrientes del suelo incluyen erosión, lixiviación (la pérdida de solutos en el agua a medida que la gravedad saca el agua de la zona radicular) y la cosecha/remoción de material vegetal o animal.

D dinámicas del suelo

Los suelos cambian continuamente como resultado de una variedad de procesos. Se agrega continuamente material sólido, principalmente de las plantas que arrojan hojas, tallos, frutos y cuerpos enteros a la superficie del suelo y continuamente agregan raíces directamente dentro del suelo. El material también es agregado por animales y por procesos masivos, por ejemplo, deposición de viento y agua. Parte del material se descompone fácilmente, desapareciendo en la atmósfera (dióxido de carbono) y solución del suelo (amoníaco, 'materia orgánica disuelta') en pocos días. Otros materiales (por ejemplo, troncos de árboles, grandes raíces leñosas) permanecen durante cientos de años. El agua fluye continuamente a través del suelo, generalmente se deposita en la superficie por la lluvia/nieve y se mueve hacia abajo con la fuerza de la gravedad. Pero ocasionalmente el agua se mueve hacia arriba debido a la evaporación de la superficie del suelo. A medida que el agua se mueve, lleva material consigo, principalmente en solución pero a veces en suspensión (si hay un flujo másico). Los materiales transportados no son necesariamente transportados fuera del suelo sino que pueden depositarse, generalmente en capas inferiores, donde las condiciones físicas (cantidad de oxígeno, pH, tamaño y tipo de partículas) pueden ser diferentes. Si bien el balance hídrico de un suelo es generalmente cero (es decir, los insumos coinciden con las salidas) en el transcurso de un año, este generalmente no es el caso para el material sólido y los suelos pueden estar acumulando o perdiendo material. Incluso si las fases sólida y líquida están en estado estacionario, con pérdidas que coinciden con las ganancias, las actividades en el suelo pueden cambiar su estructura. Si bien generalmente pensamos que el material en el suelo se descompone debido a los procesos de meteorización y descomposición, a veces las moléculas más grandes están hechas de otras más pequeñas.

Diversidad de suelos

Figura 5 Factores que controlan el desarrollo del suelo y que dan cuenta de la diversidad del suelo.

Debido a que los suelos son dinámicos, son diversos y cambian a través del tiempo de manera predecible, es decir, se desarrollan con el tiempo. Los suelos jóvenes tendrán características diferentes a los viejos. La edad del suelo es uno de los cinco factores clave que determinan la naturaleza de un suelo (Figura 5). Los otros cuatro son material padre (de qué está hecho), clima, biota y pendiente. El material parental puede variar entre roca sólida (por ejemplo, un flujo de lava), material mineral particulado (por ejemplo, ceniza volcánica) o materia orgánica (por ejemplo, en un pantano) con una amplia variedad en el medio. El material parental afecta el tamaño de las partículas, la química del suelo y qué organismos pueden ocupar el suelo. El clima, es decir, los patrones de lluvia, temperatura y la variación de estos factores, es importante por razones que deben ser evidentes: la temperatura controla la tasa de descomposición y meteorización; la lluvia también influye en la descomposición y la meteorización y también controla la cantidad de agua que se percola a través del suelo. La biota, las formas de vida presentes, influye en los tipos de material orgánico que se depositan y las tasas de descomposición. El factor de importancia restante, la pendiente, es quizás sorprendente hasta que se aprecia que todo lo siguiente está influenciado por ella: la cantidad de agua que corre por el suelo, ya sea que el agua pueda estar estancada en/en un suelo, la cantidad de erosión/deposición en un sitio.

Figura 6. La estratificación de los suelos es consecuencia de los procesos que tienen lugar y son una función de los cinco factores clave mostrados en la Figura 5.

Debido a la variación en los factores descritos anteriormente, los suelos son diversos. Además, sus características cambian continuamente dependiendo de su edad. Una manifestación de esta diversidad es la existencia de capas (horizontes) en muchos suelos. Los horizontes se desarrollan debido a los procesos que tienen lugar en el suelo.

En el centro norte y noreste de Estados Unidos, los glaciares jugaron un papel muy significativo al influir en tres de estos factores: En muchas áreas, eliminaron cualquier suelo que estuviera presente, por lo que muchos suelos son relativamente jóvenes; los glaciares depositaron una variedad de materiales de suelo (que van desde arenas hasta arcillas) sobre los cuales nuevos los suelos se desarrollaron; y los glaciares crearon una variedad de topografías (pendientes) sobre las cuales se desarrollaron los suelos.

Figura 7 Un podzol, un tipo de suelo típico de áreas con temperaturas frescas y lluvias abundantes

Figura 8 Un mollisol, un tipo de suelo típico de pastizales, áreas con temperaturas moderadas y precipitaciones. Los mollisoles son excelentes suelos agrícolas