Química de Suelos (Guía de estudio)

Presentación del tema: "Química de Suelos (Guía de estudio)"— Transcripción de la presentación:

1 Química de Suelos (Guía de estudio)
Estudia los procesos químicos que se producen en los suelos Dra. N. Cristina Molina Profesora Asociada Cátedra de Edafología

2 ¿Porqué interesa estudiar y conocer estos procesos?
PORQUE Constituyen uno de los factores determinantes de cómo evolucionan – a largo plazo – el contenido total y las formas de los elementos Rigen su transformación y la de los otros compuestos químicos dentro del suelo QUE A SU VEZ…

3 Rigen: En gran medida los procesos de formación del suelo
El suministro de elementos nutrientes a las plantas Las pérdidas de elementos nutrientes del suelo (a corto y largo plazo) La efectividad y destino de pesticidas La transmisión de elementos (nutrientes y no nutrientes) y compuestos químicos A la cadena trófica Al agua A la atmósfera

4 Requerimientos básicos de una planta
Nutrientes que las plantas toman del suelo Requerimientos básicos de una planta ENERGÍA CO2 O2 H2O O2 N, P, K, S, Ca, Mg Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo, Ni, Co, Cl, etc MACRONUTRIENTES MICROCRONUTRIENTES

5 DEFICIENCIAS Y TOXICIDADES
el suelo debe ser capaz de mantener concentraciones y relación de concentraciones adecuadas N, P, K, S, Ca, Mg Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo, Ni, Co, Cl, etc MACRONUTRIENTES MICROCRONUTRIENTES DEFICIENCIAS Y TOXICIDADES

6 Trastornos nutricionales en la cadena trófica
hipomagnesemia Trastornos nutricionales en la cadena trófica el suelo debe ser capaz de mantener concentraciones y relación de concentraciones adecuadas N, P, K, S, Ca, Mg Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo, Ni, Co, Cl, etc MACRONUTRIENTES MICROCRONUTRIENTES

7 Procesos químicos en los suelos y salud ambiental
Transmisión de tóxicos a la cadena trófica N, P, K, S, Ca, Mg Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo, Ni, Co, Cl, etc Contaminación de agua As, Se, Cd, Hg, Cr, etc Pesticidas y otros tóxicos

8 Esquema de dinámica de los nutrientes Nutriente precipitado
Todos estos procesos son posibles, pero que se produzcan – y su importancia relativa – depende de qué elemento consideremos y de otras condiciones Esquema de dinámica de los nutrientes Transformaciones bióticas Nutriente adsorbido nutriente adsorción Nutriente precipitado disolución desorción precipitación mineralización asimilación disolución biótica Nutriente en materia orgánica

9 Por ejemplo, en el caso del nitrógeno…
… la liberación del nutriente a la solución y el control de: nivel de concentración especies en la solución se produce casi exclusivamente por procesos biológicos Transformaciones bióticas NH4+ NH4+ intercambiable adsorción N en minerales N disolución NH4+ NO NO3- desorción precipitación mineralización asimilación disolución biótica N orgánico

10 Para otros elementos hay otras combinaciones posibles de procesos, que se verán – o deducirán Uds – al estudiarlos

11 FOSFORO Contenido Formas y distribución
Dinámica de transformaciones en el suelo Disponibilidad e INDICES DE DISPONIBILIDAD Ganancias y pérdidas

12 mg/kg en rocas de la corteza Factor de enriquecimiento
Tabla: Contenido promedio de elementos en suelos y en rocas de la corteza terrestre Elemento mg/kg en suelos mg/kg en rocas de la corteza Factor de enriquecimiento O 1,0 Si 310000 277000 1,1 Al 72.000 82.000 0,88 Fe 26000 41000 0,63 C 25.000 480 52 Ca 24000 0,59 K 15000 21000 0,71 Na 12.000 23.000 0,52 Mg 9.000 0,39 N 2.000 25 80 S 1600 260 6,2 Mn 550 950 0,58 P 430 1000 0,43

13 Fósforo:contenido Comparado con otros macronutrientes, el contenido de P de los suelos es bajo. Depende de: Riqueza del material original Grado de desarrollo del suelo Aunque muy lentamente, los suelos pierden fósforo (fíjese en el factor de enriquecimiento de la tabla anterior -0,43) Transferencias laterales dentro del paisaje

14 Veamos como varían los contenidos de P en suelos agrícolas de Tucumán
Fósforo:contenido Veamos como varían los contenidos de P en suelos agrícolas de Tucumán Región Llanura Chacopampeana Pedemonte Llanura deprimida no salina (Llanura deprimida n.s)

15 REGIONES AGROECOLÓGICAS HÚMEDAS Y SUBHÚMEDAS DE TUCUMÁN

16 REGIONES AGROECOLÓGICAS HÚMEDAS Y SUBHÚMEDAS DE TUCUMÁN
Depende de: Riqueza del material original Fósforo:contenido REGIONES AGROECOLÓGICAS HÚMEDAS Y SUBHÚMEDAS DE TUCUMÁN

17 REGIONES AGROECOLÓGICAS HÚMEDAS Y SUBHÚMEDAS DE TUCUMÁN
Depende de: Riqueza del material original Fósforo:contenido Los suelos de la Ll. Chacopampeana se desarrollaron sobre material loésico, que tiene bajo contenido de P Los suelos del Pedemonte y de la Ll. Deprimida n.s. se desarrollaron sobre material loésico, pero con aportes variables de material aluvial proveniente de las sierras del Aconquija, que tiene mayor contenido de P A mayor proporción de material aluvial, mayor contenido de P REGIONES AGROECOLÓGICAS HÚMEDAS Y SUBHÚMEDAS DE TUCUMÁN

18 Llanura Chacopampeana húmeda(ABtC) y subhúmeda (ABwC) de Tucumán
Depende de: Grado de desarrollo del suelo Fósforo:contenido Llanura Chacopampeana húmeda(ABtC) y subhúmeda (ABwC) de Tucumán

19 Llanura Chacopampeana húmeda(ABtC) y subhúmeda (ABwC) de Tucumán
Depende de: Grado de desarrollo del suelo Fósforo:contenido En los suelos de la zona húmeda, que son más evolucionados (ABtC) porque pasa más agua a través del perfil, se perdió más P durante la formación del suelo. En los suelos de la zona subhúmeda, que son menos evolucionados (ABwC) porque pasa menos agua a través del perfil, se perdió menos P durante la formación del suelo. Llanura Chacopampeana húmeda(ABtC) y subhúmeda (ABwC) de Tucumán

20 PEDEMONTE – LLANURA DEPRIMIDA DE TUCUMÁN
Depende de: Transferencias laterales dentro del paisaje Fósforo:contenido PEDEMONTE – LLANURA DEPRIMIDA DE TUCUMÁN

21 Transferencias laterales dentro del paisaje
Depende de: Transferencias laterales dentro del paisaje Fósforo:contenido A igualdad de material original los suelos de Pedemonte tienen menor contenido de P que los de la Ll. Deprimida n.s., porque: El P que se pierde de los suelos del Pedemonte, llega en 1ª instancia a los suelos de la Ll. Deprimida n.s. en: Solución en el agua de drenaje interno, que alimenta la capa freática, y en el agua de escorrentía En las partículas perdidas por los suelos del Pedemonte por erosión El Pedemonte y la Ll. Deprimida n.s. conforman subcuencas hidrológicas del rio Salí, en las que… El Pedemonte corresponde a la zona de captación de agua y la Lla Deprimida n.s. a la de emisión

22 Fósforo: Formas y distribución en el perfil
El P está en en el suelo como ion ortofosfato (PO4-3 ) en compuestos inorgánicos y orgánicos En la fase sólida En sólidos inorgánicos Fosfatos de calcio Fosfatos de Fe y Al Ocluido dentro de partículas de otros minerales Adsorbido en la superficie de otros sólidos (sobre todo en Oxihidróxidos de Fe y Al, amorfos y cristalinos) En forma orgánica En la solución del suelo Fosfato inorgánico Fósforatos orgánicos disueltos

23 Fósforo: Formas y distribución en el perfil
De qué depende la distribución relativa entre las formas inorgánicas: Suele simplificarse diciendo que En suelos alcalinos predominan los P-Ca En suelos ácidos predominan los P-Al yFe Esto no siempre es cierto, casi se puede decir que sólo se cumple en los suelos muy evolucionados

24 De qué depende realmente la distribución relativa entre estas formas:
Fósforo: Formas y distribución en el perfil De qué depende realmente la distribución relativa entre estas formas: De su abundancia relativa en el material original a partir del que se desarrolló el suelo Del grado de evolución del suelo Del aporte de Ca, Fe y Al de otros elementos a la solución Veamos… Supongamos que se parte de un material con apatitas A medida que el suelo evoluciona - y se va acidificando – las apatitas se van disolviendo Por asimilación de la vegetación se acumula P-Org en el horizonte de la superficie; también … Se forman y precipitan P-Al y P-Fe en la medida que haya Al y Fe en la solución (no olvidemos que los minerales de Al y Fe+3 son muy insolubles en condiciones ácidas)

25 Fósforo: Formas y distribución en el perfil
Pero… Por suerte, la disolución de las apatitas es muyyy lenta; estos fosfatos van liberando gradualmente P a la solución, por lo que, salvo en los suelos muy evolucionados, coexisten con los otros fosfatos que se forman a expensas de su disolución; incluso se forman fosfatos de Ca metaestables, más solubles que la apatita* y que los fosfatos de Fe y Al, porque: Normalmente en los suelos, excepto en condiciones de extrema acidez, hay mucho más calcio en solución que Fe o Al, entonces… precipitan estos fosfatos de Ca metaestables** *l as apatitas no cristalizan en las condiciones de la superficie terrestre. ** estos fosfatos, al disolverse, aportan iones fosfato: para las plantas, para que vayan precipitando algunos fosfatos de Fe y Al (pocos por la baja solubilidad de los minerales que liberan Fe y Al a la solución) al agua que desciende hacia capas más profundas del suelo, donde pueden precipitar porque cambia el pH, o hay Fe o Al en solución, pero, en mayor o menor medida, más o menos rápidamente, parte del P de la apatita va a parar a los mares, en cuyos fondos pueden formarse apatitas, reiniciando el ciclo del P (que se completa en lapsos de tiempo de escala geológica)

26 Llanura Chacopampeana
Fósforo: Formas y distribución en el perfil Veamos ejemplos de distribución de formas en suelos de las regiones semihúmedas y húmedas de Tucumán Llanura Chacopampeana La Cruz Col. Luisiana

27 Fósforo: Formas y distribución en el perfil
El suelo de la Cruz (ABwC) que es menos desarrollado tiene más P en todo el perfil que el de Col. Luisiana (ABtC) Ambos tienen en la superficie P-Org, pero en el ABtC el % es mayor. En el horizonte de la superficie del ABtC queda menos del P-Ca que había en el material original, pero tiene una “bolsa” de P-Ca en los horizontes Bt. Excluimos del análisis anterior las discontinuidades litológicas del perfil de La Cruz (2C1 y 3C2)… aunque el contenido y distribución de formas de P corroboran que esas discontinuidades realmente existen, y que la 2ª discontinuidad (2C3) corresponde a un suelo enterrado, con mayor contenido de PORG.

28 Pedemonte Promedio de 5 perfiles Potrerillo
Fósforo: Formas y distribución en el perfil Pedemonte Promedio de 5 perfiles Potrerillo

29 Fósforo: Formas y distribución en el perfil
Estos suelos del Pedemonte, están en un clima más húmedo y son más ácidos que los de la Ll. Chacopampeana. aunque son menos evolucionados por su morfología que los de la Ll. Chacopampeana (no tienen horizontes B) son más ”evolucionados” por la distribución de contenido y formas de P. El promedio de 5 perfiles muestra mayor proporción de P-Ocl, P-Fe y P-Al a expensas del P-Ca que los de la Ll. Chacopampeana Es notoria la acumulación de PORG en el horizonte de la superficie que contrasta con el menor contenido total de los horizontes inferiores.

30 Fósforo: Formas y distribución en el perfil
en el perfil de Potrerillo, que es un suelo arenoso y bastante ácido, todo lo anterior está más acentuado El perfil, en conjunto, ha perdido mucho P, aunque en el horizonte de la superficie el contenido es bastante alto (aprox. 800 ppm), pero… de esas 800 ppm más de la mitad es PORG En todo el perfil queda poco P-Ca y la proporción de P-Ocl, P-Fe y P-Al es mayor.

31 Llanura deprimida Promedio de 4 perfiles
Fósforo: Formas y distribución en el perfil Llanura deprimida Promedio de 4 perfiles

32 Fósforo: Formas y distribución en el perfil
Estos suelos de la Ll. Deprimida n.s. son los que tienen mayor contenido de P de todos los de las regiones húmedas y subhúmedas de la provincia, porque reciben el P que se pierde de los del Pedemonte. La distribución de formas: Es muy uniforme en todo el perfil, debido a factores asociados a la restricción de drenaje: Todos los compuestos de Fe son más solubles, incluidos los fosfatos ferrosos, por la reducción, mayor o menor en función del grado de anaerobiosis, del Fe+3 a Fe+2 , en consecuencia, se mueven y distribuyen en el agua del suelo. Algo similar ocurre con el PORG.

33 Esquema de dinámica del P fosfato inorgánico (P-Ca, Al , Fe)
Fósforo: dinámica. Procesos fosfato adsorbido fosfato adsorción fosfato inorgánico (P-Ca, Al , Fe) disolución desorción precipitación mineralización asimilación disolución biótica fósforo orgánico

34 Dinámica de transformaciones del FOSFORO en el suelo
El fósforo se une químicamente al Fe y al Ca por enlaces de alta energía y algo menos fuertemente al Al, por lo que… Las concentraciones de equilibrio en la solución del suelo son siempre bajas, aunque varían con: el pH con el grado de aireación y con la abundancia de algunos minerales en la fracción arcilla

35 Aumentan su solubilidad a medida que baja el pH del suelo
Fósforo: dinámica. Disolución - precipitación Fosfatos de Ca Aumentan su solubilidad a medida que baja el pH del suelo Fosfatos de Fe y Al Aumentan su solubilidad a medida que aumenta el pH del suelo Los fosfatos ferrosos son más solubles que los férricos, por lo que si se restringe la aireación aumenta la concentración de fosfato en la solución Veamos un diagrama de solubilidad en función del pH en un medio bien aireado…

36 Sobre-saturación respecto todos los minerales considerados
Fósforo: dinámica. Disolución - precipitación Sobre-saturación respecto todos los minerales considerados Diagrama generalizado de solubilidad de los fosfatos en el suelo función del pH

37 Fósforo: dinámica. Disolución - precipitación
En el suelo no se establece (sólo excepcionalmente) un equilibrio químico real entre el la solución y la fase sólida Generalmente hay más de una fase sólida (diferentes fosfatos “minerales”) Algunas reacciones de disolución – precipitación son sumamente lentas. Los procesos químicos y biológicos que se producen en el suelo cambian continuamente la naturaleza de la solución y de la fase sólida HAY OTROS PROCESOS QUE TAMBIÉN TIENDEN A EQUILIBRAR CON LA SOLUCIÓN

38 Fósforo: dinámica. Disolución - precipitación
En el diagrama se marcan dos puntos hipotéticos, donde la concentración es superior a la de equilibrio de los minerales considerados (sobresaturación): Esto es lo que se persigue con la fertilización con P Pero la sobresaturación no es permanente, porque con el Ca de la solución, que en esos pH es relativamente abundante, precipitan fosfatos de Ca 1º CaHPO4x2H2O, que es el más soluble, pero es metaestable respecto a 2º CaHPO4 que es metaestable respecto a… Así sucesivamente se van formando minerales cada vez más insolubles que, no obstante, tienen efecto residual para ser aprovechados por las plantas… o suministrar P a la solución que filtra a través del suelo que puede contaminar aguas subterráneas y/o superficiales (eutrofización)

39 Fósforo: dinámica. Sorción - desorción
Además de los procesos de disolución precipitación… Los procesos de sorción de fosfato también tienden (simultaneamente) a equilibrar con la solución La Sorción-desorción de fosfato se produce sobre la superficie de sólidos que exponen sitios con Fe, Al o Ca que son REACTIVOS con respecto al fosfato (quimio sorción) Estas reacciones de sorción – desorción no dependen de la concentración de Al, Fe o Ca en la solución sino de la “superficie específica” del sólido Generalmente son mucho más rápidas que las de disolución – precipitación. Por lo que: suelen (NO SIEMPRE) ser las que regulan el nivel de concentración de fosfato en la solución

40 Fósforo: dinámica. Sorción - desorción
Recordemos… ADSORCIÖN QUÏMICA 1. El ión es químicamente reactivo (en este caso fosfato) La superficie es químicamente reactiva (en este caso la más frecuente e importante es la de los óxidos de Fe+3) Se forma un complejo de nivel interno; entre la superficie y el ión no hay moléculas de agua La energía de la unión (y, por ende la concentración de fosfato en la solución de equilibrio) depende de la reactividad de la superficie , que varía con… El pH

41 tienen muchos óxidos de Fe u alófanos en la fase sólida
Fósforo: dinámica. Sorción - desorción Veamos, lo que sucede en los suelos ácidos, cuando se los fertiliza con fósforo, sobre todo cuando … tienen muchos óxidos de Fe u alófanos en la fase sólida Se produce FIJACIÓN DE FOSFATOS (El fosfato no es intercambiable) Por un proceso de equilibrio complejo de reacciones de sorción-desorción y disolución precipitación

42 Óxi-hidroxido ferrico
Fósforo: dinámica. Sorción - desorción H2PO4- + Óxi-hidroxido ferrico Fe= Reacción lenta Fosfato Férrico Fe+3 en muy baja concentración Fe P O OH En esta condición ácida el óxido: Fe= Fe= Reacción rápida Fe=

43 Óxi-hidroxido ferrico
Fósforo: dinámica. Sorción - desorción Si aumenta el ph (por encalado) o si el suelo tuviera un pH un poco más alto: Reacción rápida H2PO4- Óxi-hidroxido ferrico Fe= O OH P Fe Fosfato Férrico Reacción lenta el óxido:

44 Fósforo: dinámica. Sorción - desorción
Si se aumentara gradualmente, aun más, el pH– hasta llegar a una reacción ligeramente ácida o neutra: El oxido expondría cada vez menos sitios reactivos cargados positivamente a la par que disminuirían su reactividad con el fosfato. Paralelamente aumentarían los sitios cargados negativamente, que si hay Ca+2 en la solución (situación obvia si se ha encalado) adsorben el Ca+2 en forma intercambiable (adsorbido físicamente), pero… En la solución el Ca y el fosfato forman (parcialmente) complejos solubles cargados negativamente, de modo que: Junto con el Ca se adsorbe fosfato (hay sinergismo entre Ca y fosfato) ESTE FOSFATO PUEDE CONSIDERARSE INTERCAMBIABLE Está en equilibrio con concentraciones relativamente altas, y Puede reponer con facilidad fosfato a la solución

45 Fósforo: dinámica. Cuando coexisten fosfatos de Fe, Al y Ca en equilibrio con la solución el máximo nivel de concentración de fosfato se da a pH ligeramente ácido Cuando hay sólidos que adsorben fosfato (óxidos, calcita) el máximo nivel de concentración de fosfato en equilibrio se da también a pH ligeramente ácido La coincidencia no es casual, la concentración de equilibrio esta en función de la energía con que se une el fosfato con el Fe+3 , y/o el Ca y/o el Al, ya sea en la superficie de los sólidos que adsorben o dentro de la molécula o cristal de un fosfato

46 Disponibilidad e INDICES DE DISPONIBILIDAD
No existe ningún método analítico que determine el “fósforo disponible” ni ningún otro “nutriente disponible” Pero… Para asesorar sobre conveniencia de fertilizar y dosis de fertilizantes pueden determinarse ÍNDICES DE DISPONIBILIDAD Estos índices también pueden servir para evaluar el aporte de P desde el suelo a las aguas superficiales

47 Fósforo: Disponibilidad e índices de disponibilidad
Fósforo extraído en tres suelos de Tucumán (expresado en mg/kg = ppm) por técnicas empleadas para determinar índices de disponibilidad procedencia Horizonte Bray1 Mehlich Truog Bray 2 Olsen Olsen mod. El Churqui 1 3,97 42,38 95,74 18,96 2,42 9,98 2 2,52 80,72 114,13 30,24 1,27 5,20 Arcadia 26,76 195,37 388,13 159,94 22,18 50,57 27,15 187,74 377,73 148,09 20,39 51,93 Col. Luisiana, L9 y 10 5,00 24,57 58,62 17,94 4,33 9,57 1,23 16,03 32,40 8,08 0,89 1,92 Pedemonte LL. Deprimida LL. Chacopampeana

48 Fósforo: Disponibilidad e índices de disponibilidad
El mejor índice de disponibilidad es el que mejor correlaciona con el P que absorben los cultivos o el que el suelo aporta a las aguas superficiales; la evaluación y selección demanda muuuuuuuucho trabajo de campo. Para unos suelos puede ser mejor un índice y para otros otro, depende de las formas en que esté el fósforo, de la aireación, etc. Para otros suelos, ninguno de estos índices correlaciona (porque estas técnicas analíticas NO DETECTAN EL PORG.) Otro factor importante para seleccionar un índice es su costo de determinación por el laboratorio; si el análisis es laborioso y caro, no es practico

49 Ganancias Pérdidas Fósforo: ganancias y pérdidas Residuos de cosecha
Abonos Fertilizantes Aportes de material erosionado o lavado de otros suelos: el más importante es el transportado por agua (ejm. Pedemonte.- Ll. Deprimida n.s.) Pérdidas Extracción por cosechas Erosión: muy importante por la acumulación de PORG en el horizonte superficial. Potencialmente contaminante de aguas superficiales Por lavado: en escorrentía y en drenaje interno – puede ser de gran magnitud cuando los suelos reciben desechos animales (abonado, ganadería industrial). Gran potencial de contaminación de aguas superficiales.