3.1: Textura y estructura del suelo
- Page ID
- 88993
Objetivos de aprendizaje
- Diferenciar las tres separaciones de suelo (arena, limo y arcilla) en función de sus diámetros de tamaño de partícula.
- Determinar los porcentajes de arena, limo y arcilla en muestras de suelo seleccionadas utilizando datos recolectados del método hidrómetro de análisis del tamaño de partícula.
- Estimar la clase textural usando el método textura por sensación en muestras de suelo seleccionadas.
- Utilice un triángulo textural para determinar la clase textural de un suelo.
- Comprender la relación entre el tamaño de partícula y el área de superficie específica.
La textura y estructura del suelo se consideran “variables maestras”, lo que significa que la textura y la estructura influyen directamente en un gran número de otras propiedades del suelo. Por ejemplo, al comparar un suelo arcilloso y un suelo arenoso, se esperaría que el suelo arcilloso tuviera una mayor superficie específica, más capacidad de intercambio catiónico, más porosidad total, menos macroporosidad y más materia orgánica que el suelo arenoso. Así, con el simple conocimiento de la textura del suelo, se pueden hacer inferencias con respecto a muchas propiedades del suelo. Aquí, la textura del suelo se determinará cuantitativamente utilizando el método del hidrómetro y se estimará usando el método de textura por sensación. También se observarán diferentes tipos de estructura de suelo. Lo que aprendas sobre la textura y la estructura en estas actividades se utilizará más adelante durante los viajes de campo de fosos de suelo para describir los perfiles de suelo en el campo.
Materiales
- Tres suelos de texturas conocidas
- Hexametafosfato de sodio
- Botellas de chorro llenas de agua del grifo
- Balanzas de laboratorio con precisión de 0.01 g
- Cilindros de prueba de suelo, volumen de 1L (Ítem #200231000, Kimble™ Kimax™ Cilindros para Prueba de Suelo)
- Hidrómetros calibrados en unidades de g/L (Ítem #13 -202-133 Fisherbrand™ Hidrómetro ASTM para análisis de suelos)
- Termómetros digitales precisos a los 0.1°C más cercanos
- Mezcladoras de batido y tazas mezcladoras de batido de acero inoxidable (Hamilton Beach HMD400 120V Mezclador comercial de bebidas triple husillo, Hamilton Beach, Glen Allen, Virginia, EE. UU.)
Lectura Recomendada
- Eye on Agriculture Today: Textura del suelo por sensación (KSreVideos, 2010)
- Perfilado de Suelos: Estructura (KSrevideos, 2011c)
- Estimación de la textura del suelo por la sensación (Presley y Thien, 2008)
Asignación Prelab
Utilizando los recursos recomendados de lectura y visualización y la introducción a este laboratorio, considere las preguntas que se enumeran a continuación. Estas definiciones/preguntas proporcionarán un resumen conciso de los principales conceptos a abordar en el laboratorio. También servirán de base para el cuestionario posterior al laboratorio y son útiles notas de estudio para los exámenes.
- Definir y explicar la diferencia entre la textura del suelo y la estructura del suelo.
- Cree una tabla que enumere los tamaños de arena, limo y partículas de arcilla usando los criterios del USDA.
- ¿Qué es un triángulo textural?
- ¿Qué es la Ley de Stoke y cómo se utiliza en la ciencia del suelo?
- Definir la superficie específica y explicar su relación con el tamaño de las partículas del suelo.
Introducción
La textura del suelo se refiere a las proporciones de arena (2.0 — 0.05 mm de diámetro), limo (0.05 — 0.002 mm) y arcilla (menos de 0.002 mm). Las proporciones relativas determinan la clase textural. La textura del suelo influye en casi todos los aspectos del uso y manejo del suelo. Muchas de las propiedades físicas y químicas del suelo dependen de lo fino (arcilloso) o grueso (arenoso) que sea un suelo. La textura del suelo es una característica permanente a menos que los suelos se sometan a una rápida erosión, deposición o eliminación.
Además, gran parte de la reactividad de los suelos está relacionada con la cantidad de superficie disponible. A medida que disminuye el tamaño promedio de partícula, aumenta la superficie por unidad de peso (ver Cuadro 7.1).
| Seperate | Diámetro (mm) | Particlas/G | Superficie específica (cm^2/g) |
|---|---|---|---|
| Arena muy curso | 2.00 - 1.00 | 90 | 11 |
| Arena gruesa | 1.00 - 0.50 | 720 | 23 |
| Arena mediana | 0.50-0.25 | 5,700 | 45 |
| Arena fina | 0.25-0.10 | 46,000 | 91 |
| Arena muy fina | 0.10-0.05 | 722,000 | 277 |
| Limo | 0.05-0.002 | 5,776,000 | 454 |
| Arcilla | < 0.002 | 90,260,000,000 | 8,000,000 |
Casi cualquier tipo de manejo de la tierra estará influenciado por la textura. El Cuadro 7.2 proporciona un resumen de los factores de manejo del suelo relacionados con la textura.
| Relaciones con el agua | Suelos arenosos | Suelos arcillosos | Suelos arcillosos |
|---|---|---|---|
| Infiltración—entrada de agua superficial en el suelo. Frente al potencial de escorrentía |
Rapid | Medio a lento | Muy rápido si hay grietas; lento si no hay grietas |
| Percolación—drenaje interno del agua y lixiviación |
Excesivo | Bueno | Fair-Pobre |
| Almacenamiento de agua: disponible para uso en plantas | Muy bajo | Mediano | Alto |
| Aireación: movimiento de oxígeno a la zona radicular |
Muy bueno | Moderado | Pobre |
| Labranza y Erosión Potencia de labranza requerida |
Bajo | Mediano | Alto |
| Tillabilidad—Facilidad de preparación del lecho de semillas | Fácil | Mediano | Difícil |
| Erodibilidad Peligro de erosión eólica |
Alto | Bajo | Mediano |
| Peligro de erosión hídrica | Bajo | Alto | Bajo a medio |
| Relaciones Químicas Potencial de fertilidad (almacenamiento de nutrientes) |
Bajo | Mediano | Alto |
| Recomendaciones químicas: tasas por acre |
Bajo | Mediano | Alto |
Actividad 1: Triángulo Textural
Los suelos con distribuciones similares de arena, limo y arcilla tienen propiedades similares y, por lo tanto, se agrupan en la misma clase textural del suelo. Se reconocen doce clases texturales y sus composiciones se designan en un triángulo textural (Figura 7.1). Estudiar la disposición del triángulo. Cada esquina representa el 100% de arena, limo o arcilla, y cada una representa del 0 al 100% de una fracción dada. Las proporciones de arena, limo y arcilla definen las doce clases. La Figura 7.1 representa un suelo con 20% de arena, 25% de limo y 55% de arcilla. Esas tres líneas se cruzan dentro de los límites de la clase textural “Clay”, por lo que el suelo es un suelo arcilloso.
Mediante ese mismo procedimiento, determinar los nombres de clases texturales para los suelos descritos en el Cuadro 7.3, y trazar cada resultado en el triángulo textural en la Figura 7.2.
| % Arena | % limo | % Arcilla | Clase Textural | |
|---|---|---|---|---|
| 1. | 33 | 33 | 34 | |
| 2. | 55 | 30 | 15 | |
| 3. | 80 | 5 | 15 | |
| 4. | 25 | 60 | 15 | |
| 5. | - | 20 | 50 | |
| 6. | 60 | - | 30 | |
| 7. | 40 | 40 | - |
Actividad 2: Estimar la textura del suelo por la sensación
Un científico del suelo a menudo necesita estimar la textura del suelo mientras está en el campo o cuando no se dispone de datos de laboratorio sobre las cantidades de arena, limo y arcilla. Con la práctica, puedes aprender a estimar la textura simplemente sintiendo o manipulando una muestra húmeda.
Para aprender esta técnica, considere una versión simplificada y generalizada del triángulo textural (Fig. 5.3). Este triángulo modificado consta de tres niveles basados en el contenido aproximado de arcilla. Las arcillas son muy cohesivas, plásticas y se pueden moldear fácilmente. Las margas arcillosas son intermedias en contenido de arcilla, cohesividad y facilidad de moldeo. Las margas son suelos lo suficientemente bajos en contenido arcilloso como para poseer poca cohesión y son más difíciles de moldear. Las arenas no forman formas estables cuando se moldean.
Mediante el procedimiento descrito en la Figura 7.4, determinar la textura en las muestras proporcionadas en el laboratorio. Trabajar la muestra con el contenido de humedad adecuado es muy importante. La muestra debe humedecerse en todo momento. Lograr la condición de humedad correcta puede llevar varios minutos. Después de humedecer y mezclar la tierra a la consistencia adecuada, realice la prueba de cinta, la prueba de arenosidad y la prueba de suavidad como se describe en el diagrama. Trate de estimar la textura de las muestras, luego verifique las respuestas proporcionadas. Después de haber calibrado los dedos en las muestras de práctica, determine la textura para las muestras no identificadas proporcionadas e ingrese su estimación en la Tabla 7.3.
Para las muestras no identificadas, registrar la longitud de la cinta, la sensación húmeda predominante (lisa, arenosa, ninguna) y los nombres de clase texturales determinados por el método de sensación mostrado en la Tabla 7.3.
| ¿Se hace una pelota? | ¿Hace una cinta? | Largo de Cinta | Predomina la sensación húmeda | Clase Textural | |
|---|---|---|---|---|---|
| 1. | |||||
| 2. | |||||
| 3. |
Actividad 3: Análisis del Tamaño de Partículas por Hidrómetro
El análisis del tamaño de partícula se basa en el principio de que las partículas de diferentes tamaños caen a través de un fluido a diferentes velocidades.
Una partícula que cae en un fluido se somete a 3 fuerzas: gravedad, flotabilidad y fricción (Figura 7.5). Las fuerzas de gravedad y flotabilidad son constantes, pero la fuerza de fricción aumenta a medida que aumenta la velocidad (como la fuerza de arrastre en un avión aumenta a medida que va más rápido). Debido a esta fuerza de fricción creciente, la partícula finalmente alcanza una velocidad constante (velocidad terminal). La velocidad constante ocurre cuando la suma de las fuerzas que actúan sobre la partícula es cero, o la aceleración es cero.
La Ley de Stoke se deriva estableciendo una ecuación que contiene las tres fuerzas que actúan sobre la partícula cuando la aceleración es cero:
\[\text{Force of gravity }=\text{ force of buoyancy }+\text{ force of friction}\]Estas fuerzas se determinan a partir de las siguientes relaciones:
Fuerza de gravedad
\[\text{Force of gravity }=\text{ mass of particle }\times\text{ acceleration of gravity}\] \[\text{Mass of particle }=\text{ Volume of particle }\times\text{ density of particle}\]Por lo tanto,
\[\text{Force of gravity }=\text{ volume of particle }\times\text{ density of particle}\times\text{ acceleration of gravity}\]Fuerza de flotabilidad
\[\text{Force of buoyancy }=\text{ mass of water displaced by particle }\times\text{ acceleration of gravity}\] \[\text{Mass of displaced water }=\text{ volume of particle }\times\text{ density of water}\]Por lo tanto,
\[\text{Force of buoyancy }=\text{ volume of particle }\times\text{ density of water}\times\text{ acceleration of gravity}\]Fuerza de Fricción
La fuerza de fricción es una función del tamaño de la partícula, la velocidad de la partícula y la viscosidad del agua.
\[\text{Friction force }=6π\times\text{ viscosity }\times\text{ radius of particles}\times\text{ velocity}\]Después de sustituir los componentes apropiados de las fuerzas en la ecuación, se puede resolver para la velocidad terminal:
\[\text{Velocity }=\frac{\text{ particle diameter}^2\times\text{ acceleration due to gravity}\times(\text{ particle density}-\text{ liquid density})}{18\times\text{viscosity of liquid}}\]Tenga en cuenta que cuanto mayor sea el diámetro de la partícula, más rápido se asienta (los granos de arena se asentarán más rápido que las partículas de limo, que se asentarán más rápido que las partículas de arcilla). Además, la densidad y viscosidad del agua varían con la temperatura, por lo que la velocidad de sedimentación estará influenciada por la temperatura del agua (Figura 7.6).
La Ley de Stoke puede simplificarse especificando la temperatura del agua:
\[\text{Velocity }(\text{cm s}^2)=\text{K}\times(\text{diameter of particle in cm})^2\]Donde K (cm -1 s -1) es una constante que incorpora densidad de agua y viscosidad y aceleración debido a la gravedad. Debido a que la velocidad es distancia/tiempo, esta ecuación puede resolverse por el tiempo requerido para que una partícula de un diámetro especificado caiga a una distancia dada.
\[\text{Velocity }=\frac{\text{distance}}{\text{time}}=\text{K}\times(\text{diameter})^2\]Por lo tanto,
\[\text{Time}=\frac{\text{distance}}{\text{K}\times(\text{diameter})^2}\]Así, para una partícula de un diámetro dado, se puede calcular el tiempo requerido para que la partícula caiga a una distancia especificada.
Considera este ejemplo: ¿Cuánto tiempo tardará una partícula de 0.05-mm en caer 10 cm en agua a 25°C?
A 25°C, K = 10,000 cm -1 s -1. Sustituyendo este valor y el diámetro (0.005 cm) en la ecuación anterior produce:
\[\text{Time}=\frac{10\text{ cm}}{10000\text{ cm}^{-1}\text{ s}^{-1}\times(0.005\text{ cm})^2}=\frac{10}{0.25\text{ cm s}^{-1}}=40\text{s}\]Así, después de 40 segundos, los 10 cm superiores de una suspensión suelo-agua están completamente libres de todas las partículas 0.05 mm o mayores, por lo que está libre de arena y solo contiene limo y arcilla.
Hagamos el mismo cálculo para una partícula de 0.002-mm, que es el límite superior del rango de arcilla.
\[\text{Time}=\frac{10\text{ cm}}{10000\text{ cm}^{-1}\text{ s}^{-1}\times(0.002\text{ cm})^2}=\frac{10}{0.0004\text{ cm s}^{-1}}=6.94\text{hr}\]Así, después de 6 horas y 56 minutos, los 10 cm superiores de una suspensión suelo-agua están libres de todas las partículas 0.002 mm o mayores (arena y limo), por lo que contiene únicamente partículas de arcilla.
Como podemos ver, la Ley Stokes puede ser utilizada para determinar cuándo un volumen de una suspensión suelo-agua estará desprovisto de partículas de suelo mayores que un tamaño dado. Entonces podemos medir la concentración de suelo que queda en ese volumen. Por ejemplo, después de 40 segundos, podemos medir la concentración de suelo en suspensión en los 10 cm superiores de una suspensión y así determinar cuánta arcilla + limo están presentes.
En condiciones naturales, las partículas de arena, limo y arcilla se unen en agregados. Estos agregados deben descomponerse para que las partículas del suelo actúen independientemente unas de otras. Por ejemplo, un agregado de partículas de arcilla se comportaría como una partícula de limo, fenómeno que queremos evitar.
La dispersión es un proceso químico/mecánico de 2 pasos. Primero, se agrega hexametafosfato de sodio (como el detergente para lavavajillas “Calgon®”) a una suspensión suelo-agua para aumentar la electronegatividad de las arcillas del suelo; provoca una fuerza repulsiva entre las partículas de arcilla. Después la suspensión se agita vigorosamente (batidora o batidora) para asegurar una dispersión completa. Las fuerzas repulsivas generadas por el tratamiento químico tienden a estabilizar la condición dispersa. La dispersión asegura así que las partículas agregadas de arcilla no se comportan como partículas del tamaño del limo o del tamaño de arena.
La materia orgánica del suelo es un agente aglutinante importante, por lo que primero debe eliminarse por oxidación (usando peróxido de hidrógeno, por ejemplo). En suelos con muy bajo contenido de materia orgánica, a menudo se omite este paso. No se utilizará en este ejercicio.
Después de una dispersión adecuada, la arena, el limo y la arcilla se pueden separar y cuantificar permitiendo que las partículas se asienten en agua. (NOTA: un tamiz se usa comúnmente para cuantificar el contenido de arena de una muestra de suelo, y luego un hidrómetro para cuantificar el contenido de limo y arcilla de las partículas restantes. Utilizaremos un hidrómetro para los tres tamaños de partícula en esta actividad de laboratorio.)
Un método para determinar la concentración de suelo en suspensión es usar un hidrómetro para medir la densidad de la suspensión. El hidrómetro se usa comúnmente en laboratorios de campo. En este ejercicio, utilizaremos un hidrómetro calibrado para leer directamente en g/L de suspensión.
Procedimiento simplificado del hidrómetro
Dispersión química (realizada en el laboratorio anterior)
- Pesar 30.0 g de tierra seca (suponga seca al horno) en un matraz Erlenmeyer de 250 ml.
- Lave los lados del matraz con agua destilada de una botella de lavado.
- Agregue 100 ml de agua destilada usando un cilindro graduado, y agregue 10 ml de solución de hexametafosfato de sodio (500 g/L) del dispensador en la botella de hexametafosfato de sodio.
- Remolino para mezclar.
- Lave los lados del matraz con agua destilada de una botella de lavado.
- Cubra el matraz con Parafilm y etiquete el frasco con su sección de laboratorio y número de mesa, así como el tipo de suelo. Guarde los matraces en la ubicación especificada por su instructor hasta el próximo periodo de laboratorio.
Después de la dispersión química
- Transfiera cuantitativamente la muestra dispersa a una taza de dispersión metálica (una taza mezcladora de batido), llénelo hasta la mitad con agua destilada y mezcle durante 5 minutos según las indicaciones de su instructor. (“Transferir cuantitativamente” significa transferir toda la muestra.)
- Transferir cuantitativamente la muestra a un cilindro de sedimentación de 1 litro.
- Llene el cilindro hasta la marca de 1000 ml con agua destilada.
- Suspenda todas las partículas de suelo en el cilindro de sedimentación usando uno de los siguientes métodos:
- Método del émbolo: Inserte cuidadosamente el émbolo agitador y muévalo hacia arriba y hacia abajo por toda la longitud del cilindro durante 30 segundos, asegurando que todas las partículas estén completamente mezcladas. Sujete firmemente la base del cilindro con la otra mano.
- Método del tapón: Coloque un tapón de goma (uno del tamaño adecuado para los cilindros de sedimentación) en la parte superior del cilindro, y sujetando tanto la parte inferior del cilindro como la parte superior del tapón, mezcle la solución vigorosamente invirtiendo el cilindro y girándolo hacia arriba del lado derecho repetidamente durante 30 segundos.
- Registre el tiempo cuando se detiene la agitación y se retira el émbolo, o cuando el cilindro taponado se devuelve (rápida pero suavemente) del lado derecho hacia arriba a la mesa del laboratorio.
- Inmediatamente inserte el hidrómetro lenta y cuidadosamente. Leer el hidrómetro (parte superior del menisco) exactamente a los 40 segundos después de que se detuvo la agitación o se devolvió el cilindro al banco. (Nota: si un suelo es alto en materia orgánica que no se eliminó antes de comenzar este experimento, se formarán burbujas en la superficie. Para dispersar las burbujas, agregue de tres a cinco gotas de alcohol a la superficie de la solución inmediatamente después de insertar el hidrómetro.
- Repita los pasos del 4 al 6 hasta que las lecturas estén dentro de 0.5 unidades entre sí. Registrar la lectura en la hoja de datos.
- Determinar la temperatura de la suspensión y hacer correcciones para la temperatura y para la pieza en bruto como se describe en la Tabla 7.4:
- Por cada grado superior a 20°C, agregue 0.36 a la lectura del hidrómetro.
- Por cada grado por debajo de 20°C, reste 0.36 de la lectura del hidrómetro.
- Debido a que la suspensión del suelo también contiene hexametafosfato de sodio, cada lectura del hidrómetro debe corregirse para tener en cuenta el efecto del hexametafosfato de sodio sobre la densidad. Se ha instalado un cilindro “blanco” que contiene solo agua y hexametafosfato de sodio. Registre la lectura del hidrómetro de este cilindro y reste ese valor de todas las lecturas del hidrómetro.
- Su instructor de laboratorio ha realizado mediciones para la lectura de 7 horas y le proporcionará los datos para completar la determinación de la textura del suelo.
- Cálculos:
Recuerde que estas lecturas del hidrómetro están en g/L Debido a que el volumen en el cilindro es de un litro, las lecturas dan la cantidad de tierra en el cilindro. Por ejemplo, la lectura de 7 horas indica la cantidad de arcilla (g) en el cilindro. Por lo tanto, el porcentaje de arcilla es
\[\text{Percent clay}=\frac{\text{corrected 7 hr reading}}{\text{mass of dry sample}}\times100%\]La lectura de 40 segundos se utiliza para calcular el porcentaje de limo + arcilla:
\[\text{Percent silt }+\text{ clay}=\frac{\text{corrected 40 s reading}}{\text{mass of dry sample}}\times100%\]Entonces se pueden determinar los porcentajes de limo y arena.
\[\text{Percent silt }=(\text{percent silt}+\text{percent clay})-\text{percent clay}\] \[\text{Percent sand }=100-(\text{percent silt}+\text{percent clay})\]Utilice la Tabla 7.4 para ayudar a determinar la clase de textura de sus muestras. Etiquetar todos los resultados en las unidades adecuadas.
Cuadro 7.5. Textura del Suelo por Datos del Método Hidrómetro.
| Fila | Fórmula | Suelo A | Suelo B | Suelo C | |
|---|---|---|---|---|---|
| a | Peso seco del suelo, g | ||||
| b | Promedio de lecturas del hidrómetro de 40 segundos | ||||
| c | Lectura del hidrómetro desde blanco | ||||
| d | b-c | Lectura del hidrómetro corregida para blanco | |||
| e | Temperatura de suspensión, primeras lecturas | ||||
| f | d + [(e - 20) x 0.36] | Lectura del hidrómetro de 40 segundos corregida para la temperatura |
|||
| g | Lectura del hidrómetro de 7 horas | ||||
| h | Lectura del hidrómetro desde blanco | ||||
| i | g-h | Lectura del hidrómetro corregida para blanco | |||
| j | Temperatura de suspensión, segunda lectura | ||||
| k | i + [(j - 20) x 0.36] | Lectura del hidrómetro de 7 horas corregida para la temperatura |
|||
| l | f ÷ a x 100 | Porcentaje de limo + arcilla | |||
| m | k ÷ a x 100 | Porcentaje de arcilla | |||
| n | l-m | Porcentaje de limo | |||
| o | 100 - m - n | Porcentaje de arena | |||
| Clase textural (a partir del triángulo) |
Tabla adaptada de King et al. (2003)
Textura del Suelo por Cálculos del Método Hidrómetro
Actividad 4: Estructura del Suelo
Cuadro 7.6. Resumen de los tipos de estructura de suelo descritos en suelos minerales.
| Tipo de estructura | Descripción agregada | Ubicación habitual |
|---|---|---|
| Granular | Pedales relativamente no porosos, pequeños y esferoidales; no ajustados a agregados adyacentes |
Un horizonte |
| Platy | Los agregados son en forma de placa. Las placas a menudo se superponen y perjudican la permeabilidad. |
E horizonte |
| Blocky angular | Peds tipo bloque delimitados por otros agregados cuyas caras angulares afiladas forman el molde para el ped. Los agregados a menudo se rompen en peds en bloques más pequeños. |
Horizonte B |
| Subangular | Peds tipo bloque delimitados por otros agregados cuyas caras subangulares redondeadas forman el molde para el ped. |
Horizonte B |
| Prismático | Pedales tipo columna sin tapas redondeadas. Otros agregados prismáticos forman el molde para el ped. Algunos agregados prismáticos se rompen en peds de bloques más pequeños. |
Horizonte B |
| Columnar | Pedales tipo columna con tapas redondeadas delimitadas lateralmente por otros agregados columnares que forman el molde para los piedales. |
Horizonte B en suelos alcalinos |
Examine cuidadosamente los diferentes tipos de estructura enumerados en el Cuadro 7.6 y mostrados en la Figura 7.7, luego responda las siguientes preguntas.
¿Cómo afecta la estructura en bloques a la permeabilidad de los suelos arcillosos?
¿Cómo afectaría una condición masiva sin estructura a la permeabilidad?
¿Cómo afectaría la estructura la manipulación (como la labranza) de un suelo arcilloso húmedo?
Asignación: Cuestionario en línea
Un cuestionario estará disponible en línea. Por favor acceda a él según lo indique su instructor.