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Las interfases en los sistemas terrestres Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 1 El suelo El suelo es la base de una serie de recursos importantes: • • • Madera Alimentos Leña (energía) Por esta razón es importante su estudio y conservación y adoptar medidas ante los problemas que presenta, el principal de ellos, la erosión favorecida por las actividades humanas. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 2 Definición de suelo Es la cubierta más superficial de la corteza terrestre, resultado de la interacción entre las rocas de la superficie terrestre, la atmósfera, la hidrosfera y la biosfera. Hidrosfera Atmosfera Suelo Geosfera Biosfera Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 3 Concepto de suelo Está constituido por materiales inorgánicos procedentes principalmente de la meteorización del sustrato y enriquecida por materia orgánica en vías de descomposición (humus), permitiendo el asiento de la cubierta vegetal. Constituye un ecosistema necesario para cerrar los ciclos materiales del resto de los ecosistemas terrestres. La ciencia que estudia el suelo es la edafología Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 4 Usos del suelo El hombre destina el suelo a diferentes usos: • • • • Soporte de plantas Construcción de vías de transporte u otras infraestructuras Fuente de recursos minerales (aluminio, arcillas…) Asentamientos humanos Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 5 Impactos sobre el suelo • • • • • • • Eduardo Gómez Erosión Contaminación Sobreexplotación Empobrecimiento Compactación Degradación biológica Perdida por recubrimiento (asfaltados…) Interfases de los sistemas terrestres 6 Composición del suelo Materia Orgánica Humus Materia Inorgánica Restos de meteorización Sólidos Composición Agua Líquidos Gaseosos Eduardo Gómez Sales minerales disueltas O2 CO2 N2 Interfases de los sistemas terrestres 7 Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 8 Fase sólida I. Materia inorgánica: Gravas, arenas, arcillas, resultantes de la alteración de la roca madre y sales minerales II. Materia orgánica : Es materia orgánica en descomposición que forma el humus - Viva (bacterias, hongos, invertebrados, etc.) - Muerta en descomposición (restos animales y vegetales) Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 9 Restos de meteorización Textura del suelo Sales minerales Riqueza del suelo Humus Productividad Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 10 Fase líquida Puede ser: • Agua de escorrentía • Agua de gravitación • Agua retenida • Agua capilar • Agua ligada Rellena los poros Contiene sustancias disueltas que pueden ser utilizadas por las plantas Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 11 Fase gaseosa 1. Tiene una composición similar a la del aire que respiramos, aunque con mayor proporción de dióxido de carbono, resultado del metabolismo de los organismos del suelo. 2. Presenta un contenido muy alto de vapor de agua. 3. Cuando el suelo es muy húmedo, los espacios de aire disminuyen, al llenarse de agua. 4. Es responsable de la oxidación de los componentes del suelo Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 12 Gases del suelo Composición media Componente Gas del suelo Aire 10 – 20 % 21 % Nitrógeno 78,5 – 80 % 78 % Dióxido de carbono 0.2 – 3.5 % 0.03 % Agua Saturado Variable Otros <1% >1% Oxígeno Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 13 Formación del suelo. Etapas Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 14 Factores de formación del suelo El suelo es resultado de la interacción de cinco factores: 1. 2. 3. 4. 5. La roca madre El relieve El tiempo El clima Los seres vivos. Los tres primeros factores desempeñan un rol pasivo, mientras que el clima y los seres vivos participan activamente en la formación del suelo. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 15 La roca madre Es el sustrato a partir del cual se desarrolla el suelo. De éste se deriva, por el efecto de la meteorización, directamente la fracción mineral del suelo y ejerce una fuerte influencia sobre todo en la textura del suelo, pero también en otros factores como: 1. 2. 3. 4. 5. Espesor Morfología Propiedades físicas Propiedades físico-químicas Fertilidad. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 16 El clima Es quizá el factor más importante porque condiciona el tipo de meteorización de la roca madre e influye mucho en la evolución del suelo. Así mismo, influye en otros factores formadores del suelo como el factor biótico y en el relieve. Los componentes climáticos más importantes son: • • • • Eduardo Gómez La humedad Temperatura Balance hídrico Viento Interfases de los sistemas terrestres 17 Componentes climáticos La humedad (disponibilidad y flujo de agua) Una humedad alta favorece actividades químicas y biológicas y se favorece el arrastre de partículas y diversas sustancias (eluviación). Esta circunstancia modificará el tipo de suelo que se puede formar. Temperatura El aumento de temperatura favorece la actividad química y biológica y si va acompañada de precipitaciones fuertes provoca pérdida de sílice del suelo por arrastre y los suelos se vuelven estériles Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 18 Componentes climáticos II Balance hídrico Es la relación entre Evaporación (E) y Precipitación (P) Si P > E: Arrastre de iones hacia horizontes profundos del suelo. Si P < E: Ascenso de agua por capilaridad, junto con las sales que contiene. Al evaporarse esta agua, las sales quedan en la superficie formando costras llamadas caliches. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 19 Componentes climáticos III Viento Provoca aumento de evaporación y de erosión (arrastre de partículas), especialmente en las zonas áridas Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 20 Topografía Los procesos de formación del suelo (procesos edáficos) repercuten en el relieve y viceversa. Desde el punto de vista edáfico los elementos del relieve más importantes son la inclinación y longitud de las laderas, la posición fisiográfica y la orientación. Una mayor pendiente influye en la formación del suelo por incremento de la erosión, disminución de la penetración del agua y disminución del grosor del suelo Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 21 Efecto de la pendiente 1 Pendientes fuertes: El suelo está sometido a una intensa erosión. La pendientes estarán conformada por suelos esqueléticos. 2 3 Eduardo Gómez Pendientes medias: Los suelos están sometidos a un continuo transporte de materiales sólidos y soluciones, por lo que suelen presentar pequeños o moderados espesores, con abundantes los cantos angulosos, representativos de los suelos coluviales. Se depositan materiales arrastrados formándose suelos acumulativos que continuamente se están sobreengrosando, formándose suelos muy espesos y de texturas (granulometrías) muy finas. Interfases de los sistemas terrestres 22 Pendiente y características hídricas El relieve también influye en la cantidad de agua que accede y pasa a través del suelo. En relieves convexos el agua de precipitación circula por la superficie hacia las zonas más bajas del relieve y se crea un área de aridez local, mientras que lo contrario ocurre para las formas con relieve cóncavo. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 23 Pendiente y exposición al sol El relieve también modifica las características del clima edáfico, al influir en la temperatura y en la humedad en función de la inclinación (influirá en la intensidad calorífica de las radiaciones recibidas), orientación (que regulará el tiempo de incidencia de las radiaciones solares) y altitud (que influirá en los elementos climáticos generales). Como consecuencia de todo ello también afectará al desarrollo de la vegetación y de la actividad microbiana Ladera Norte Eduardo Gómez Ladera Sur Interfases de los sistemas terrestres 24 Tiempo de actuación La velocidad de formación de un suelo es extraordinariamente lenta (el suelo es un recurso no renovable) y depende del tipo de factores formadores de cada suelo • Los suelos se desarrollaran mas fácilmente sobre materiales originales sueltos e inestables que a partir de rocas duras y constituidas por minerales estables.. • También hay una mas rápida formación en los climas húmedos y cálidos que en climas secos y fríos. • La velocidad de formación del suelo es muy variable, (desde 1mm/año hasta 0,001mm/año). Se considera que un suelo está maduro después de periodos de tiempo que oscilan entre unas decenas de años en climas cálidos y húmedos y materiales adecuados a miles de años si las condiciones no son tan favorables. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 25 Factores biológicos En general, el suelo se desarrolla a la par que la comunidad biótica que vive en el. Las acciones de los organismos son básicamente: 1. Constituyen las fuente de material original para la fracción orgánica del suelo. Restos vegetales y animales que al morir se incorporan al suelo y sufren profundas transformaciones. 2. Ejercen importantes acciones de alteración de los materiales edáficos. Los organismos transforman los constituyentes del suelo al extraer los nutrientes imprescindibles para su ciclo vital. El papel de los microorganismos en la transformación de la materia orgánica es tan importante como para que la humificación apenas se desarrolle en su ausencia. 3. Producen una intensa mezcla de los materiales del suelo como resultado de su actividad biológica. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 26 Humificación Es el proceso de formación de humus (materia orgánica, microorganismos y productos de descomposición de la materia orgánica). Da al suelo un carácter ácido y es simultaneo al proceso de mineralización. Etapas del proceso: Aparición del mantillo. Hojarasca y restos vegetales Creación del humus Presencia de arcilla mezclada con el humus Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 27 Funciones del humus Actúa como reservorio que regula los ciclos biogeoquímicos. Juega un papel importante en el establecimiento de la estructura del suelo y de su estabilidad. Contribuye a determinar la capacidad de cambio del suelo, manteniendo los cationes bajo forma intercambiable y disponible para los vegetales. Participa en el establecimiento del pH del suelo y del poder tampón. Retiene agua. Absorbe virus, sustancias tóxicas, enzimas, etc., pudiendo contrabalancear los efectos perjudiciales de distintos compuestos y/o ejerciendo un efecto estimulante sobre la fisiología de los vegetales. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 28 Formación de las sustancias húmicas: POLÍMEROS ORGÁNICOS Degradación CONSTITUYENTES MONOMÉRICOS (fenoles, quinonas, aa, azúcares) Reacciones espontáneas Autoxidación Oxidación por enzimas microbianas HUMIFICACIÓN Repolimerización COMPUESTOS HÚMICOS Ac. Fúlvico Ac. Húmico Humina Macroflora Son plantas superiores asentadas en el suelo. El papel de las mismas, en la evolución del suelo, puede concretarse en los siguientes puntos: 1. Constituyen una de las fuentes más importantes de despojos orgánicos, sobre todo en las capas inferiores del suelo. 2. Tienden a mantener una estructura grumosa por su efecto de malla o enrejado. 3. Contribuyen mecánicamente a la disgregación de las rocas. 4. Al, mediante la respiración, consumir oxígeno y desprender anhídrido carbónico, influyen en la alteración química de los minerales. 5. Favorecen, en sus proximidades, una microflora del suelo extremadamente rica como consecuencia de la secreción de productos fácilmente descomponibles. El número de microorganismos que viven en la zona inmediata a la raíz, la rizosfera, puede ser hasta 100 veces más elevado que en otras zonas más alejadas del suelo. 6. Al reincorporar sobre el suelo la mayor parte de los nutrientes que absorben, frenan los efectos de lavado de las corrientes descendentes de agua. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 30 Microflora Bacterias y hongos que contribuyen a la formación de humus (especialmente en climas húmedos), a la fijación del N2 atmosférico y a procesos de nitrificacióndesnitrificación. Gran cantidad de microorganismos (106-109 bacterias/gr) La mayoría heterotróficos, descomponedores de carbohidratos Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 31 Hifas de hongos Agua Bacterias MO Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres Actinomicetes 32 Animales En el suelo viven pequeños mamíferos, insectos, miriápodos, babosas y caracoles, ácaros, arañas y lombrices de tierra como grupos más característicos. Su papel en el suelo se significa en los siguientes aspectos: 1° Mejoran la estructura o agregación del suelo a causa de sus movimientos en el mismo (fundamentalmente los organismos cavadores) y de la cantidad de materia orgánica que incorporan. 2° Aquéllos que son predadores (herbívoros o carnívoros) ejercen nula influencia directa sobre la demolición de los restos orgánicos; pero como muchos son saprofitos y se alimentan de vegetales más o menos descompuestos, inician unos procesos de degradación de esos residuos que facilitan el papel de la microflora. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 33 La macrofauna del suelo más estudiada son las lombrices de tierra. En un suelo en el que abundan estas lombrices se calcula que hacen pasar a través de su cuerpo una cantidad próxima a las 34 Tm de tierra por año. El suelo es sometido a la acción de los encimas digestivos y a la trituración en el interior de estos animales. La materia excretada tiene, en comparación con la original: • • • • mayor proporción de materia orgánica. más cantidad de nitrógeno total y en forma nítrica. mayor riqueza en Ca, Mg y P asimilables. pH más elevado. El número de lombrices de tierra en un suelo húmedo y rico en materia orgánica puede superar los 2 millones por ha. Suponiendo un peso de 0,5 g/ejemplar, esta cantidad representa del orden de 1.000 kg de materia viva por hectárea. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 34 Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 35 Descriptiva del suelo Perfil: Es la estructura en corte transversal del suelo en el que se observan los horizontes o capas, cuyo número depende de la madurez del suelo. Pedión: Volumen de suelo que puede ser reconocido como un suelo individual. Es la unidad volumétrica de muestreo Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 36 A B C D Eduardo Gómez A00 A0 A1 A2 Hojas y residuos orgánicos sin descomponer Residuos parcialmente descompuestos Color oscuro por presencia de materia orgánica Color claro por efecto del lavado B2 B3 Precipitación de sustancias lavadas de A Transición B-C C Fragmentos y restos de meteorización de la roca madre D Roca madre sin alterar Interfases de los sistemas terrestres 37 Horizontes 1. El horizonte A o de lavado, es la parte más superficial y de tonalidad más oscura porque contiene el humus, materia orgánica en vía de mineralización. En este horizonte se observan las raíces de las plantas y está constituido por partículas muy finas de arena, limo y arcilla. es el más fértil de los tres. En él se produce un lavado importante (lixiviación), siendo eliminadas por la acción del agua las sustancias solubles que emigran a niveles inferiores. 2. El horizonte B o de acumulación, está por debajo del A, y es de espesor variable (desde varios centímetros hasta metros). Como carece de humus su color es más claro. En este horizonte precipitan las sustancias minerales lavadas en el horizonte A. En los climas más secos, el carbonato cálcico arrastrado por las aguas de infiltración, precipita en este horizonte dando lugar a formación de costrones llamados caliche. 3. El horizonte C, o de transición es el más profundo y constituye el tránsito con la roca madre. Está formado por cantos en una matriz arcillosa y arenosa, que van siendo más numerosos y de mayor tamaño en la zona profunda, en la que se pasa insensiblemente a la roca madre. (horizonte D) Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 38 Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 39 Propiedades físicas 1. Textura 2. Estructura 3. Consistencia 4. Color 5. Temperatura 6. Profundidad Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 40 Textura La granulometría es esencial para cualquier estudio del suelo. Para clasificar a los constituyentes del suelo según su tamaño de partícula se han establecido muchas clasificaciones granulométricas. Todas aceptan los términos de grava, arena, limo y arcilla, pero difieren en los valores de los límites establecidos para definir cada clase. Grava Arena Limo Arcilla Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 41 Determinación de la textura 1. Granulometría: proporción relativa de arena, limo y arcilla que contiene un suelo. 2. Textura: tipo de suelo según su granulometría. 3. Análisis granulométrico: determinación de los porcentajes de arena, limo y arcilla, una vez que se han separado los fragmentos gruesos (gravas…) Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 42 Clases texturales Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 43 Clases texturales Textura arenosa: Los suelos arenosos se denominan suelos sueltos. Se caracterizan por tener una elevada permeabilidad al agua y por tanto una escasa retención de agua y de nutrientes. Textura arcillosa: Los suelos arcillosos se denominan suelos pesados o fuertes. Presentan baja permeabilidad al agua y elevada retención de agua y de nutrientes. Textura franca: Se considera la textura ideal, porque tiene una mezcla equilibrada de arena, limo y arcilla. Esto supone un equilibrio entre permeabilidad al agua y retención de agua y de nutrientes. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 44 Suelo arenoso Suelo arcilloso Suelo franco Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 45 Estructura Es la agrupación de partículas, formado agregados que dejan espacios que favorecen la aireación, filtrado, permeabilidad y circulación del agua. Todo esto condiciona a su vez el tipo de cultivos y la erosionabilidad del suelo Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 46 Tipos de estructura 1. Laminar. Los agregados tienen forma aplanada, con predominio de la dimensión horizontal. Las raíces y el aire penetran con dificultad. 2. En bloques. Angulares o subangulares. Los agregados tienen forma de bloque, sin predominio de ninguna dimensión. 3. Prismática. Los agregados tienen forma de prisma, de mayor altura que anchura. Es típico de suelos con mucha arcilla. 4. Columnar. Semejante a la estructura prismática, pero con la base redondeada. Esta estructura es típica de suelos envejecidos. 5. Granular. Los agregados son esferas imperfectas, con tamaño de 1 a 10 mm de grosor. Es la estructura más ventajosa, al permitir la circulación de agua y aire. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 47 Tipos de estructuras del suelo Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 48 Consistencia Es la propiedad de compactación y porosidad. Viene determinada por la textura y estructura más la actividad de los seres vivos en el suelo. Según la consistencia, se pueden clasificar los suelos en: 1. 2. 3. 4. Muy compactos Compactos Friables (que se desmenuzan) Muy Friables La consistencia se usa en agronomía para saber la facilidad de labranza de un suelo y la penetración del agua Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 49 Color del suelo Depende de la composición, textura, estado físico y humedad. En los suelos jovenes depende de la roca madre. En los suelos maduros, el color varía en función de la mezcla de minerales y materia orgánica. En general, los suelos más oscuros tienen mayor cantidad de materia orgánica (humus) El color también determina el albedo del suelo (energía reflejada) Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 50 Temperatura El suelo recibe las radiaciones procedentes del Sol y se calienta. Su temperatura depende de como lleguen las radiaciones a la superficie (humedad atmosférica, transparencia, nubosidad, precipitaciones, vientos, topografía, cobertera vegetal, etc.) y de como el suelo las asimile (humedad, color, calor específico, conductividad, etc.). La temperatura del suelo está directamente relacionada con la temperatura del aire atmosférico de las capas próximas al suelo y está sometida a cambios estacionales y diurnos. Estas oscilaciones se van amortiguando hacia los horizontes profundos. La distribución de la temperatura con la profundidad constituye el perfil térmico. La temperatura del suelo se mide a 50 centímetros de profundidad y se se supone que es equivalente a la del aire atmosférico mas 1 grado centígrado. Influye en los procesos físico-químicos y biológicos que tienen lugar en el suelo Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 51 Profundidad Distancia desde la superficie hasta la roca madre no alterada. Es un valor importante en agricultura porque determina hasta donde pueden llegar las raíces. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 52 Propiedades químicas Intercambio iónico Acidez y alcalinidad Salinidad Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 53 Intercambio iónico Es el intercambio de iones entre la fase líquida y la sólida del suelo. Afecta a la nutrición de las plantas, a la dinámica de los contaminantes y al poder de reciclaje natural del suelo. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 54 Importancia de la capacidad de cambio iónico 1. Controla la disponibilidad de nutrientes para las plantas: K+, Mg++, Ca++, entre otros. 2. Interviene en los procesos de floculación - dispersión de arcilla y por consiguiente en el desarrollo de la estructura y estabilidad de los agregados. 3. Determina el papel del suelo como depurador natural al permitir la retención de elementos contaminantes incorporados al suelo. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 55 pH del suelo Los factores que hacen que el suelo tenga un determinado valor de pH son diversos, fundamentalmente: 1. Naturaleza del material original. Según que la roca sea de reacción ácida o básica. 2. Factor biótico. Los residuos de la actividad orgánica son de naturaleza ácida. 3. Precipitaciones. Tienden a acidificar al suelo y desaturarlo al intercambiar los H+ del agua de lluvia por los Ca++, Mg++, K+, Na+... de los cambiadores. 4. Complejo adsorbente. Según que esta saturado con cationes de reacción básica (Ca++, Mg++...) o de reacción ácida (H+ o Al+++). También dependiendo de la naturaleza del cambiador variará la facilidad de liberar los iones adsorbidos. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 56 Acidez y alcalinidad Importancia del pH del suelo para las plantas: 1. El pH ejerce una gran influencia en la asimilación de elementos nutritivos. 2. El intervalo de pH comprendido entre 6 y 7 es el más adecuado para la asimilación de nutrientes por parte de las plantas. 3. Los microorganismos del suelo proliferan con valores de pH medios y altos. Su actividad se reduce con pH inferior a 5,5. 4. Cada especie vegetal tiene un intervalo de pH idóneo. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 57 Salinidad Es el resultado de la salinización, es decir, de la acumulación en el suelo de sales solubles salinidad + Presión osmótica Crecimiento de las plantas (Sequedad fisiológica) Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 58 Existen básicamente, tres componentes del estrés salino que afectan a las plantas: a) Efecto osmótico: Está generado por un aumento del potencial osmótico del suelo que disminuye la disponibilidad de agua para la planta. b) Efecto nutricional: Las alteraciones nutricionales se producen cuando el vegetal tiene problemas para absorber ciertos iones esenciales (nutrientes) en presencia de excesivas cantidades de sales solubles en el suelo. c) Efecto tóxico. El efecto tóxico está inducido, casi siempre, por cientos iones como Cl y Na. como en el caso de especies sensibles al exceso de iónes o cuando se deteriora la estructura del suelo por su presencia. Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 59 Suelos salinos Eduardo Gómez Interfases de los sistemas terrestres 60