CATIONES EN EL SUELO Autores: Rosi Bellido Javier Rodríguez

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1 CATIONES EN EL SUELO Autores: Rosi Bellido Javier Rodríguez
Ana Gallego Carolina Rebolledo Aritz

2 Introducción El suelo contiene en disolución ciertos cationes los cuales son fundamentales para la fertilidad que necesitan las plantas. La capacidad de intercambio catiónico (CEC) de un suelo, es simplemente una medida de la cantidad de sitios sobre la superficie del suelo, que pueden retener iones cargados positivamente(cationes) por fuerza electrostática. Los cationes retenidos electrostáticamente, son fácilmente intercambiables con otros cationes en la solución del suelo y están así rápidamente disponibles para que los tomen los vegetales.

3 Introducción Los cationes que frecuentemente ocupan las posiciones de cambio en los suelos son: Ca++, Mg++, K+, Na+, H+, Al+++, Fe+++, Fe++, NH4+, Mn++, Cu++ y Zn++. En los suelo ácidos predominan H+ y Al+++, en los suelos alcalinos predominan las bases fundamentalmente el Na+ y en los neutros el Ca++.

4 1. CAMBIO IÓNICO Se define el cambio iónico como los procesos reversibles por los cuales las partículas sólidas del suelo adsorben iones de la fase acuosa liberando al mismo tiempo otros iones en cantidades equivalentes, estableciéndose el equilibrio entre ambas fases.

5 Según el tipo de iones que se intercambien,
Cambio de cationes: Suelo-M   +   X+   ----->   Suelo-X   +   M+ Cambio de aniones: Suelo-N   +   Y-    ----->    Suelo-Y   +   N- Es proceso dinámico que se desarrolla en la superficie de las partículas. Como los iones adsorbidos quedan en posición asimilable constituyen la reserva de nutrientes para las plantas. Las causas que originan el intercambio iónico son los desequilibrios eléctricos de las partículas del suelo. Para neutralizar las cargas se adsorben iones, que se pegan a la superficie de las partículas. Quedan débilmente retenidos sobre las partículas del suelo y se pueden intercambiar con la solución del suelo.

6 1.1Teorías del intercambio iónico
Red cristalina. Considera las partículas de los minerales como sólidos iónicos. Los iones de los bordes están débilmente retenidos por lo que pueden abandonar la estructura y pueden cambiarse con los de la solución del suelo. Doble capa eléctrica. Considera el contacto entre el sólido y la fase líquida como un condensador plano. Entre el metal (el sólido) y el electrólito (la disolución) existe una diferencia de potencial que atrae a los iones de la solución del suelo. Se forma una doble capa eléctrica formada por los iones del sólido y los atraídos en la solución. Membrana semipermeable. La interfase sólido-líquido actúa como una membrana semipermeable que deja pasar los iones de la solución y a los de la superficie de las partículas pero no a los del interior de los materiales.

7 1.2 Capacidad de cambio de cationes
Es el más importante, y mejor conocido. En el suelo son varios los materiales que pueden cambiar cationes. Los principales cambiadores son las arcillas y la materia orgánica (los dos materiales presentan propiedades coloidales). Las causas de la capacidad de cambio de cationes de las arcillas son: Sustituciones atómicas dentro de la red:

8 Existencia de bordes (superficies descompensadas).

9 Disociación de los OH de las capas basales.

10 Enlaces de Van der Waals.
En las arcillas, además de en su superficie, los iones pueden entrar entre las láminas.

11 Las causas de la capacidad de cambio de materia orgánica son:
-Disociación de los OH. -Disociación de los COOH. En cuanto a los factores que hacen que un suelo tengan una determinada capacidad de cambio de cationes son varios. -Tamaño de las partículas. Cuanto más pequeña sea la partícula, mas grande será la capacidad de cambio. -Naturaleza de las partículas. La composición y estructura de las partículas influirá en las posibilidades de cambio de sus cationes. Así la capacidad de cambio catiónico (CCC) de algunos de los materiales más comunes en los suelos los representamos en la siguiente tabla.

12 CCC de algunos de los materiales más comunes en los suelos:
 Naturaleza de la partícula  CCC, meq/100g  Cuarzo y feldespatos  1-2  Óxidos e hidróx. Fe y Al  4  Caolinita  3-15  ilita y clorita  10-40  Montmorillonita  80-150  Vermiculita    Materia orgánica   Como vemos la naturaleza del cambiador confiere mayor a menor capacidad de cambio. Cada 1% de arcilla puede repercutir en medio miliequivalente en la capacidad de cambio de cationes del suelo. Si en vez de arcilla nos referimos a la materia orgánica, cada 1% puede repercutir en 2 miliequivalentes más (miliequivalente / 100gr = cmol(+)Kg-1).

13 2.-PRINCIPALES FACTORES DE LOS QUE DEPENDE EL CONTENIDO DE CATIONES EN EL SUELO
2.1-Tipo de roca Dependiendo de la naturaleza de los materiales el suelo va a evolucionar de forma diferente. Por ejemplo, los suelos formados sobre rocas graníticas se caracterizan por su elevado contenido en silicio y aluminio y su bajo contenido en elementos alcalinos ( Na y K) y en alcalinotérreos ( Ca y Mg), las rocas sedimentarias y magmáticas son ricas en iones ácidos (Al3+, H+), en cambio la degradación de rocas calizas, son ricas en iones básicos(Ca2+, Mg2+, K+, Na+), esto influye muy directamente sobre el PH de los suelos. La presencia, también, de aire y agua capacitada por la porosidad del perfil, van a dar una concentración de grupos hidroxilo (OH-) y de cationes (H+), muy determinativos en el carácter ácido o básico del suelo.

14 2.2-Factor biótico Los residuos de la actividad orgánica son de naturaleza ácida.
2.3-pH En un estudio químico del suelo nos daremos cuenta que a parte de la zona estructural del suelo o substrato, existen los elementos nutritivos o abonos en forma de sales minerales más o menos solubles, la parte soluble en contacto con el agua (H2O) se encuentra disociada en dos iones. Lo que quiere decir que en el suelo no hay sales, sino iones: aniones y cationes. CATIONES - ANIONES Ca ++ Calcio PO4--- Fosfato Mg++ Magnesio SO4 – Sulfato K+ Potasio CO3 Carbonato NH4+ Amonio NO3- Nitrato Na+ Sodio CL0 Cloruro Todos los microelementos Y H+ Hidrógeno El complejo arcilloso-húmico (substrato) puede fijar diversos cationes básicos, así como los cationes hidrógeno (H+), siendo éstos retenidos más fuertemente por el complejo. La presencia, en mayor o menor cantidad de iones H+ con relación a los iones básicos, determina la reacción o acidez del suelo que se representa por el PH. , Éste valor varía teóricamente entre 0 a 14, pero en la práctica, entre 4,5 a 8,5.

15 El pH es uno de los principales responsables en la disponibilidad de nutrientes para las plantas, influyendo en la mayor o menor asimilabilidad de los diferentes nutrientes Considerando en conjunto los efectos producidos por los diferentes valores de ph en cuanto a la absorción de los nutrientes, puede decirse que el pH “ideal” está entre 6 y 7, presentándose en zonas húmedas valores entre 5-7 y 7- 8,5 para zonas áridas. Con pH muy ácidos: hay una intensa alteración de minerales y la estructura se vuelve inestable. Con pH alcalino: la arcilla se dispersa, se destruye la estructura y existen malas condiciones desde el punto de vista físico. Propiedades químicas y fertilidad: La asimilación de nutrientes del suelo esta influenciadas por el pH, ya que determinados nutrientes se pueden bloquear en determinadas condiciones de pH y no son asimilable para las plantas.

16 Disponibilidad de los nutientes en función del pH del suelo:
En la imagen se muestra la disponibilidad de los distintos nutrientes para distintos valores del pH del Suelo (a mayor grosor de las bandas, más asimilables son). En cualquier caso, cabe señalar que tales gráficos son orientativos y generalmente basados en el comportamiento de las plantas de mayor interés agropecuario.

17 En cualquier caso, el diagrama la susodicha disponibilidad se encuentra condicionada por múltiples factores y propiedades de los suelos, tales como su mineralogía, la cual nos dicta la solubilidad de los de los distintos minerales. También depende del grado de saturación del complejo de cambio o absorbente y de sus agregados (formados por la unión de las arcillas y la materia orgánica) Estos últimos factores son criterios de diagnóstico en numerosas clasificaciones del suelo, por lo que sus cartografías nos proporcionan una primera aproximación al problema que estamos tratando. Bajo ciertas circunstancias, el pH afecta a la actividad microbiana indispensable con vistas a la transformación de elementos que se presentan en formas no asimilables hacia otras que sí lo son. Este, es el caso del nitrógeno, cuyas formas inorgánicas son todas solubles independientemente del pH reinante (biodisponibilidad pH independiente).

18 Sin embargo, como ya mentamos, cuando el pH excede valores de 8 o es inferior a 6, la actividad microbiana se ve entorpecida, disminuyendo tanto la liberación de amonio como su oxidación a nitrato, por lo que disminuye la concentración de las formas asimilables de este elemento. Reiteramos que conviene tener en cuenta que estos valores son meramente aclaratorios, y que la mayoría de las plantas presentan una notable adaptabilidad a un amplio rango, siendo este factor mucho más crítico respecto a la influencia que ejerce sobre la dinámica de los nutrientes que han de ser absorbidos por las plantas.

19 Los sistemas radiculares de las Plantas pueden ser dañados bajo ambientes iónicos muy ácidos (pH inferior a 5) en diversas especies. Las enmiendas de carbonato cálcico son los sistemas más económicos y ampliamente usados con vistas a corregir tal acidez del suelo. Empero bajo pH extremadamente ácidos (inferiores a 3) pueden surgir problemas con tales prácticas. Del mismo modo cuando el pH supera el umbral de 9 pueden aparecer efectos directos del OH- o HCO3-, sobre la absorción de fósforo, hierro, molibdeno y otros nutrientes y oligoelementos. 

20 2.4-Clima Donde las precipitaciones son intensas se produce un lavado de bases en el suelo, y por precolación se van llevando los elementos que le dan alcalinidad, tendiendo el suelo a la acidez. En zonas áridas, no existen lavados y los suelos son alcalinos El agua de lluvia contienen una pequeña cantidad de gas carbónico y es capaz de disolver la caliza existente en el suelo, de tal forma que el calcio es arrastrado a capas más profundas en forma de bicarbonato de calcio.

21 2.5-Vegetación Un mecanismo que influye en la acidificación de los suelos es la actividad radicular, más concretamente la absorción de nutrientes. Todas las plantas sin excepción, coníferas o no, nativas o exóticas, agrícolas o forestales, extraen del suelo cationes básicos (Ca++, K+, Mg ++) para emplearlos en la producción de biomasa. Durante el proceso de absorción de estos nutrientes el balance de cargas al interior de la raíz debe mantenerse, de modo que cuando se absorben Ca++, K+ y/o Mg++, se liberaran a la solución del suelo H+ para restablecer, al interior de la raíz, el balance eléctrico (Bohn et al., 1985). Los H+ liberados entran en solución del suelo incrementando su concentración y aumentando la acidez. Otro mecanismo responsable de la acidificación del suelo es accionado por la acumulación de la materia orgánica sobre la superficie del suelo mineral. Una vez depositada, la materia orgánica entra en descomposición formando ácidos orgánicos (COOH) que al desplazarse al interior del suelo liberan H+ . Este H+ reemplaza a los cationes básicos (Ca++, K+ y Mg++) en las superficies de las arcillas, propiciando un ambiente más ácido. Restos orgánicos con alta relación C/N.

22 3.-OTROS FACTORES QUE AFECTAN A LOS CATIONES DEL SUELO
3.1-Hidrólisis del aluminio Responsable por la acidificación de los suelos es el proceso de la hidrólisis del aluminio(Al). El proceso se inicia con el ion aluminio trivalente (Al+3) al que se le van neutralizando sus cargas positivas gracias a la hidrolización del agua (H2O ↔ H+ + OH-). Durante este proceso, el ion Al+3, una vez removido de la superficie de las arcillas, reacciona con el agua presente en el suelo dando como resultado compuestos hidratados de Al así como iones libres de H+ que al ser liberados a la solución del suelo incrementan la acidez. La presencia en solución de los diferentes tipos de iones de Al está determinada por el pH del suelo. El ion Al+3 que se encuentra solo representa a valores de pH inferiores a 4,7.

23 3.2- Nitrificación Dado que las plantas solo se nutren de elementos químicos que se encuentren en el suelo en forma iónica, los complejos compuestos orgánicos ricos en nitrógeno (N) deben sufrir alteraciones hasta llegar a su expresión química más simple, la forma mineral. El proceso de conversión de amonio (NH4+) a nitrato (NO3 -) se conoce como nitrificación.   (2NH O2 􀁊 2NO H+ + H2O + energía) Como subproducto de este proceso se producen iones H+ que contribuyen a aumentar la acidez del suelo.

24 3.3-Lluvia ácida Efectos de la lluvia ácida en el suelo y la vegetación: Aumenta la acidez del agua de ríos y lagos, lo que causa daños a la vida acuática, tanto piscícola (peces de ríos) como vegetal. También incrementa la acidez de los suelos, lo que se traduce en cambios en la composición de los mismos, generando lixiviación (lavado) de nutrientes importantes para las plantas, tales como: calcio, nitrógeno, fósforo, etc, y movilizando metales tóxicos como el cadmio, níquel, manganeso, plomo, mercurio, cromo, etc, que de esta forma se introducen también en las corrientes de agua así como en la cadena trófica. La vegetación expuesta directamente a la lluvia ácida sufre no sólo las consecuencias del deterioro del suelo, sino también un daño directo que puede llegar a ocasionar quema de follaje y caída de hojas y frutos

25 Dinámica de la lluvia ácida
Independientemente de su origen, ya sea industrial o natural, los gases contaminantes que de la tierra suben a la atmósfera, después de un cierto tiempo y durante la época de invierno precipitan formando lo que se conoce como lluvia ácida. Dependiendo de la dirección y velocidad de los vientos así será el área de afectación que generen. También sehabla de deposición seca, cuando el contaminante precipita sin lluvia, es decir, lo hace por su propio peso.

26 Definiciones Humus: materia orgánica en descomposición que se encuentra en el suelo y procede de restos vegetales y animales muertos. La composición química del humus varía porque depende de la acción de organismos vivos del suelo, como bacterias, protozoos, hongos y ciertos tipos de escarabajos. El humus es una materia homogénea,amorfa, de color oscuro e inodora. Los productos finales de la descomposición del humus son sales minerales, dióxido de carbono y amoníaco. Solución del suelo. Agua del suelo junto los nutrientes disueltos en ella. Ión. Átomo o grupo de átomos que ha ganado o perdido electrones. Catión. Ión de carga positiva. Anión. Ión de carga negativa. Complejo arcilloso-húmico (complejo coloidal). Son pequeñas partículas de humus y arcilla que están en suspensión en la solución del suelo, que por acción del calcio se coagulan formando una masa gelatinosa, formando así el C. A-H., que determina la fertilidad del suelo. Tiene carga negativa. Disociación. Los compuestos químicos de la solución del suelo se disocian en cationes y aniones. Por ejemplo, el nitrato sódico se disocia en el anión nitrato y catión sodio.

27 Adsorción de cationes. El complejo arcilloso-húmico tiene carga negativa, por lo que atrae y retiene cationes (carga +) sobre su superficie. Los cationes adsorbidos se encuentran en un intercambio continuo y rápido con los cationes libres de la solución del suelo. Cationes adsorbidos: calcio, magnesio, potasio, sodio, amonio, hidrógeno

28 Intercambio de cationes: Es la sustitución de cationes del complejo arcilloso-húmico.
Capacidad de intercambio catiónico.(C.I.C.): Es la suma total de los cationes adsorbidos por el C. A-H, que pueden ser intercambiados por otros cationes de la solución del suelo. Se expresa en meq / 100 g. de suelo Suelos con C.I.C. < 5 meq / 100 g son suelos pobres, arenosos, poco aptos para la vida de las plantas Suelos con C.I.C. > 30 meq / 100g son suelos excesivamente arcillosos, con problemas de permeabilidad y estructura Suelos salinos: Un suelo es salino cuando tiene un exceso de sales solubles, cuyos iones en la solución del suelo impiden o dificultan el desarrollo normal de las plantas. Se consideran sales solubles las que están compuestas por los siguientes iones: Cationes: calcio, magnesio, sodio, potasio Aniones: cloruro, sulfato, bicarbonato, carbonato