Suelo

La intemperización de minerales, aluminio-silicatos a minerales arcillosos, es un ejemplo de reacciones incongruentes que ocurren activamente en un suelo agrícola. Teniendo efecto a partir de que los minerales del suelo reaccionan con el agua de riego o lluvia y componentes del ambiente, produciendo compuestos que pasan a la solución del suelo mas la arcilla-degradada sólida, con un contenido menor de silicio y cationes, calcio, potasio, etc.(PDF)

Estas reacciones de intemperización se pueden escribir en términos de la disponibilidad de agua (H₂O), protones hidrogeno (H⁺), bióxido de carbono (CO_2(g)) y ácido carbónico  (H₂CO₃),  provenientes del medio ambiente del suelo y que la aplicación de tecnologías agrícolas pueden regular con precisión y oportunidad. Otro factor que promueve las reacciones de intemperización es el tamaño de las partículas de arcilla y la temperatura. Por ejemplo la intemperización del mineral feldespato llamado ortoclase (KAlSi₃O_8(s)) al mineral arcilloso llamado caolinita (Al₂Si₂O₅(OH)_4(s)) es una importante reacción en suelos de clima húmedo. Nosotros podemos escribir la reacción en términos de H⁺ y  agua (H₂O), como sigue:

KAlSi₃O_8(s) + H⁺ + 9/2 H₂O D 1/2 Al₂Si₂O₅(OH)_4(s) + K⁺ + 2 H₄SiO₄°

Donde los productos son el ácido ortosilícico que va a componer la solución del suelo y la arcilla erosionada. La misma reacción escrita en términos de CO_2(g)  atmosférico puede ser:

KAlSi₃O_8(s) + CO_2(g) + 11/2 H₂O D 1/2 Al₂Si₂O₅(OH)_4(s) + K⁺ + HCO₃^-  + 2 H₄SiO₄°

Para un diferente feldespato llamado plagioclase, el cual contiene una igual fracción de Na y Ca, la reacción que ocurre es:

4 Na_0.5Ca_0.5Al_1.5Si_2.5O_8(s) + CO_2(g) + 5 H₂O D 3 Al₂Si₂O₅(OH)_4(s) + 2 Na⁺ + 2 Ca⁺ +  4 H₄SiO₄° + HCO₃^-

Formando enseguida monómeros y polímetros de silicatos solubles, los cuales pueden formar coloides, incrementando significativamente la capacidad de intercambio catiónico y riqueza nutritiva del suelo. De manera general estas reacciones se pueden escribir como sigue:

Silicato Minerales + CO_2(g) + H₂O D  Minerales arcillosos + HCO₃^- + 2 H₄SiO₄° + catión

Esta reacción es estimulada por las tecnologías de riego, que proveen una humedad constante en el suelo, como lo hace el riego presurizado de goteo y la micro aspersión. Otra técnica importante es la inundación de suelos, pero esta tiene poca aplicación dada las limitaciones en la disponibilidad y aprovechamiento del agua. Así también la aplicación de carbonatos y de materia orgánica a través de compostas, estimularan la formación de CO_2(g) y H₂CO₃. Estas técnicas agrícolas apoyan la activación y degradación de las arcillas liberando silicio en la forma de ácido ortosilícico, un ácido muy débil, manteniendo una concentración entre 20 y 40 ppm en la zona radicular, a lo largo del desarrollo del cultivo, aunque dependiendo, de la temperatura y concentración de silicio en los materiales minerales que componen el suelo, pueden ocurrir en la solución incluso 150 ppm de este ácido. El ácido ortosilícico será asimilado por la planta por el sistema radicular, y satisfacer las demandas del cultivo, que en promedio son similares a las de potasio y nitrógeno, como se muestra en la tabla 1, para los cultivos de arroz, caña de azúcar y papa, correspondiendo en promedio para cada uno un 25%, de los elementos minerales solubles asimilados a través de las raíces.

Cuando se practica una agricultura intensiva, la cantidad de silicio en los minerales del suelo se reduce significativamente, por lo que es importante aplicar técnicas de remineralización permanentemente, revirtiendo este proceso de degradación. En la tabla 2, se muestran algunas de las diferencias entre suelos productivos y erosionados, de acuerdo con información obtenida en regiones agrícolas del país. Note que la relación silicio/aluminio es indicadora de la capacidad productiva del suelo, esto es, en general una relación de 4/1 será la adecuada, mientras que relaciones cercanas a uno son obtenidas en suelos erosionados y de baja productividad.  

Cuando un suelo ya esta degradado, la práctica del encalado puede resultar contraproducente, como lo ilustra la reacción:

2 NaAlSi₃O_8(albita) + Ca²⁺ + 4 H₂O D   2H⁺ + CaAl₂Si₄O₁₂.4 H₂O_(laumontita) + 2 SiO_2(amorfo)

En esta, ocurre un mayor proceso de degradación, cuando se adiciona de manera irracional el catión (Ca²⁺), se liberan protones (H⁺), que proporcionan un suelo ácido y se libera también silicio amorfo insoluble, dadas las condiciones de acidez del suelo.

Para mantener la productividad y sustentabilidad de los sistemas agrícolas es importante comprender el papel del silicio en estos. Se establece que las prácticas de irrigación con presición, para mantener un nivel constante de humedad en los suelos, en combinación con otras técnicas que conservan la humedad en el suelo, como son el acolchado de suelos con materiales plásticos y esquilmos agrícolas como en la labranza mínima, el aporte de materia orgánica a través de compostas y el empleo racional de carbonatos, permiten la presencia de silicio en la forma de ácido ortosilícico (H₄SiO₄°) soluble en los suelos, proporcionando una alta movilidad de nutrientes minerales  y la formación de coloides. Estas acciones permiten que el cultivo sea productivo, con una mejor capacidad de adaptación al estrés biótico y abiótico.

Adicionalmente, es importante seguir con las convenciones y requerimientos de las transformaciones de minerales alumino-silicatos.

• En las reacciones que involucran Al-silicatos, el Al es conservado; dado que este, no se disuelve apreciablemente, pero es transferido en el producto solidó de la reacción.
• El exceso de silicio forma ácido ortosilícico (H₄SiO₄°), el cual no se disocia a menos que el ambiente sea muy básico (pH > 7), por lo que, en suelos ricos en silicio, se debe racionalizar la aplicación de ácidos a través de los sistemas de riego.
• Elementos de metales álcali y tierras alcalinas forman iones en solución.
• Cualquier ión H⁺, consumido por la reacción se origina del medio ambiente.
• Después, de que la reacción ha sido balanceada con respecto al Al, Si, y cationes solubles, nosotros balanceamos el oxigeno por adición H₂O, tanto como sea necesario.
• Después, balanceamos el hidrogeno por la adición H⁺ tanto como sea necesario.
• La ecuación puede ser balanceada en términos de cargas eléctricas.

Nota: El oxigeno no puede ser balanceado por O_2(gas) a menos que la reacción envuelva oxido-reducción. En el balanceo de reacciones oxido-reducción los electrones que son intercambiados tienen que ser balanceados primero antes de completar un balance de materia y cargas eléctricas.

Manejo De Suelos Para La Mejor Productividad

El diseño de técnicas agrícolas para la remineralización de suelos, con la consecuente reversión de la  baja productividad y la alta susceptibilidad de los cultivos al estrés biótico y abiótico, se apoya en la Ley de Acción de Masas. Esta establece una demanda de H₂O, cationes (Ca²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, K⁺, Na⁺ , Al³⁺), CO_2(g), ácido ortosilicico (H₄SiO₄°) y silicio amorfo (SiO_2(amorfo)), tal como se presenta en las siguientes reacciones, expresadas en términos de actividades:

La calcita o minerales de carbonato de calcio (CaCO_3(calcita)) en la presencia de CO_2(g), son importantes proveedores de ácido carbónico y calcio requeridos para iniciar el proceso de remineralización, de acuerdo a la reacción siguiente:

CaCO_3(calcita) + CO_2(g) + H₂O D 2 HCO₃^- + Ca²⁺ + H₂O

Enseguida es importante, incrementar la disponibilidad de SiO_2(amorfo) y H₄SiO₄° y continuar con las reacciones que involucran la presencia de materiales arcillosos degradados o no, tal como:

Al₂Si₂O₅(OH)_4(caolinita) + Ca²⁺ + 2 SiO_2(amorfo) + 3 H₂O D 2 Na⁺ + CaAl₂Si₄O₁₂.4 H₂O_(laumontita) 

Mineral arcilloso  + HCO₃^- + H₄SiO₄° + catión  D Silicato rico en catión + CO_2(g) + H₂O

Caolinita + HCO₃^- + H₄SiO₄° + Na⁺ D Montmorillonita-sódica + CO_2(g) + H₂O

Caolinita + HCO₃^- + H₄SiO₄° + Mg²⁺ D Clorita + CO_2(g) + H₂O CIC = 10-40 meq 100^{-1 g}

Caolinita + HCO₃^- + H₄SiO₄° + K⁺ D Illita + CO_2(g) + H₂O CIC = 10-40 meq 100^{-1 g}

2Al³⁺ + 2H₄SiO₄°_{(ácido ortosilicico)} + H₂O D 6H⁺ + Al₂Si₂O₅(OH)_4(caolinita) CIC = 3-15 meq 100^-1

Como se observa, el silicio en la forma de H₄SiO₄°  se incorpora a las arcillas, incrementando la capacidad de intercambio catiónico, además de que mejora la capacidad de movilización de nutrientes y su retención catiónica, impidiendo la lixiviación de minerales solubles y en estado iónico, adicionalmente el pH del suelo se torna alcalino a consecuencia de los silicatos.

Las técnicas de manejo de suelos, para la mejora de los niveles de silicio en el suelo, son a travéz de:

1. El agua de riego puede ser una buena fuente de silicio disuelto, para ello es importante conocer la concentración de todos los elementos minerales contenidos en ella. De manera general las aguas obtenidas de manantial o pozo, proximas a regiones volcanicas, contienen concentraciones que permiten aportar al cultivo entre 10 y 20 kilos de silicio en la forma de ácido ortosilícico, por cada lamina de riego de 50 mm.
2. Aplicación de compostas, sobre todo aquellas provenientes de la actividad ganadera y enriquecidas durante su proceso, con minerales ricos en silicio. Estos materiales pueden aportar de 40 a 60 kg de silicio por tonelada de composta. Ademas de otros nutrientes importantes, como son el nitrógeno, potasio, carbono, etc.
3. La aplicación de fertilizantes minerales de nueva generación, como el SILIFERTIDOL que por sus diferentes presentaciones, pueden aporta de 90 a 150 kilos de silicio amorfo, biogeoquímicamente disponible, por tonelada de producto.
4. La recuperación y aprovechamiento de esquilmos agrícolas, son también una fuente de silicio, sobre todo aquellos obtenidos a partir del cultivo de arroz y caña de azúcar, que pueden contener hasta un 4% de silicio.
5. El suelo puede disponer de 800 ton/ha de silicio, en la capa arable de 25 cm, en suelos francos altamente productivos. Se estima que niveles por debajo de 300 ton/ha, son improductivos o bien ya no es posible la actividad agrícola rentable, ni de subsistencia.

A manera de ilustración se muestra en la tabla 3, la composición promedio de fuentes que aportan silicio a la actividad agrícola, así mismo en la figura 1, se muestra el flujo y posibles aportes de silicio al cultivo.

Edgar Quero Gutiérrez ( Esta dirección de correo electrónico está protegida contra los robots de spam, necesita tener Javascript activado para poder verla , Esta dirección de correo electrónico está protegida contra los robots de spam, necesita tener Javascript activado para poder verla , Esta dirección de correo electrónico está protegida contra los robots de spam, necesita tener Javascript activado para poder verla , www.itsu.edu.mx, www.loquequero.com ), División de Investigación, Instituto Tecnológico Superior de Uruapan, Carr. Uruapan a Carapan # 5555, Col. La Basilia, Uruapan, Michoacán, CP 60015, Tel. 014525275050, Cell. 0135151 02171.