2.9: Suelos

2.9.1 Introducción

Junto con el oxígeno y el agua, los suelos son esenciales para la existencia humana. Casi todos nuestros alimentos provienen, directa o indirectamente, de cultivos cultivados en el suelo. La única excepción significativa, por supuesto, es la comida de los océanos. Los cultivos hidropónicos son una excepción insignificante, y es probable que la infraestructura y el costo que implica la agricultura hidropónica la condenen para siempre a un papel menor en el suministro de alimentos humanos. Toda nuestra madera, la mayoría de nuestros productos de papel y gran parte de nuestra ropa en última instancia provienen del suelo. Nuestra dependencia de los suelos continuará, pero el stock mundial de suelos no puede aumentar. De hecho, está disminuyendo, debido a la erosión del suelo, así como a la urbanización (y suburbanización). A medida que nuestras reservas de combustibles fósiles continúan reduciéndose, es probable que aumenten los recursos energéticos de la biomasa (material vegetal vivo).

El significado del término “suelo” varía mucho dependiendo del campo de esfuerzo en el que se utilice. Los agricultores utilizan el término de manera estrecha para referirse a la capa superior de depósitos superficiales, en la que crecen las plantas y se practica la agricultura. El científico del suelo tiene una visión algo más amplia: el suelo es la capa superior de depósitos superficiales, casi siempre extendiéndose muy por debajo del suelo del agricultor, que se ha desarrollado sobre el material subyacente por la influencia de diversos procesos de formación del suelo que actúan durante largos tiempos. El geólogo tiene una visión aún más amplia de los suelos como materiales superficiales desarrollados por procesos de meteorización que han descompuesto el lecho rocoso en regolito, y el ingeniero civil (que practica la disciplina de la mecánica del suelo, y que es responsable de la ubicación y diseño de estructuras con cimientos) toma una visión igualmente amplia del suelo como todos los materiales en la superficie que se pueden excavar sin voladuras. En las siguientes secciones, veremos la naturaleza de los suelos principalmente desde el punto de vista del científico del suelo (¿cuál es la naturaleza de los suelos, cómo se desarrollan y cómo se clasifican?).

El estudio de los suelos como cuerpos naturales se llama pedología (y sus practicantes se llaman a sí mismos científicos del suelo, o pedólogos). También se puede pensar en términos de la pedosfera. (Existe una tendencia entre los educadores de ciencias hoy en día a pensar en términos de “esferas”: geosfera, hidrosfera, biosfera, atmósfera, criosfera. Estos términos son útiles, en un sentido amplio y suelto, para describir zonas o dominios de materiales y procesos relacionados. Creo que comenzó a usarse el sufijo “- esfera” porque en un sentido muy general estos dominios son como conchas esféricas alrededor de la Tierra. Yo mismo pienso que la “esferología” tiende a ser exagerada por parte de los “esferófilos”, pero sigue siendo un útil dispositivo pedagógico.)

Los suelos pueden ser pensados y estudiados en una amplia gama de escalas: desde grandes regiones de continentes, en el contexto de los principales tipos de suelo, hasta la distribución de suelos en un área local de topografía y composición de sustrato variadas (Figura 2-23A), hasta el perfil vertical del suelo en un punto dado de la superficie terrestre ( Figura 2-23B), a la textura y estructura del suelo en un punto de dicho perfil (Figura 2-23C), a los detalles de la física, química y biología del suelo en la escala coloidal y atómica (Figura 2-23D).

Figura 2-23: Pensando en suelos en una amplia variedad de escalas. (Inspirado por Brady y Weil, 2002.)

Los suelos tienen una gran variedad de constituyentes. Aquí hay una lista de los tipos más importantes de constituyentes del suelo:

• partículas minerales
• coloides
• materia orgánica
• microorganismos
• soluciones de suelo
• gases del suelo

La mayoría de los suelos consisten principalmente en partículas minerales. Tales suelos a menudo se llaman suelos minerales. Algunos suelos, sin embargo, consisten principalmente en materia orgánica. En general, los suelos contienen los mismos tipos de partículas minerales que los sedimentos; retroceda y revise la sección sobre sedimentos anterior. La mayoría de los suelos que es probable que encuentres consisten principalmente en cuarzo, más porcentajes variables de feldespato potásico y fragmentos de roca, en la fracción gruesa, y principalmente partículas de minerales arcillosos, óxidos de hierro y óxidos de aluminio, en la fracción fina. El resto de los constituyentes de la lista anterior se describen en las siguientes secciones.

2.9.2 Coloides

Los coloides son mezclas de materiales en los que existe una sustancia como partículas extremadamente pequeñas, llamadas partículas coloidales, que se dispersan en una segunda sustancia, que se puede pensar como el medio. En el caso de partículas coloidales en un medio líquido o gaseoso uniforme, se usa comúnmente el término solución coloidal. En el contexto de los suelos, estamos tratando con pequeñas partículas consistentes en minerales o materia orgánica que se dispersan en las soluciones acuosas de poros en el suelo o se agregan juntas en gran número, o se adhieren a las partículas más grandes del suelo. Los coloides son importantes en una gran cantidad de materiales, tanto naturales como fabricados.

La mayoría de las partículas arcillo-minerales tienen una forma laminar, y tienden a pegarse en agregados de muchas partículas, mantenidas unidas por ciertas fuerzas electrostáticas de corto alcance. Tales fuerzas son pequeñas, pero también lo son las partículas, y es importante darse cuenta de que debido a que la relación entre el área superficial y el volumen aumenta con la disminución del tamaño de partícula, las partículas arcillo-minerales son en cierto sentido “casi todas de superficie y muy poco volumen”. El estado de agregación de la fracción arcillo-mineral es ampliamente variable, y las propiedades macroscópicas de resistencia y consistencia del depósito varían en gran medida correspondiendo a eso. Además, como pronto verás, el pequeño tamaño de las partículas, junto con las cargas eléctricas características de sus superficies, hacen que las partículas diminutas sean químicamente extremadamente reactivas.

Las partículas coloidales se encuentran en una especie de “tierra de nadie” entre soluciones verdaderas e indudablemente partículas sólidas. En un extremo se encuentran iones y moléculas en una solución acuosa. Los iones más pequeños son del orden de las dimensiones atómicas, alrededor de 0.1 nanómetros (es decir, alrededor de 10-10 metros). Muchas moléculas que consisten en una gran cantidad de átomos son mucho más grandes, pero aún se comportan como iones más pequeños en soluciones verdaderas. En el otro extremo se encuentran partículas mayores que unos pocos micrómetros, lo cual es lo suficientemente grande como para ser visto con microscopios de luz. Dichas partículas son lo suficientemente grandes como para asentarse en el fluido circundante bajo la influencia de la gravedad.

Los suelos típicos contienen varios tipos importantes de coloides. Aquí hay una lista brevemente anotada de los más importantes:

• partículas arcillo-minerales: Existen varios tipos; consulte la sección anterior de antecedentes sobre mineralogía arcillosa. Estos tipos difieren en sus propiedades físicas y químicas, en parte debido a su diferente tamaño, pero principalmente por sus diferentes cargas superficiales y su diferente susceptibilidad a tomar o liberar iones positivos y moléculas de agua hacia y desde sus superficies internas entre las capas de TOT.
• Óxidos de hierro y aluminio: Estos son especialmente importantes en los suelos altamente erosionados de regiones cálidas y húmedas, donde los minerales de silicato se descomponen aún más en óxidos. El óxido de aluminio principal es la gibbsita, y los principales óxidos de hierro son la goetita y la ferrihidrita (aquí no hay detalles de mineralogía).
• humus: Estos son especialmente abundantes en las partes superiores de los suelos, más cercanas a la superficie. Los humus coloides no son estructuras cristalinas: son cadenas moleculares complejas y anillos de átomos de carbono unidos a átomos de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Se encuentran entre las partículas coloidales más pequeñas en los suelos. Tienen una enorme capacidad para adsorber agua sobre sus superficies.

La gran importancia de los coloides del suelo surge de su reactividad química. Hay dos razones para ello: superficie y carga superficial. A continuación se profundiza sobre esos puntos.

• área superficial: Las reacciones químicas entre un sólido y el fluido con el que está en contacto tienen lugar en la superficie del sólido, en la interfaz entre la fase sólida y la fase líquida. La velocidad de tal reacción química depende de una serie de factores importantes, aparte de la naturaleza de la reacción en sí. La temperatura es uno de esos factores importantes: en general, cuanto mayor es la temperatura, más rápida es la reacción. Eso se debe a que la energía de vibración térmica de los átomos y moléculas tanto en la fase sólida como en la fase líquida aumenta con la temperatura. También es importante, sin embargo, el área de la superficie en la que tiene lugar la reacción, por unidad de volumen del sistema de reacción. El tamaño extremadamente pequeño de las partículas coloidales significa que su área superficial, por unidad de volumen de material, es espectacularmente grande.
• carga superficial: En cualquier región diminuta dada dentro de una partícula mineral, las cargas eléctricas asociadas con los iones de la estructura se equilibran. En la superficie de la partícula, sin embargo, la imagen es diferente, porque los iones justo en la superficie están unidos solo a los iones debajo de ellos. Eso significa que hay una especie de carga eléctrica “insatisfecha” en la superficie de la partícula. Con respecto a las partículas arcillo-minerales, la carga superficial es generalmente negativa en las caras anchas de las láminas TOT expuestas y positiva a lo largo de los bordes estrechos de las placas. Para las partículas minerales macroscópicas, como los granos de arena, estas cargas superficiales son casi completamente insignificantes, pero cuando las partículas son extremadamente pequeñas su enorme relación área a volumen hace que estas cargas superficiales sean muy importantes.

Fondo: Superficie

Haga un viaje de nostalgia de regreso a las matemáticas de secundaria y piense en las fórmulas para el volumen y la superficie de algún sólido geométrico regular. Una esfera es un buen ejemplo. El volumen de una esfera es (1/6) π D ³, donde D es el diámetro de la esfera. En el lenguaje científico, el volumen va como el cubo del diámetro. El área superficial de la esfera es\(πD^2\), por lo que la superficie va como el cuadrado del diámetro.

Lo importante aquí no son las fórmulas particulares, ni los valores de volumen y área de una esfera en particular que dan, sino cómo la relación entre el área superficial y el volumen varía con el diámetro de la esfera. Se puede ver fácilmente a partir de las dos fórmulas dadas anteriormente que la relación entre el área superficial y el volumen de cualquier esfera es [π D ²]/[(1/6) π D ³], o, simplificando, 6/ D. Ignorar ahí el factor 6; lo importante es la parte 1/ D. La relación entre el área superficial y el volumen va como 1/ D. Eso significa que a medida que disminuye el diámetro, la relación entre el área de superficie y el volumen aumenta.

Ahora para un ejemplo revelador de este efecto 1/ D. Piensa en una esfera de 10 cm de diámetro, aproximadamente del tamaño de una pelota de softbol, una toronja o una bola de masa de pizza. Tiene una superficie aproximada de 0.0314 metros cuadrados (o, en notación científica, 3.14 x 10 ^-2 m ²). Ahora compara eso con una esfera de 1 mm de diámetro. Esa esfera tiene una superficie de sólo 3.14 x 10 ^-6 m ², mucho más pequeña, por un factor de diez mil. Pero supongamos que tomó todo el volumen de la esfera de 10 cm y la convirtió en un volumen equivalente de esferas de 1 mm. Con algunas matemáticas más simples, y usando la fórmula para el volumen de una esfera, determinarías que la esfera de 10 cm equivale a 106 (eso es un millón) de los más pequeños. Ahora la superficie total de los pequeños es (106) (3.14 x 10-6) m ², o 3.14 x 100 m ². Eso no suena mucho, pero compárelo con la superficie de la esfera original de 10 cm, que era de 3.14 x 10 ^-2 m ². ¡Vemos, entonces, que el área agregada de las pequeñas esferas es cien veces la superficie de la esfera grande equivalente al volumen! Este es un ejemplo concreto del efecto 1/ D: redujimos el diámetro de la esfera en cien (diez centímetros a un milímetro), ¡y la superficie del volumen equivalente aumentó en un factor de cien!

La combinación de superficie y carga superficial es potente. Tenemos que lidiar con dos efectos diferentes pero relacionados: la coagulación y el intercambio iónico. La Figura 2-24 es una caricatura que muestra los diversos fenómenos discutidos en los siguientes párrafos.

coagulación: Las partículas arcillo-minerales, con sus cargas negativas en las caras y cargas positivas en los bordes, tienden a agruparse por atracción electrostática, en una disposición de borde a cara. (Tenga en cuenta que los cargos similares repelen y a diferencia de los cargos atraen.) Esta tendencia a la coagulación es uno de los factores importantes que hacen que los suelos ricos en arcilla sean pegajosos y tenaces.

intercambio iónico: Como verá en un capítulo posterior, sobre el agua, la molécula de agua tiene un “lado” cargado positivamente y un “lado” cargado negativamente. Debido a eso, las moléculas de agua tienden a ser atraídas hacia las superficies cargadas de las partículas coloidales. Imagínese un enjambre de moléculas de agua, tal vez de hasta varias moléculas de espesor, en la superficie de la partícula de arcilla, sacudiéndose y golpeándose entre sí, de vez en cuando intercambiando lugares con otras moléculas de agua de la solución más allá. Esa capa de moléculas de agua actúa como una especie de “cojín” para la partícula. Incluidos en la capa de moléculas de agua poco unidas hay iones positivos, que son atraídos por las caras cargadas negativamente de las partículas de arcilla. Además, las arcillas esmectitas absorben y desprenden agua e iones positivos hacia y desde sus superficies internas. Estas moléculas de agua poco unidas son las últimas en ser extraídas por las raíces de las plantas a medida que un suelo se seca entre lluvias. Ya sabes que el potasio es uno de los nutrientes vegetales más importantes. Su continua abundancia en el suelo es en gran parte el resultado de su atracción por los coloides, junto con el reciclaje en materia orgánica. Debido a esta combinación de atracción hacia los coloides y reciclaje por parte de las plantas, bajo condiciones naturales el depósito de potasio disponible, liberado por la meteorización química de minerales primarios, se mantiene a un nivel viable para el crecimiento de las plantas ante la continua pérdida de solución a la percolación descendente agua de la superficie.

2.9.3 Materia Orgánica

Las partes superiores de los depósitos superficiales, el suelo del científico del suelo y especialmente del agricultor, suelen tener abundancia de materia orgánica así como materia mineral inorgánica. No es fácil especificar qué se entiende por materia orgánica. Comprende una amplia y compleja variedad de compuestos químicos que un químico llamaría compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos son aquellos que consisten en átomos de carbono, unidos entre sí y a átomos de otros elementos, principalmente oxígeno e hidrógeno pero incluyendo elementos tales como nitrógeno y azufre también, en una gran variedad de formas. Los compuestos orgánicos son tanto naturales como sintetizados en laboratorio.

Figura 2-24. Vista submicroscópica de una partícula coloidal arcillo-mineral en su ambiente acuoso.

La materia orgánica de los suelos se deriva en última instancia del crecimiento de las plantas. (Las plantas y los animales vivos no se consideran convencionalmente como materia orgánica: ¡hay que esperar hasta que muera el organismo!) Los tejidos vegetales no vivos en sí mismos son materia orgánica, al igual que la gran variedad de compuestos orgánicos que resultan de la descomposición parcial de ese material vegetal. Los tejidos de animales muertos y sus productos de descomposición también representan materia orgánica del suelo, aunque no casi en la misma abundancia que la materia orgánica derivada de plantas.

Un conocimiento profundo de la materia orgánica del suelo requeriría una familiaridad mucho mayor con la química orgánica (la rama de la química que se ocupa de los compuestos orgánicos) de lo que es apropiado para este curso. Aquí solo podemos tocar algunas de las consideraciones y tipos de materiales más importantes.

2.9.3.2 El papel de la materia orgánica del suelo en el ciclo del carbono

El elemento carbono es una sustancia clave en el funcionamiento del entorno cercano a la superficie de la Tierra. Eso se produce por su importante papel en los organismos vivos, la materia orgánica del suelo, la atmósfera y los océanos en forma de dióxido de carbono gaseoso y disuelto, y sedimentos carbonatados. Habrá un tratamiento más detallado sobre el ciclo del carbono de la Tierra en un capítulo mucho posterior sobre los ciclos geoquímicos. Aquí debe bastar señalar que el suelo juega un papel importante en ese ciclo del carbono. Se estima que el suelo de la Tierra contiene casi el doble de carbono que el stock de vegetación viva y la atmósfera combinadas.

Las plantas toman gas dióxido de carbono de la atmósfera y lo convierten, mediante fotosíntesis alimentada por luz solar, en los compuestos orgánicos que constituyen el material vegetal. Cuando las plantas mueren, parte del material vegetal muerto se descompone de nuevo en dióxido de carbono y agua por oxidación. En parte esa descomposición implica reacciones químicas no biológicas, pero en gran parte está mediada por la actividad metabólica de los microorganismos del suelo. El resultado final, sin embargo, es el mismo: producción de CO ₂. Parte de ese CO ₂ permanece disuelto en el agua del suelo y parte se libera a la atmósfera.

2.9.3.3 Tipos de Materia Orgánica del Suelo

Hay muchos tipos de materia orgánica. Estos compuestos van desde fácilmente descomponibles hasta muy difícilmente descomponibles. Una planta típica consiste en compuestos fácilmente transformados como polisacáridos y lípidos, rigidizados con los materiales mucho más resistentes celulosa y lignina, los principales componentes del tejido vegetal leñoso. Las ligninas, de las cuales hay diversos tipos, son los tejidos vegetales más lentos en descomponerse. Sólo unos pocos tipos de organismos, principalmente hongos, pueden descomponer las ligninas.

El último residuo que deja atrás la descomposición de los materiales vegetales se llama humus. Lo que se llama humus comprende una serie de compuestos orgánicos muy estables. El humus es siempre de color oscuro, la razón es que las estructuras químicas del humus absorben casi todas las longitudes de onda de la luz visible. El humus es de grano tan fino que sus partículas (que en realidad son moléculas grandes) se encuentran en el extremo fino del rango de tamaño coloidal. Estos compuestos, cuyos bloques básicos de construcción son estructuras de anillo hexagonales de carbono (llamadas compuestos aromáticos, en química orgánica) con grandes pesos moleculares (es decir, que contienen un número muy grande de átomos polimerizados en sus estructuras). Son los materiales orgánicos que son los más resistentes a la descomposición microbiana. La capacidad de retención de agua del humus, mencionada en una sección anterior, es varias veces mayor que la de las partículas arcillo-minerales.

La descomposición del humus es un proceso lento. La vida media típica del humus (es decir, el tiempo que lleva descomponer la mitad de una masa inicial del material) se mide en muchas décadas, ¡o incluso en unos pocos siglos! Un efecto importante que ralentiza la descomposición es la complejación de las moléculas del humus con partículas inorgánicas de arcilla-mineral. Por procesos poco entendidos, esta asociación protege al humus de la descomposición.

2.9.3.4 El papel de la materia orgánica en los suelos

Con respecto al crecimiento de las plantas, el humus es un componente esencial del suelo. Es de conocimiento común entre los jardineros que las plantas crecen mejor en suelos ricos en humus. Existen diversas razones para ello, tanto directas como indirectas. No se trata solo de suministrar nutrientes: el humus no es particularmente rico en nutrientes (a pesar de lo que se ha hecho creer a muchos jardineros orgánicos). La mayoría de los nutrientes que necesitan las plantas son iones inorgánicos disueltos en soluciones acuosas del suelo, aunque el humus juega algún papel en el suministro de nutrientes para las plantas.

Son los efectos indirectos del humus sobre las propiedades del suelo los aspectos más beneficiosos del humus. El humus puede ser visto como un acondicionador de suelos. Estos efectos involucran propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo En términos de efectos físicos, el humus reduce la adhesión y cohesión de los suelos ricos en arcilla, y promueve la formación de textura granular, tan apreciada por los agricultores porque mejora la labranza del suelo. En términos de efectos químicos, el humus es aún más efectivo para adsorber y retener iones nutritivos que las partículas de arcilla-mineral. En términos de efectos biológicos, el humus es el sustrato más importante para las actividades vitales de los microorganismos del suelo; proporciona la mayor parte del alimento para los organismos del suelo que se alimentan de detritos.

Si está dispuesto a sentirse abrumado por la multitud de formas en que la materia orgánica afecta las propiedades del suelo, la productividad de las plantas y la calidad ambiental, mire la Figura 2-25.

2.9.4 Organismos del Suelo

El último componente realmente importante del depósito comprende los organismos del suelo: las plantas y los animales que pasan parte o la totalidad de su vida en el suelo. El suelo es uno de los ecosistemas más importantes de la Tierra. (Para un breve repaso sobre la ecología y los ecosistemas, consulte la sección de antecedentes a continuación.) Cada puñado de tierra contiene literalmente miles de millones de organismos, casi todos ellos microorganismos, demasiado pequeños para ser vistos a simple vista. La microbiología de los suelos es una disciplina completamente desarrollada y muy importante en sí misma, y solo puedo tocarla aquí.

Figura 2-25. Cómo la materia orgánica afecta las propiedades del suelo, la productividad de las plantas y la calidad ambiental. (De Brady y Weil, 2002.)

Antecedentes: Ecología y Ecosistemas

1. El término ecología, que suele emplearse de manera demasiado floja en los medios populares en estos días, es el estudio de las interrelaciones entre los organismos y su entorno. La entidad más grande estudiada en ecología es el ecosistema, que consiste en alguna parte elegida del ambiente físico y químico y todos los organismos dentro del mismo. Un ecosistema involucra todos los procesos e interacciones físicos, químicos y biológicos que operan dentro de la parte dada del ambiente. Un ecosistema puede ser tan grande como toda la biosfera o tan pequeño como un charco de agua a nuestros pies.

2. ¿Cuáles son los elementos de un ecosistema? Un hábitat es el ambiente local en el que vive un organismo determinado. Los ecosistemas suelen involucrar una serie de hábitats diferentes y distintivos. Un concepto similar pero diferente es el de un nicho ecológico, que es la posición del organismo en su hábitat, incluyendo su forma de vida y su papel en el ecosistema. La mayoría de los hábitats están ocupados por varias especies, cada una con su propio nicho ecológico. Cada especie en un ecosistema está representada por un número (generalmente, pero no siempre, grande) de organismos individuales, llamados población. Una población de dos o más especies que ocupan un hábitat determinado se llama comunidad. Puede haber más de una comunidad en un ecosistema dado.

3. Dentro de cualquier ecosistema, normalmente hay muchos tipos de interacciones entre los constituyentes, tanto vivos como no vivos. Estas interacciones se pueden ver en términos de flujos de materia y energía a través del ecosistema. Los compuestos orgánicos son sintetizados a partir del ambiente por los productores, que en todos menos los ecosistemas más especializados son las plantas fotosintetizadoras. Los productores son a su vez consumidos por animales comedores de plantas, llamados herbívoros. Algunos de los herbívoros son a su vez consumidos por carnívoros (o por omnívoros, que cada uno tanto plantas como animales). Otros elementos del ecosistema son los parásitos, que se alimentan de organismos vivos sin matarlos, y los carroñeros, que se alimentan de organismos muertos.

4. La secuencia de especies que van desde los productores, en un extremo, hasta los carnívoros que ningún otro carnívoros come, en el otro extremo, se llama cadena alimentaria. A menudo el término red alimentaria es más apropiado, porque la situación real es más complicada que una simple disposición lineal de especies. Los tejidos de productores, herbívoros y carnívoros que no son consumidos por especies superiores en la cadena alimentaria se descomponen por organismos llamados descomponedores, que suelen ser bacterias.

5. Cuando pensamos en ecosistemas, tendemos a pensar en selvas tropicales, o amplias extensiones de pastizales en los que grandes mamíferos deambulan y son fotografiados por ecoturistas. En un sentido real e importante, sin embargo, una palada de suelo natural es un ecosistema, y uno muy complejo en eso.

Una forma de clasificar los organismos del suelo es en plantas y animales. Hay más en eso de lo que podría parecer, sin embargo, porque aunque todos aprendimos, cuando éramos pequeños, que la vida se divide en un reino animal y un reino vegetal, la mayoría de los biólogos hoy en día reconocen cinco reinos. Pero esa es otra historia que no necesitamos tratar en este curso. Hay dos formas más útiles, para nosotros, de clasificar los organismos del suelo:

• heterótrofos vs. autótrofos: los autótrofos son organismos que generan sus propios tejidos a partir de materia prima inorgánica, mediante el uso de (principalmente) energía solar. Las plantas son autótrofas. Los heterótrofos son organismos que utilizan la materia orgánica producida por otros organismos como alimento.
• los organismos del suelo pueden clasificarse como macroorganismos (organismos con un tamaño que va hasta el de, digamos, lombrices de tierra), mesoorganismos (organismos que van hasta una pequeña fracción de milímetro) y microorganismos (organismos de tamaño microscópico, menor que aproximadamente una décima de milímetro).

El número de tipos de organismos por unidad de volumen de un suelo aumenta fuertemente con la disminución del tamaño del organismo. Un suelo típico podría contener varias especies de vertebrados y varias especies de lombrices de tierra, junto con varias decenas de especies de insectos, docenas de especies de mesoorganismos, pero miles de especies de microorganismos. Además, el número de organismos por unidad de volumen aumenta espectacularmente con el tamaño decreciente: aunque, obviamente, los números varían ampliamente dependiendo del tipo y condición del suelo, el número de macroorganismos y mesoorganismos es grande pero no abrumador, mientras que el número de microorganismos, por cúbico metro, digamos, ¡podría estar en los billones!

Todo un capítulo debería dedicarse aquí a la naturaleza y significado de las actividades vitales de los organismos del suelo. Por interesantes que sean, las actividades de lo que se han llamado ingenieros de ecosistemas (excavadoras de vertebrados, lombrices de tierra, hormigas, termitas y similares) en la modificación de la naturaleza física del suelo pálido en comparación con las actividades de vida de los microorganismos del suelo. Los microorganismos desempeñan el papel esencial de descomponer la materia orgánica del suelo (principalmente residuos vegetales) y convertirla en dióxido de carbono, agua, iones disueltos y los residuos finalmente resistentes llamados humus anteriormente en esta sección.

Varios tipos principales de microorganismos están bien representados en los suelos. Los más importantes son las algas, bacterias y hongos, y varios tipos de protozoos. Las algas, que son plantas fotosintéticas, son abundantes solo en las partes superiores de los depósitos, muy cerca de la superficie iluminada por el sol. Los hongos y protozoos son importantes pero restringidos a las zonas poco profundas. Las bacterias, por otro lado, varían ampliamente hacia abajo hasta grandes profundidades.

Figura 2-26. La red alimentaria del suelo. (De Brady y Weil, 2002)

La Figura 2-26 muestra un diagrama de la red alimenticia del suelo. He conservado el pie de foto original para ti. ¡Tenga en cuenta que se describe como “enormemente simplificado y generalizado”!

2.9.5 Soluciones de Suelo y Gases del Suelo

Todos los suelos son porosos hasta cierto punto (es decir, contienen espacios vacíos, llamados espacios porosos o espacios vacíos, entre los diversos constituyentes sólidos). Es lógico pensar que los espacios porosos deben contener ya sea un gas o un líquido, o algunos de ambos. Si los espacios de poro están ocupados únicamente por líquido o si están ocupados principalmente por un gas depende de dónde se encuentre la región del suelo en relación con el nivel freático: debajo del nivel freático el suelo está completamente saturado con una solución acuosa de poros, mientras que por encima del nivel freático el poro los espacios están ocupados principalmente por gas.

La razón por la que he utilizado el término “solución acuosa de poros” en lugar de solo “agua porosa” es que el agua en los espacios porosos contiene una gran variedad de sustancias disueltas, en concentraciones variables. Justo después de una tormenta, a medida que el agua de lluvia se percola hacia abajo para reponer el nivel freático, las concentraciones de materiales disueltos son muy bajas (excepto los gases atmosféricos disueltos), pero a medida que pasa el tiempo algunos de los constituyentes de las partículas del suelo se lixivian para entrar en solución. La química de tales soluciones de suelo es una parte importante de la ciencia del suelo.

Por encima del nivel freático, los espacios porosos se llenan principalmente de gas. La composición de los gases del suelo no es muy diferente de la de la atmósfera, con una excepción importante: debido a la continua descomposición de la materia orgánica, la concentración de dióxido de carbono suele ser sustancialmente mayor que en la atmósfera suprayacente.

Incluso en la zona del suelo por encima del nivel freático, el suelo rara vez está completamente seco: algunas aguas residuales se aferran tenazmente a las partículas del suelo. Aplazaré la discusión de eso hasta el capítulo sobre las aguas subterráneas.

2.9.6 Procesos de Desarrollo del Suelo

El desarrollo de un suelo (en el sentido del agricultor y científico del suelo) depende de cinco factores principales (e interactuantes), como se muestra en la Figura 2-27. De estos, se podría pensar que el material padre es el más importante. Generalmente se cree, sin embargo, que el clima es aún más importante que el material parental. La importancia relativa del clima y el material parental depende en gran medida del tiempo de desarrollo: en las etapas iniciales del desarrollo del suelo, el material parental es ciertamente el más importante, pero, a medida que pasa el tiempo, los suelos desarrollados sobre diferentes materiales parentales en un clima dado tienden a volverse más y más similares. Obviamente, deben permanecer diferencias importantes en función del material padre: si para un suelo el material padre es rico en cuarzo, y para otro suelo el material padre es una piedra caliza o una roca ígnea máfica como el basalto, los suelos nunca podrán converger.

Figura 2-27. Los cinco factores del desarrollo del suelo. (De FitzPatrick, 1986.)

La topografía es generalmente de importancia secundaria; su papel radica en gran medida en gobernar la pendiente descendente del suelo ya desarrollado, que tiende a “refrescar” la capa superior del depósito superficial al exponer menos material degradado debajo.

La importancia de los organismos radica en su capacidad para agregar la materia orgánica más importante al suelo y volver a procesar esa materia orgánica en compuestos inorgánicos, incluidos los nutrientes para un mayor crecimiento de las plantas.

También podría señalar que los cinco factores no son totalmente independientes entre sí; por ejemplo, los organismos dependen fuertemente del clima, y la topografía depende bastante también del clima, y también del material parental y del tiempo.

Este es un buen lugar para señalar que algunos suelos se desarrollan directamente sobre el lecho rocoso, pero en muchos, si no en la mayoría de los casos, el suelo se desarrolla sobre depósitos superficiales, llamados sedimentos anteriormente en este capítulo, que se derivaron del lecho rocoso en otro lugar y se transportaron al sitio de formación del suelo. En algunos lugares, el depósito superficial está groseramente “fuera de lugar”. Eso es cierto de casi todas las áreas glaciadas, Nueva Inglaterra no siendo la excepción. También es cierto para las áreas de deposición de arroyos y ríos. En tales áreas, la formación del suelo no suele estar cerca del suelo “definitivo” o “de equilibrio”, del tipo que se encontraría en un área de baja latitud, no glaciada de bajo relieve, donde el lecho rocoso se erosiona muy profundamente durante un período muy largo de tiempo geológico y el suelo está altamente desarrollado.

(Pero el hecho de que un suelo haya tenido mucho tiempo para desarrollarse no significa que sea rico y profundo: en las selvas tropicales de los trópicos húmedos, la lixiviación intensa elimina los nutrientes liberados por la meteorización química tan rápidamente que el suelo es delgado, y solo tiene una capa delgada rica en materia orgánica en la superficie; la exuberante rodal de plantas se encuentra en tenue existencia, reciclando los nutrientes de manera muy eficiente. Cuando se retira dicha cobertura vegetativa, el suelo se vuelve rápidamente irreversiblemente estéril).

Una variedad de procesos físicos y químicos actúan para desarrollar el suelo a partir de regolitos frescos. Uno de los más importantes de los que ya hemos tratado: la meteorización del lecho rocoso preexistente y/o la erosión adicional de depósitos superficiales relativamente frescos y no degradados. Otro proceso importante es el transporte vertical de materia en forma disuelta o coloidal por flujo ascendente o descendente del agua del suelo. Tales procesos se encuentran bajo el término translocación de los científicos del suelo. La translocación también incluye la mezcla vertical o batido por macroorganismos, lo que es más importante lombrices de tierra y ciertos tipos de insectos. Los procesos biológicos, lo que es más importante la humidificación del material vegetal y los procesos químicos y asistidos por organismos de ciclo de nutrientes y otros compuestos (lo más importante, nitrógeno y carbono) son procesos adicionales de formación del suelo.

La naturaleza del flujo de agua en dirección vertical en el suelo, que es en gran parte una función del clima (intensidad y frecuencia de las precipitaciones; el efecto de la temperatura, humedad y cobertura vegetativa sobre la evaporación del suelo), determina si la materia en solución se somete neta a la baja transporte o transporte neto ascendente en el suelo. Este es el aspecto del clima que es más importante en el desarrollo del suelo, junto con la naturaleza y la tasa de crecimiento de la vegetación.

2.9.7 Perfiles de Suelo

Los científicos del suelo clasifican el suelo en función de la secuencia y naturaleza de las zonas o capas verticales, llamadas horizontes, en el suelo. Cada uno de la enorme variedad de tipos de suelo tiene una sucesión característica de tales horizontes, cada uno con su grosor, composición, propiedades físicas y transiciones a horizontes superpuestos y subyacentes. La sucesión particular de horizontes se denomina perfil de suelo.

Para tener una buena imagen de un perfil de suelo, necesitas entrar en tu patio trasero y cavar una zanja, con cuidado, de aproximadamente un metro de profundidad y lo suficientemente ancha para una buena vista lateral, con un lado plano y casi vertical y afeitada cuidadosamente para una buena visualización con una mínima mancha de material de suelo en la cara de observación. Las excavaciones para cimentaciones, o incluso grandes agujeros para plantar árboles o arbustos, pueden servir bien al propósito. Para obtener los mejores y más representativos resultados, es necesario asegurarse de excavar en un lugar que no haya sido llenado o excavado en los últimos tiempos, por humanos, ya sea antes o después de la época del asentamiento europeo, y tampoco haya sido cultivado. En Nueva Inglaterra, los bosques que sirvieron como tierras de pastoreo en lugar de como campos labrados son los mejores lugares para ver perfiles de suelo intactos.

Es peligroso para mí describir uno o algunos perfiles de suelo para ti, porque existe tal multiplicidad de tipos de suelo importantes (ver la siguiente sección), pero por concreción, y un buen comienzo para pensar en horizontes y clasificación del suelo, aquí hay una descripción de un suelo típico de Nueva Inglaterra ( Figura 2-28). Las dos condiciones que experimenta un suelo que son los factores más importantes en su desarrollo son (1) un fuerte movimiento neto descendente del agua a través del perfil, y (2) las aguas ácidas. En la clasificación tradicional de suelos, dicho suelo se llamaría suelo podzol.

Figura 2-28 [izquierda]. Un perfil vertical a través de un suelo típico de Nueva Inglaterra. (Desde. Figura 2-29 [derecha]. Un perfil vertical a través de un suelo típico de América del Norte. (De FitzPatrick, 1986.)

Justo en la superficie hay una capa de hojarasca: hojas y ramitas que han caído recientemente, en los últimos años. Eso califica hacia abajo en una capa de materia orgánica en un estado progresivamente más avanzado de humificación con profundidad. Juntas estas capas superiores, llamadas horizonte H si usualmente saturado de agua o el horizonte O si no usualmente saturado de agua, son la parte del suelo que es con mucho la más rica en materia orgánica y organismos vivos, y más propicia para el cultivo, en cuyo caso el original La capa rica en orgánicos se labra y se mezcla hacia abajo para formar el mejor medio para el crecimiento de las plantas. Su grosor suele oscilar entre apenas unos centímetros hacia arriba hasta diez a veinte centímetros. Pasa de manera bastante abrupta a una capa que consiste principalmente en granos minerales, generalmente en su mayoría cuarzo (si el suelo está bien desarrollado y el material parental tenía un porcentaje bastante alto de cuarzo), con un característico color gris claro. Gran parte, o la mayoría, o en casos extremos incluso todos, de los otros minerales de silicato han sido lixiviados fuera de esta capa por descomposición por paso neto descendente, desde la superficie, de aguas que se vuelven ácidas por (1) CO ₂ disuelto de la atmósfera y (2) ácidos orgánicos producidos en los más altos ricos en orgánicos capa. Este horizonte es un ejemplo de lo que se llama el horizonte A. El horizonte A pasa hacia abajo, nuevamente de manera bastante abrupta, a una capa, llamada horizonte B, con un color característico, generalmente combinaciones de amarillo o naranja o rojo o marrón. Aquí es donde el hierro lixiviado del material del horizonte A se reprecipita como óxidos de hierro hidratados dentro de los espacios de poro entre los granos minerales existentes, y se han depositado partículas finas de arcilla-mineral producidas por reacciones de meteorización en el horizonte A. (El término general para la movilización y remoción de cosas como el hierro y el aluminio de un horizonte de suelo es eluviación; su deposición en un horizonte dado se llama iluviación.) El horizonte B pasa gradualmente hacia un material subyacente relativamente poco afectado por los procesos del suelo; se llama horizonte C (¡pero no universalmente considerado como realmente un horizonte de suelo!).

La naturaleza precisa de los procesos fisicoquímicos que movilizan, transportan y depositan hierro y, especialmente, aluminio, aún no se comprenden del todo bien. El hierro, cuando es degradado a partir de minerales progenitores, es probable que esté complejado con compuestos orgánicos y luego precipite como óxidos insolubles más abajo en el perfil del suelo donde se degradan los compuestos orgánicos portadores. El aluminio presenta más de un problema. El aluminio en realidad no se pone en verdadera solución, pero tampoco puede descender por el perfil como grandes partículas arcillo-minerales. Probablemente viaja como coloide (es decir, partículas tan finas que están en el rango entre la solución verdadera y las partículas minerales finas) o físicamente como partículas muy finas de arcilla-mineral de tamaño submicrométrico.

Donde el nivel freático promedio se encuentra muy por debajo, el horizonte B tiende a ser difuso; donde el nivel freático promedio no está muy por debajo, el horizonte B tiende a estar más concentrado, y sus colores más fuertes. (En áreas donde el nivel freático promedio se encuentra cerca de la superficie, el horizonte B tiende en cambio a ser gris por la deposición de compuestos que contienen hierro en estado ferroso reducido, así como minerales arcillosos).

Ahora, para algo completamente diferente: una descripción cápsula de un suelo típico del continente medio de América del Norte (Figura 2-29) Tales suelos son comunes en una amplia área que incluye el oeste de Kansas, el oeste de Nebraska, el este de Colorado, la mayoría de las Dakotas, y en el centro-sur de Canadá. En la terminología tradicional, dicho suelo se llamaría suelos chernozem (del ruso para “suelos negros”), suelos castaños o suelos marrones. En tales zonas, con un clima semiárido (precipitación de 15 a 25 pulgadas) y fuertemente estacional y vegetación de pastizales dominantemente (actualmente convertida en gran parte al uso agrícola, especialmente en las partes orientales de la zona), el equilibrio entre la precipitación y la evaporación es tal que hay poco movimiento neto hacia abajo de agua en el suelo, con dos consecuencias importantes: (1) el suelo es en gran parte un sistema cerrado, en el sentido de que los constituyentes químicos producidos por la intemperie permanecen en el suelo en lugar de ser arrastrados en solución en las aguas subterráneas, y (2) el pH de las aguas del suelo tiende a ser alcalino en lugar de ácido. En tales suelos, más de un metro de espesor, la capa superior (horizonte A) del suelo, debajo de la capa orgánica superficial, son una mezcla profunda, homogénea y friable de materia orgánica y partículas minerales, no fuertemente lixiviadas, que se mantiene completamente mezclada por la actividad de los organismos excavadores. Esta capa califica hacia abajo en un material de color más claro con menos materia orgánica, y luego pasa hacia abajo a una capa (el horizonte B) en la que el carbonato de calcio ha sido precipitado por movilización de iones de calcio en las capas superiores y precipitación a niveles más profundos. El carbonato se precipita a medida que la humedad del suelo se arrastra hacia la superficie. En áreas donde el material parental contiene minerales carbonatados, la capa carbonatada está mejor desarrollada, pero los minerales carbonatados tienden a depositarse en la parte inferior del perfil del suelo incluso en ausencia de minerales carbonatados en el material padre. ¿Por qué? Debido a la presencia común de iones de calcio en los minerales de silicato padre, y la presencia de dióxido de carbono en las aguas superficiales, para abastecer el ion carbonato.

2.9.8 Clasificación de Suelos

Ahora, a la problemática y confusa cuestión de la clasificación de suelos. Las primeras clasificaciones, antes de mediados del siglo XX, se basaban en gran medida en términos y conceptos desarrollados a fines del siglo XIX por científicos rusos del suelo, que fueron verdaderos pioneros en el estudio científico de los suelos. Estos términos son todavía comunes, pero en las últimas décadas un sistema de clasificación sistemático y muy detallado, desarrollado y continuamente refinado por científicos del suelo en el Departamento de Agricultura de Estados Unidos, ha entrado en uso generalizado, a pesar de su complejidad y terminología casi absurdamente no intuitiva. Además, otras clasificaciones más nuevas están en uso en otras partes del mundo.

(El “casi absurdamente” en el párrafo anterior un juicio de valor, lo sé, pero es una visión ampliamente compartida. Apenas por risas, estoy anexando, como Figura 2-31, del tomo grueso sobre taxonomía de suelos publicado por el Personal de Encuesta de Suelos del Departamento de Agricultura, los nombres oficiales de los “grandes grupos”, que son la tercera etapa en la jerarquía taxonómica. Cada uno de los 185 grandes grupos se subdivide a su vez en subgrupos. ¡Hay casi mil subgrupos! Esta clasificación es una maravilla de clasificación y terminología racional y sintética. También en la Figura 2-30 se encuentra una página típica de la misma fuente, dando una descripción de algunos de los subgrupos de uno de los grandes grupos. Otro punto interesante acerca de esta clasificación es que, a diferencia de cualquier otra clasificación que conozco, en cualquier campo de la ciencia, insisten en capitalizar cada nombre de suelo: Durorthidic Xerorthents, en lugar de xerorthidic xerorthents.)

Creo que lo que sería más valioso para ustedes en este punto es tener la clasificación del suelo despojada a sus elementos esenciales más básicos. Eso lo haré por ti de dos maneras. Primero, la Figura 2-31 da las “órdenes” de suelo del sistema de clasificación USDA. Incluso esta presentación más reducida necesita algunas palabras de explicación. Un pedón (rima con “head on”) es la unidad básica del suelo: la columna de suelo, con sus diversos horizontes, en una pequeña área representativa del orden de un metro cuadrado. El epipedón es solo el horizonte superficial del pedón; suele ser rico en materia orgánica. En segundo lugar, la Figura 2-32, en tres partes, da (A) una clasificación simple de las zonas climáticas de la tierra, y correspondiente a eso, (B) los principales tipos de vegetación y (C) los principales grupos de suelo. El suelo típico de Nueva Inglaterra, descrito en la sección anterior, es un podzol desarrollado en un clima con inviernos severos (!) y con bosque de abetos. (Nota menor: el clima del sur de Nueva Inglaterra es gradacional en el extremo más frío de la caja “húmeda” en la Figura 2-32 y la caja para suelo podzólico marrón gris en la Figura 2-32. Los bosques nativos del sur de Nueva Inglaterra son una mezcla de coníferas y maderas duras caducifolias).

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Figura 1-30. A) Órdenes, subórdenes y grandes grupos del sistema de clasificación de suelos desarrollado por el Soil Survey Staff del Departamento de Agricultura de Estados Unidos. B). Una página aleatoria del sistema de taxonomía de suelos del Departamento de Agricultura de Estados Unidos. (Del Personal de Encuesta de Suelos, 1994)

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Figura 2-31. Órdenes del sistema de clasificación de suelos del Departamento de Agricultura de Estados Unidos. (Modificado de Winegardner, 1996.)

Figura 2-32. Relación altamente simplificada del tipo de vegetación y el tipo de suelo con las principales zonas climáticas. (Top) distribución de tipos de clima. (Medio) Distribución de los tipos de vegetación en la base climática. (Abajo) Distribución de los grupos de suelo sobre la base climática. (De Hunt, 1972.)

Referencias

Brady, N.C. y Weil, R.R. 2002, La naturaleza y la propiedad de los suelos: Prentice Hall, 960 p.

FitzPatrick, E.A., 1986, Una introducción a la ciencia del suelo: Longman, 255 p.

Merrill, G.P., 1897, Un tratado sobre rocas, meteorización rocosa y suelos: Macmillan, 411 p.

Hunt, C.B., 1972, Geología de los suelos; su evolución, clasificación y usos: Freeman, 344 p.

Soil Survey Staff, 1994, Claves para la taxonomía de suelos: Departamento de Agricultura de Estados Unidos, Servicio de Conservación de Suelos, 306 p.

Taylor, G., y Eggleton, R.A., 2001, Geología y Geomorfología Regolith: Wiley, 375 p.

Winegardner, D.L., 1996, Una introducción a los suelos para profesionales del medio ambiente: Lewis Publishers, 270 p.