EDAFOLOGIA. Lección 3. Constituyentes del suelo. El agua y los gases.

La fase líquida del suelo está constituida por el agua y las soluciones del suelo.

El agua procede de la atmósfera (lluvia, nieve, granizo, humedad atmosférica). Otras fuentes son infiltraciones laterales, capas freáticas etc...

Al incorporarse el agua al suelo se va enriqueciendo en iones formando la solución del suelo (disolución para los químicos) procedentes de la alteración de los minerales y de la materia orgánica. Además de iones de muy diversa naturaleza disueltos en la solución del suelo se encuentran moléculas y partículas colidales dispersas. La composición de la solución del suelo fluctua temporal y espacialmente debido a los cambios estacionales de la actividad biótica (vegetación y microorganismos), debido a los cambios de humedad y a los cambios de tempoeratura. La concentración se diluye en los periodos húmedos y se concentra en las fases secas. Además la composición no es la misma de la solución que circula por los grandes poros de la retenida en los microporos. Esta variabilidad hace que sea difícil dar unos valores representattivos. Desde el punto de vista de los componentes inorgánicos en la solución predomina el Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, Si⁴⁺, F^-, NH⁴⁺, NO^3-, NO^2-, Cl^-, SO₄^2-, HPO₄^2-, H₂PO^4-, y en menores cantidades Al³⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺ y As^{3+ y 5+} y como componentes orgánicos se encuentra la fase de la materia orgánica disuelta como polisacáridos, monosacáridos, ácidos orgánicos de bajo peso molecular (ácido acético, oxálico, cítico, tartárico, salicílico, ...) juntoa a bencenas, aldehidos, polifenoles y aminoácidos.

El movimiento del agua en el suelo constituye el agente más importante en la formación de los suelos. agua ejerce importantes acciones. El agua interviene decisivamente tanto en la meteorización física y química, y translocación de sustancias como desde el punto de la fertilidad, además del agua en sí misma es imprescindible para las plantas, el agua transporta los nutrientes, las sales solubles y los contaminantes a través del suelo y/o al subsuelo (enriquecimiento o pérdidad de los nutrientes). Produce el hinchamiento y el encogimiento de las arcillas, uniendo sus partículas y provocando el desarrollo de la estructura del suelo. Su importancia es tal que la popular sentencia "Donde no hay agua, no hay vida" la podemos adaptar en nuestro caso y decir que "Donde no hay agua, no hay suelos".

La fase líquida circula a través del espacio poroso, queda retenida en los huecos pequeños del suelo y está en constante competencia con la fase gaseosa. Los cambios climáticos estacionales, y concretamente las precipitaciones atmosféricas, hacen variar los porcentajes de cada fase en cada momento.

El concepto de estado energético es tan importante o más que la cantidad de agua del suelo, pues predice el comportamiento, ya que el movimiento del agua está regulado por su energía.

El agua en el suelo tiene varias energías y su medida se expresa en unidades de potencial (energía por unidad de masa). Los tipos de energía más importantes son: energía potencial (es la que tiene un cuerpo por su posición en un campo de fuerza), energía gravitacional (es la que tiene un cuerpo en función de su posición en el campo gravitacional), energía cinética (debida al movimiento; despreciable en nuestro caso dada la lenta circulación del agua en el suelo), energía calorífica, energía química, energía atómica, energía eléctrica... La energía libre será la suma de todas estas energías.

Como resultado de esa energía un cuerpo se puede desplazar o quedar en reposo. El grado de energía de una sustancia representa una medida de la tendencia al cambio de ese cuerpo. Las sustancias sufren cambios para liberar y disminuir su energía, es decir el agua del suelo se mueve de las zonas de más alto potencial a las de valor más bajo.

En realidad para el agua del suelo son sólo dos las enregía importantes, la potencial y la gravitacional. Al conjunto de fuerzas que retienen el agua del suelo se llama potencial de succión. Tiene un sentido negativo y es el responsable de las fuerzas de retención del agua dentro del suelo, es igual al potencial matricial más el osmótico. Frente a él está el potencial gravitacional

que tiene un signo positivo y tiende a desplazar el agua a capas cada vez más profundas.

Cuando el potencial de succión es mayor que el potencial gravitacional, el agua queda retenida en los poros, y cuando el potencial de succión es menor que el gravitacional, el agua se desplaza hacia abajo.

El agua del suelo está sometida a fuerzas de adhesión o también llamada adsorción (fuerzas de atracción debidas a la adsorción en la superficie de dos sustancias de distinta composición; unión agua-suelo) y fuerzas de cohesión (atracción entre dos partículas adyacentes de un mismos material; unión de las moléculas del agua entre sí). Otra propiedad importante es la tensión superficial que se desarrolla en la interfase entre el agua y el aire y es el resultado de la mayor intensidad entre las fuerzas de unión entre las partículas del agua (cohesión) que entre las partículas del agua y las del aire.

La atracción por adsorción se origina como consecuencia de que la superficie de las partículas de los sólidos se encuentran descompensadas eléctricamente. Las moléculas del agua actúan como dipolos y son atraídas por fuerzas electrostáticas sobre la superficie de las partículas de los constituyentes del suelo. Como consecuencia de estas fuerzas de adsorción se origina la adhesión de una capa de moléculas de agua a la superficie de las partículas del suelo.

Por otra parte en los microporos del suelo queda retenida el agua por fuerzas capilares.

Para el agua del suelo la capilaridad es una propiedad que le confiere la capacidad de subir por los tubos capilares (<1mm). Depende de su tensión superficial la cual, a su vez, está regulada por las fuerzas de adhesión y ls fuerzas de cohesión.

Las moléculas de agua son atraídas por los lados del tubo de vidrio (adhesión) y comienzan a extenderse a lo largo de las paredes. Al mismo tiempo, las moléculas del agua se atraen entresí (cohesión) con una fuerza mayor que la que las une al aire manteniéndose por tanto juntas y creando una tensión superficial que curva la superficie formando un menisco en la interfase agua-aire. Como resultado de la adhesión de las moléculas del agua con las paredes del tubo la presión es más baja debajo del menisco (P2 en la figura) que por encima (P1) lo que permite que el agua libre (P1) suba por el tubo hasta que el peso de la columna de agua llegue a compensar el déficit de presión (P2=P1).

Como es lógico, cuanto más pequeño es el diámetro del tubo capilar mayor será la presión capilar y la altura alcanzada. La altura alcanzada por el agua en el tubo es inversamente proporcional al diámetro del tubo.

Potencial osmótico es debido a las sales y por tanto sólo es importante para los suelos salinos. Cuando se ponen en contacto dos líquidos de diferente concentración la disolución más concentrada atrae al agua para diluirse. Sólo es importante en el caso de suelos salinos.

Para medir la humedad del suelo se efectúa por el método de la perdida de peso de una muestra húmeda tras eliminar el agua en estufa a 105ºC (se van efectuando sucesivas pesadas tras periodos de calentamientos hasta obtener valores constantes).

L a cantidad de agua que tiene el suelo debe expresarse en función de la fuerza a que es retenida, ya que su comportamiento va a ser muy distinto dependiendo de las fuerzas de retención a que se encuentre sometida. Efectivamente si la mayor parte del agua está debilmente retenida esta se podrá mover y será asimilable para las plantas, mientras que si toda el agua está fuertemente retenida, carecerá de movilidad y será un agua inútil para las plantas.

Para medir el potencial de succión existen varios métodos para utilizar en el campo o en el laboratorio.

a) Métodos de campo. El más sencillo es el método del tensiómetro. Consiste en introducir en el suelo una bujía (porosa en su parte inferior, generalmente cerámica) llena de agua. La bujía tras rellenerla de agua se cierra herméticamente y lleva acoplada un manómetro. Al succionar el suelo parte del agua de la bujía a través de su pared porosa se produce en ella un vacío que se mide en el manómetro. Más que medir potenciales de succión refleja sus variaciones y sirve para controlar in situ la cantidad de agua retenida por el suelo y por tanto es un método útil para el control de riego.

a) Métodos de laboratorio. El más universal es el método la placa de presión o membrana de Richards.

Se somete a unas muestras de suelo saturadas de agua a una serie de presiones en una olla metálica conectada a un compresor de aire . Cuando se iguala la presión suministrada a la fuerza de succión del agua en la muestra, el agua sale del suelo. Las muestras de suelo se van sometiendo durante un tiempo suficiente a presiones determinadas hasta alcanzar el equilibrio, se sacan de la prensa y se pesan inmediatamente, luego se secan en estufa a 105º y se pesan hasta peso constante; la diferencia de peso da la humedad a esa presión.

Las medidas de fuerzas de retención del agua del suelo llegan hasta 16.000 gr/cm2. Para simplificar los datos se utilizan unidades de pF que representan los valores de los logaritmos decimales de las fuerzas de succión medidas en gr/cm2 (una fuerza de 1000gr/cm2 equivale a un pF de 3). A veces las medidas se expresan en atmósferas. Para una mejor interpretación, l as medidas de humedad del suelo se acompañan de las fuerzas de retención correspondientes, por ejemplo, 35% de humedad a un pF de 2,5 y un 20% a un pF de 4,2.

El estudio de la humedad de un suelo es mucho más completo si calculamos la curva característica que relaciona gráficamente los valores de humedades y las fuerzas de retención correspondientes.

Pero esta curva no es unívoca. Para una misma muestra de suelo la curva obtenida no es la misma en una muestra húmeda que se va desecando (desorción) con respecto a la que se obtiene si se parte de la muestra seca y la vamos humedeciendo (sorción). Este distinto comportamiento del suelo según se encuentre en un periodo de desecación o de humectación en relación con la fuerza con la que el agua está retenida, es el fenómeno de histéresis. Para un determinado contenido de humedad, cuando vamos desecando un suelo se necesita aplicar un pF mayor que cuando este se va humedeciendo. Por norma internacional las medidas de humedad y retenciones se calculan siempre desecando las muestras de suelo, previamente humedecidas.

Aunque el agua en el suelo constituye un medio continuo, desde el punto de vista didáctico muchos autores admiten una serie de términos para el estudio del agua del suelo.

Agua higroscópica. Absorbida directamente de la humedad atmosférica, forma una fina película de alrededor de 15 a 20 moléculas que recubre a las partículas del suelo por fuerzas de adsorción. No está sometida a movimiento, no es asimilable por las plantas (no absorbible). Está fuertemente retenida a fuerzas superiores a 31 atmósferas, que equivale a pF de 4,5.

Agua capilar. Contenida en los tubos capilares del suelo. Es retenida en el suelo debida a la tensión superficial del agua. Dentro de ella distinguimos el agua capilar absorbible y la no absorbible.

i) Agua capilar no absorbible. Se introduce en los tubos capilares más pequeños <0,2 micras. Está muy fuertemente retenida y no es absorbible por las plantas; la fuerza de succión es de 31-15 atmósferas, que corresponde a pF de 4,5 a 4,2.

ii) Agua capilar absorbible. Es la que se encuentra en tubos capilares de 0.2-8 micras. Es un agua absorbible por las plantas. Es un agua útil para la vegetación, constituye la reserva durante los períodos secos. Está fuertemente absorbida; la fuerza de retención varia entre 15 a 1 atmósfera y se extrae a pF de 4.2 a 3.

Agua gravitacional. No está retenida en el suelo. Se habla de agua gravitacional de flujo lento y agua gravitacional de flujo rápido en función de su velocidad de circulación.

De flujo lento. La que circula por poros comprendidos entre 8 y 30 micras de diámetro, se admite que está retenida a un pF que varia desde 3 a un valor que varia entre 1,8 y 2,5. Tarda de 10 a 30 días en atravesar el suelo y en esos días es utilizable por las plantas.

De flujo rápido. La que circula por poros mayores de 30 micras. Es un agua que no queda retenida en el suelo y es eliminada al subsuelo, pudiendo alcanzar el nivel freático. Es un agua inútil, ya que cuando está presente en el suelo los poros se encuentran totalmente saturados de agua, el medio es asfixiante y las raíces de las plantas no la pueden tomar.

Capacidad máxima. Momento en el que todos los poros están saturados de agua. No existe fase gaseosa. La porosidad total del suelo es igual al volumen total de agua en el suelo.

Capacidad de retención. Cantidad máxima de agua que el suelo puede retener. Representa el almacenaje de agua del suelo. Se produce días después de las precipitaciones atmosféricas cuando el agua gravitacional abandona el suelo; no obstante, durante ese período se producen pérdidas por evaporación, absorción de las plantas, etc. Por ello es muy difícil de medir. Hay una medida equivalente que se realiza en el laboratorio a un pF=3. Corresponde al agua higroscópica más la capilar, es decir el agua que ocupa los poros <8 micras.

Capacidad de campo. Surge este término para paliar la dificultad de medida de la capacidad de retención. Representa un concepto más practico, que trata de reflejar la cantidad de agua que puede tener un suelo cuando se pierde el agua gravitacional de flujo rápido, después de pasados unos dos dias de las lluvias (se habrá perdido algo de agua por evaporación). La fuerza de retención del agua variará para cada suelo, pero se admite generalmente una fuerza de succión de 1/3 de atmósfera o pF=2,5 y corresponde a poros <30 micras (para algunos suelos el pF de 1,8 es más representativo).

Punto de marchitamiento. Representa cuando el suelo se deseca a un nivel tal que el agua que queda está retenida con una fuerza de succión mayor que las de absorción de las raíces de las plantas. Es el agua que queda a una presión de 15 atmósferas o pF=4,2. El agua contenida corresponde al agua higroscópica más el agua capilar no absorbible.

En la figura te muestro los tipos de aguas presentes en un suelo al irse desecando progresivamente.

En la siguiente figura puedes ver las relaciones entre el espacio poroso ocupado por el agua y el correspondiente al aire en cada uno de estos estados.

Agua útil. Es el agua de gravedad de flujo lento más la capilar absorbible. Representa el agua en capacidad de campo menos la que hay en el punto de marchitamiento.

En la siguiente figura te reproduzco los valores típicos para suelos con distintas granulometrías. En ella destacan hechos muy interesantes.

Suelos arenosos, muy baja capacidad de campo, pero comparativamente el agua útil frente a la almacenada en el punto de marchitamiento.

Suelos arcillosos, muy alta capacidad de campo, pero con gran cantidad de agua inútil en punto de marchitamiento.

Suelos de granulometrías equilibradas, buenas características al compensarse los efectos de las arenas y de las arcillas.

Esta figura con los valores de humedad característicos para dos texturas de suelo extremas (arcillosa y arenosa) te van a aclarar mejor la idea que te quiero transmitir.

Es la menos estudiada, debido a que cambia fácilmente y es muy difícil de muestrear y estudiar. Sin embargo es una fase muy importante para la respiración de los organismos y responsable de las reacciones de oxidación.

Se sitúa en los poros del suelo, en ellos las fases líquida y gaseosa están en mutua competencia, variando sus contenidos a lo largo del año. Un suelo en capacidad máxima no contendrá fase gaseosa mientras que otro en punto de marchitamiento presentará valores muy altos. En condiciones ideales la fase atmosférica representa un 25%, otro 25% para el agua y un 50% para la fase sólida. Se admite que un porcentaje de aire del 10% es insuficiente.

Se supone que tiene una composición parecida a la del aire atmosférico, pero mucho menos constante.

	Aire atmosférico %	Aire suelo %
Oxígeno	21	10-20
Nitrógeno	78	78,5-80
CO2	0,03	0,2-3
Vapor de agua	variable	en saturación

(tabla de origen desconocido)

El aire del suelo muestra importantes variaciones locales, de un punto a otro, debido a que las raíces de las plantas y la actividad microbiana modifican la composición del aire de los poros.. En el suelo hay menos O₂ que en el aire y más CO₂. El contenido en CO₂ del aire del suelo es a menudo varios cientos de veces más altos que los de la atmósfera. Esto se explica por todos los procesos que tienen lugar en el suelo y que implican el consumo de O₂ y el desprendimiento de CO₂, es decir aquellas reacciones en las que estén implicados todos los organismos del suelo: respiración de las plantas, actividad de microorganismos, procesos de mineralización y procesos de oxidación. El contenido en O₂ en algunos suelos puede llegr a ser tan bajo que el ambiente se vuelve reductor (suelos hidromorfos con reacciones de gleyzación).

El contenido en humedad del aire del suelo es mucho más alto que el de la atmósfera; gneralmente el aire del suelo se encuentra completamente saturado.

Esta composición media del aire del suelo varía no solo con la profundidad del aire sino con los cambios estacionales. En los períodos de mayor actividad biológica (primavera y otoño), hay menos O₂ y más CO₂.

El aire del suelo está en continuo intercambio con el aire atmosférico y gracias a esta constante renovación la atmósfera del suelo no se vuelve irrespirable. Este movimiento puede realizarse por movimiento en masa o por difusión.

Se produce debido a variaciones de temperatura y de presión entre las distintas capas del suelo y entre este y la atmósfera. Estos gradientes hacen que entre y salga aire del suelo. El viento al discurrir por la superficie impulsa el aire dentro del suelo y también succiona el aire del suelo. Por otra parte, la lluvia al penetrar dentro de los poros expulsa al aire del suelo.

La superficie del suelo actúa como una membrana permeable que permite el paso de los gases. Se intercambian selectivamente los gases del suelo con los de la atmósfera para tratar de equilibrar su composición. Así, cuando en el suelo aumenta el CO₂, se produce una difusión del CO₂ a la atmósfera y si en el suelo disminuye el O₂ se produce una difusión del O₂ de la atmósfera al suelo. Es el factor principal en los intercambios de gases entre el suelo y el aire exterior y, por tanto, el causante principal de la renovación de la atmósfera del suelo.

El signo negativo de la difusión se debe a que en realidad representa una pérdida de un medio concentrado a otro menos concentrado.

La actividad biológica del suelo se encuentra condicionada por el aire del suelo y a su vez la respiración de las raíces y de los microorganismos aerobios modifican la composición de este aire. Esta actividad provoca una disminución del O₂ y un aumento del CO₂. Por tanto la relación de concentración de estos será un buen índice de actividad y por tanto un buen parámetro de evaluación de la calidad de un suelo.

La respiración del suelo se define como la producción total de CO₂ por unidad de área y de tiempo. A mayor producción mas alta será la actividad biológica del suelo, pero hay que controlar la temperatura y la humedad.