8. Estructura del suelo y otras propiedades
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8. Estructura del suelo y otras propiedades PARTE 2/2 Porosidad y Densidad. Color. Consistencia. Temperatura. Edafología y Climatología Agrícola (Módulo de Edafología) Grado en Ingeniería Agrícola ETS de Ingeniería Agronómica (Universidad de Sevilla)
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8. Estructura del suelo y otras propiedades
PARTE 2/2
Porosidad y Densidad. Color. Consistencia. Temperatura.
Edafología y Climatología Agrícola (Módulo de Edafología)
Grado en Ingeniería Agrícola
ETS de Ingeniería Agronómica (Universidad de Sevilla)
Arena
Arena
ArcillaLimo
Suelo muy arcilloso, sin poros, no permeable
Suelo moderadamente poroso, con poros mal conectados, poco permeable
Suelo muy poroso, con poros grandes y bien conectados, muy permeable
Clasificación de los poros por su tamaño
Clase Tamaño (μm) Función
Transmisión Macroporos (> 50) Aireación, extensión de raíces y paso de agua gravitacional
Almacenamiento Mesoporos (0.5 – 50) Almacenamiento de agua disponible para la planta
Residuales Microporos (< 0.5) Almacenamiento de agua fuertemente retenida
Sistema de raíces de un eucalipto (Australia), Antonio Jordán / Imaggeo
Bastón de senderismo dentro del hueco de una raíz de pino quemada (Sierra de Montellano), Antonio Jordán
Entrada de hormiguero (P.N. de Doñana), Antonio Jordán / Imaggeo
Algunos gusanos viven en túneles verticales, North Appalachian Experimental Watershed, USDA-ARSS
Suelo extraído por lombrices (P.N. de Doñana), Antonio Jordán / Imaggeo
Porosidad del suelo
La textura y la estructura del suelo condicionan la porosidad, aireación y dinámica del agua en el suelo.
El volumen de poros del suelo puede expresarse como un porcentaje del volumen total de huecos.
A su vez, este espacio puede dividirse en dos compartimentos: Capacidad de campo. Es la máxima cantidad de agua que un suelo
puede retener en contra de la fuerza de la gravedad. Este valor depende, obviamente del número, tamaño, distribución y forma de los poros.
Capacidad de aire. Es el volumen total de aire que existe en el suelo cuando la humedad coincide con la capacidad de campo. La capacidad de aire en los suelos arenosos se sitúa en torno al 30% del volumen poroso. En los suelos arcillosos, sin embargo, puede llegar a representar tan sólo el 5%, lo que resulta insuficiente para la mayoría de los cultivos.
Contenido en agua
Poros vacíos (aire)Capacidad de aire
Poros llenos deagua
Capacidad de campo
30%
70%
Suelo arenoso
5%
95%
Suelo arcilloso
Volumen total del suelo
Porosidad del suelo
La porosidad está relacionada con dos parámetros característicos:
Densidad real La densidad real es la densidad de la fase sólida del suelo. Este valor es prácticamente constante en la mayoría de los
suelos, y oscila en torno a 2.65 g cm-3. La posible variación de la densidad real del suelo se debe
normalmente a la variación de la cantidad de materia orgánica en el suelo.
Densidad aparente El efecto combinado de la textura y la estructura del suelo
determina el tamaño de los poros del suelo. La porosidad del suelo puede ser descrita mediante la
densidad aparente.
Densidad real del suelo
Para la determinación de la densidad real del suelo se utiliza el picnómetro de Gay-Lussac.
5 – 10 g de suelo seco (105 oC)
Pesar el picnómetro con tapón
(Wa)
Añadir la muestra y pesar (Ws)
Rellenar con agua destilada hasta la
mitad
Agitar suavemente e introducir en un
desecador para vacío durante 30 min
Llenar con agua destilada, tapar,
secar y pesar (Wsw)
Vaciar el suelo y volver a llenar
con agua destilada, tapar,
secar y pesar (Ww)
Densidad real del suelo
ρp Mgm−3 = ρw
Ws −Wa
Ws −Wa − Wsw −Ww
w, densidad del agua a 20 oC [g cm-3]; Ws, peso del picnómetro con la muestra a 105 oC; Wa, peso del picnómetro vacío; Wsw, peso del picnómetro con suelo y agua; Ww, peso del picnómetro con agua.
Densidad real del suelo
Material Densidad real (g cm-3)
Arcilla 2.00 – 2.65
Cuarzo, feldespato 2.50 – 2.60
Minerales con elementos metálicos 4.90 – 5.30
Horizontes minerales de suelo 2.60 – 2.75
Horizontes orgánicos de suelo 1.10 – 1.40
Horizontes de suelo ricos en minerales pesados 2.75
Valor medio para suelos minerales 2.65
Suelos ricos en materia orgánica (MO)𝜌𝑠 = 2.65 −
1.45 × 𝑀𝑂%
100
Densidad aparente
La densidad aparente es la densidad del suelo seco en su conjunto (masa de la fase sólida más fase gaseosa):
𝜌𝑏 =𝑀𝑠
𝑉𝑇 Como promedio,la
densidad aparente oscila entre 1 g cm-3 (suelos bien estructurados) y 1.9 g cm-3 (suelos compactados).
Caja de Kubiena, Antonio Jordán / Imaggeo
L.M. Zavala, A.J.P. Granged y G. Bárcenas (Univ. de Sevilla) tomando muestras para el cálculo de la porosidad del suelo (P.N. Los Alcornocales), Antonio Jordán / Imaggeo
Toma de muestras para el cálculo de la densidad aparente (P.N. Doñana), Antonio Jordán / Imaggeo
Determinación de la densidad aparente mediante el método convencional
Determinación de la densidad aparente mediante espuma de poliuretano (suelos pedregosos)
Densidad aparente del suelo
Material Densidada aparente (g cm-3)
Horizontes arenosos 1.45 – 1.60
Horizontes arcillosos con estructura 1.05 – 1.10
Horizontes compactos 1.90 – 1.95
Horizontes de suelos volcánicos 0.85
Valor medio 1.35
Horizontes de turba 0.25
Densidad aparente
Un aumento en el valor de la densidad aparente se debe a la disminución del espacio poroso.
De manera indirecta, un incremento de la densidad aparente puede ocasionar una mayor conductividad térmica y una menor facilidad de penetración de las raíces en el suelo.
La densidad aparente del suelo puede aumentar por diversas causas:
Una reducción en el contenido de materia orgánica del suelo.
La degradación de la estructura.
La aplicación de una fuerza que reduzca el espacio poroso. Normalmente, la utilización de maquinaria pesada en las labores de campo puede originar lo que se conoce como suela de labor, una capa compactada en profundidad que interrumpe el paso de fluidos y que se comporta como una barrera impenetrable para las raíces.
Embalse de Alange, La Zarza (Badajoz), Antonio Jordán
Cálculo de la porosidad
Masa de suelo de un metro cúbico:
Ms = DaMg
m3 × Vt m3 = Da Mg
Volumen ocupado por esa masa de suelo:
Vs =Da Mg
DrMgm3
=DaDr
m3
Volumen de poros en un metro cúbico de suelo:
Vp = 1 −DaDr
m3
Porcentaje de poros del suelo:
Vp% = 1 −DaDr
× 100
Consistencia del suelo
La consistencia del suelo puede definirse como la resistencia que éste opone a la deformación o ruptura.
La consistencia depende de las fuerzas de cohesión que tienen lugar entre las partículas del suelo, y está relacionada con la estructura, la textura, la humedad o la cantidad y la naturaleza de los coloides del suelo (arcilla y materia orgánica).
La consistencia expresa el estado físico de un suelo según su contenido en humedad.
Suelo compactado bajo olivar (Sevilla), Antonio Jordán
Consistencia del suelo
Un agregado seco de arcilla es normalmente duro y resistente a la fractura.
Sin embargo, a medida que se agrega agua y el contenido en humedad del agregado aumenta, su resistencia a la rotura se reduce.
Conforme aumenta la humedad de la arcilla, en vez de fracturarse, tiende a formar una masa compacta que cuando se comprime se vuelve maleable y plástica.
Si se agrega mas agua aún, tiende a adherirse a las manos y a las herramientas.
Arturo J.P. Granged (Univ. de Sevilla) clavando una barrena para extraer el perfil de suelo, Antonio Jordán
Consistencia del suelo
Un suelo friable tiene la consistencia óptima desde el punto de vista agronómico, pero esta propiedad se puede modificar por el humedecimiento o secado del suelo.
La mayoría de los suelos francos, con un contenido adecuado de materia orgánica, poseen una consistencia friable.
El manejo adecuado de los suelos con cualquier textura puede mantener en buenas condiciones la capa arable.
Una consistencia demasiado firme o suelta puede corregirse mediante el aporte de materia orgánica al suelo.
Suelo franco, Hanzell Vineyards / Flickr
Consistencia del suelo
VO
LUM
EN D
E SU
ELO
CANTIDAD DE AGUA
Límite de expansión
(Ws)
Duro, sólido
Límite plástico
(Wp)
Friable, semisólido
Límite líquido
(Wl)
Plástico Líquido
Índice de plasticidad: IP = Wl −Wp
Límites de Atterberg
Consistencia del suelo Las uniones entre partículas de arena o limo son muy débiles. En cambio, las fuerzas de cohesión
entre las partículas de arcilla pueden ser extremadamente fuertes.
La adhesividad se debe a la tensión superficial que existe entre las partículas del suelo en estado húmedo.
Cuando el contenido en agua aumenta excesivamente, la adhesividad tiende a disminuir.
Consistencia del suelo
Estado del suelo
Máxima cohesión
Seco
Duro
Saturado
Wp
Máxima adhesividad
Wl
Húmedo Mojado
Friable (condiciones
ideales)
Plástico
CANTIDAD DE AGUA
CO
NSI
STEN
CIA
Determinación de la consistencia
Debido a la relación que existe entre la consistencia del suelo y el contenido de agua, la consistencia se determina considerando tres posibles estados del suelo: Seco (contenido en humedad
por debajo del punto de marchitez permanente).
Húmedo (humedad por debajo del límite plástico).
Mojado (contenido en humedad por encima de la capacidad de campo).
En cada uno de estos estados, el suelo presenta distintas propiedades
Consistencia del suelo, John Kelley / Flickr
Interpretación práctica
Un horizonte bien estructurado: Permite una buena circulación de agua, aire y nutrientes.· Facilita la infiltración.
Disminuye el riesgo de formación de escorrentía y, con ello, laerosión hídrica del suelo.
La infiltración aumenta las reservas de agua en el suelo.
Favorece el desarrollo y la actividad de los microorganismosaerobios.
Favorece el crecimiento de las raíces y la germinación de lasplantas.
Favorece la actividad de la fauna del suelo, lo que mejora laestructura.
Favorece el laboreo.
Colores de suelos mediterráneos, Antonio Jordán / Imaggeo
Colores del suelo en los Estados Unidos, Zamir Libohova / Imaggeo
Colores de suelos de América del Sur, Alba Catalán Merlos / Imaggeo
Color del suelo
El color del suelo es una propiedad física que permite inferir características importantes del suelo, entre otras: Composición mineralógica
Edad
Procesos edáficos
Del mismo modo, permite diferenciar entre distintos tipos de horizontes de un mismo perfil o entre perfiles de distintos suelos.
Paleosuelo en Mallorca, Antonio Jordán / ImaggeoAlisol gléyico en el P.N. Los Alcornocales (Cádiz), Antonio
Jordán / Imaggeo
Restos de un incendio en el P.N. de Doñana, Antonio Jordán / Imaggeo
Suelo sobre migmatitas, Antonio Jordán
Color del sueloOscuro o negro
Se debe a la presencia de materia orgánica, y normalmente es característico del horizonte superficial.
Si el color oscuro se restringe a nódulos y películas se le atribuye a los compuestos de hierro y, sobre todo, de manganeso.
Manchas de óxido de manganeso (Mallorca), Antonio Jordán
Suelo quemado (Perth, Australia), Antonio Jordán / Imaggeo
Color del sueloClaro o blanco
Normalmente se debe a los carbonatos de calcio y magnesio o a otras sales más solubles.
Los carbonatos pueden presentarse con distintos patrones, de manera continua o discontinua:
En forma de nódulos. Películas sobre los agregados Pseudomicelios.
Las sales como el ClNa pueden acumularse también formando una costra superficial.
En los horizontes eluviales (E), el color claro es consecuencia del lavado de las arenas (constituidas fundamentalmente por cuarzo).
Suelo sobre calizas (P.N. Los Alcornocales), Antonio Jordán
Horizontes cálcicos (Benamejí, Córdoba), Antonio Jordán / Imaggeo
Suelos salinos en la cuenca del Lago Cuitzeo (México), Antonio Jordán / Imaggeo
Concreciones de yeso con impurezas de hierro (Fe3+) y otros elementos (Chiclana de la Frontera), Antonio Jordán / Imaggeo
Color del suelo
Pardo - amarillento
Se debe a la presencia de óxidos de hierro hidratados, Fe3+O(OH) (goethita), y fuertemente asociados a la arcilla y a la materia orgánica.
Rojo Aparece en el suelo como
consecuencia de la alteración de los minerales.
Se debe a la liberación de óxidos férricos como la hematita (Fe2O3).
Este proceso se ve favorecido en climas cálidos con estaciones de intensa y larga sequía, como el clima mediterráneo.
El color rojo indica un buen drenaje y ventilación del suelo, lo que permite la existencia de condiciones oxidantes para formar los óxidos.
Suelo rojo (terra rossa; Portugal), Antonio Jordán / Imaggeo
Suelo sobre calizas (Portugal), Antonio Jordán / Imaggeo Suelo sobre calizas (Alicante), Jorge Mataix-Solera/ Imaggeo
Color del sueloGris o abigarrado
Se debe a la presencia de compuestos de hierro.
Estos colores son característicos de los suelos pseudogley con condiciones alternantes de reducción y oxidación.
El abigarrado o veteado se presenta como grupos de manchas de colores rojos, amarillos y grises.
Esta propiedad aparece en suelos que se encharcan durante un período del año.
En ocasiones, puede deberse a la actividad de raíces de plantas que viven en condiciones de encharcamiento.
Alisol gléyico (P.N. Los Alcornocales), Antonio Jordán / ImaggeoRegosol endogléyico (Huelva), Antonio Jordán / Imaggeo
Rasgos redoximórficos (Huelva), Antonio JordánRasgos gléyicos en profundidad (Sevilla), Antonio Jordán
Rasgos rédox, John Kelley / Flickr
Suelo gris verdoso, Antonio Jordán
Color del sueloGris verdoso/azulado
Se debe a la presencia de compuestos como el Fe(OH)2.
Son característicos de suelos que sufren una intensa hidromorfía.
Normalmente indica una falta de oxígeno en el suelo, bien por encharcamiento, bien por una baja porosidad.
Color del suelo Los suelos agrícolas suelen presentar un color poco
influenciado por la materia orgánica, ya que la aportación de residuos es mucho menor que en el caso de los suelos forestales.
De esta manera, la distinción entre horizontes orgánicos y minerales es mucho más débil, debiendo apoyarse en otras propiedades como la textura o la estructura.
Determinación del color del suelo
En los suelos templados de nuestras latitudes predomina de manera general el color pardo.
Las sustancias resultantes de la alteración de la materia orgánica se oxidan y adquieren una coloración oscura.
Algunas de estas sustancias pueden combinarse con sustancias minerales presentes en el suelo, procedentes de la mineralización de la materia orgánica (como nitrógeno, fósforo o hierro) o de la alteración química de los minerales (como los óxidos de hierro, solubles).
Determinación del color del suelo
La determinación del color se realiza de manera visual mediante el sistema Munsell.
Colores del suelo, Antonio Jordán / Imaggeo
Determinación del color del suelo, John Kelley / Flickr
Determinación del color del suelo
Matiz. Indica su posición relativa en una escala de 100 matices de color distintos. La notación está basada en 10 clases principales:
Gley 1. Gley 2. Rojo (5R). Rojo amarillento (5YR). Amarillo (5Y). Amarillo verdoso (5GY). Verde (5G). Verde azulado (5BG). Azul (5B). Azul purpúreo (5PB). Púrpura (5P). Púrpura rojizo (5RP).
Brillo. Indica la luminosidad u oscuridad de un color en relación con una escala neutra de grises, que va desde el negro absoluto (0/) hasta el blanco absoluto (10/).
Intensidad. Indica el grado de alejamiento de un determinado matiz de color respecto a un gris neutral (5/) con el mismo brillo. La escala de la intensidad va desde /0 (gris neutro) hasta /10, /12, /14 o más, dependiendo de la muestra que se evalúe.
Determinación del color del suelo en laboratorio, Antonio Jordán / Imaggeo
Temperatura del suelo
Efectos en las plantas
Temperatura
Germina-ción
Creci-miento
Absorción de
nutrientes
Disp. de agua
Respira-ción
Efectos en el suelo
Temperatura
Actividad microbiana
Difusión de fluidos
Estructura
Contenido de agua
Meteori-zación física
Meteori-zación
química
Los procesos físicos, químicos y biológicos de un ecosistema están fuertemente influenciados por la temperatura.
Temperatura del suelo
La mayor parte de la energía calorífica que recibe el suelo procede de la energía solar. En un clima templado, y
por término medio, se estima que el suelo recibe 144 calorías día-1 cm-2.
Este valor varía con la latitud, la época del año, la nubosidad, la orientación de la ladera y la cubierta vegetal.
La temperatura del suelo depende del balance de energía térmica absorbida, emitida y reflejada.
Por lo tanto, la capacidad del suelo para elevar su temperatura dependerá de una serie de variables: Intrínsecas (color, humedad,
calor específico, drenaje, renovación de la atmósfera del suelo, etc.)
Extrínsecas (humedad atmosférica, nubosidad, partículas en suspensión en la atmósfera, precipitación, viento, relieve, vegetación, etc.).
Temperatura del suelo
Conducción
Se debe a la energía cinética de
las moléculas.
Es un mecanismo lento.
Afecta a la fase sólida.
Convección
Se debe al movimiento de
fluidos.
Es un mecanismo rápido.
Afecta a las fase sólida, liquida y
gaseosa.
Radiación
Se debe a la radiación infrarroja
emitida por cuerpos calientes.
Es un mecanismo muy rápido.
Es el principal proceso entre el suelo y el medio.
Evaporación/condensación
Es importante especialmente
cuando el suelo se está secando.
Absorción de energía calorífica por los suelos
La temperatura alcanzada es mayor cuando los rayos inciden de manera perpendicular al suelo.
Este factor varía con: La latitud. La estación El momento del día (la máxima perpendicularidad se alcanza al mediodía.
También como consecuencia de la orientación del sol, en nuestra latitud, las laderas orientadas al sur reciben más insolación que las orientadas al norte.
Absorción de energía calorífica por los suelos
Día
Absorción
Absorción
Luz reflejada
Luz solar
EvaporaciónConvección
Reflexión negra
Noche
Absorción
EvaporaciónConvección
Absorción de energía calorífica por los suelos
Suelodesnudo
Absorción
Absorción
Luz reflejada
Luz solar
EvaporaciónConvección
Reflexión negra
Cobertura vegetal
Luz reflejadaLuz solar
EvaporaciónConvección
Absorción
Luz reflejadaLuz solar
Absorción
Reflexiónnegra
Suelo bajo nieve
Olivar nevado (Cortijo de Sandalio, Villanueva de Córdoba), Juan Gil (Univ. de Córdoba)
Regosol éutrico bajo la nieve (Cortijo de Sandalio, Villanueva de Córdoba), Juan Gil (Univ. de Córdoba)
Regosol éutrico bajo la nieve (Cortijo Era Grande, Villanueva de Córdoba), Juan Gil (Univ. de Córdoba)
Variaciones de la temperatura del suelo y sus consecuencias
La temperatura del suelo está directamente relacionada con la temperatura del aire de las capas próximas al suelo.
La temperatura del suelo, como la del aire, 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.
Medida de la temperatura del suelo
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
Temperatura y días de germinación del maíz
Días necesarios para la germinación
Temperatura (oC)
Marzo JunioAbril Mayo
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Tem
pe
ratu
ra (
oC
)
Hora solar
Variación térmica horaria en profundidad
1 cm
2 cm
5 cm
10 cm
20 cm
40 cm
80 cm
160 cm
Efectos de la temperatura del suelo sobre el crecimiento vegetal
Por otra parte, la temperatura modifica las condiciones del medio y la velocidad a la que actúan determinados procesos, de modo que también afecta a las plantas de manera indirecta influyendo sobre: La velocidad de difusión de los gases.
La velocidad de difusión de los gases se incrementa de manera proporcional al aumento de temperatura, lo que influye sobre el intercambio gaseoso que realizan las raíces y, probablemente sobre la germinación de las semillas.
La actividad microbiana y enzimática en el suelo.La velocidad de las reacciones bioquímicas varía dentro de un rango de temperaturas limitado por la velocidad de difusión y la actividad de las proteínas.
La solubilidad de determinados compuestos minerales.Se encuentra limitada a baja temperatura.
La alteración química de las arcillas, que aumenta proporcionalmente al incremento de la temperatura.
La estructura del suelo, como consecuencia de los anteriores puntos.
Plantación de fresón (Huelva), Antonio Jordán / Imaggeo
Finca experimental El Cebollar (INIA, Huelva), Antonio Jordán / Imaggeo
