Cuando nos referimos al ambiente, es en las interfaces de éste donde suceden las grandes acciones. Algunas veces estas acciones son dramáticas: deslizamientos de tierras, vendavales que causan estragos en bosques, o salidas de ríos e inundaciones de tierras de cultivo.

Claro que más a menudo estas interacciones son menos dramáticas, ya que los procesos ocurren en otra dimensión del tiempo, sin embargo los efectos son igualmente importantes. El lento pero inexorable desgaste de las montañas, es sólo un ejemplo.

Hay una vasta zona de interfaces que cubre la mayor parte de la superficie global de la tierra, donde se encuentran la atmósfera, la hidrósfera, la biósfera y la geósfera. Esta zona es el suelo; se trata de un ambiente fascinante e importante y también muy complejo. No sólo el suelo está en el punto de sobreposición de las cuatro esferas mencionadas anteriormente, (Figura 1), sino que además éste debe su existencia a la interacción que ocurre entre estas diferentes fases.

El suelo se ha formado de los sólidos que son en parte productos del desgaste de las rocas (la atmósfera y la hidrósfera, actuando en la geósfera), y en parte de productos de la actividad biológica (la descomposición de plantas y restos de animales). El suelo es un medio altamente poroso, que típicamente tiene una mezcla de 50% de sólidos y 50% de espacios porosos. Los espacios porosos contienen una cantidad variable de agua y aire, dependiendo de cuan húmedo o cuan seco es éste.

El suelo se ha formado por una combinación de procesos, incluyendo el desgaste físico que comprende la fragmentación de rocas, el desgaste químico, que involucra la alteración de los minerales que componen las rocas, la descomposición de residuos de plantas y animales depositados sobre y bajo del suelo y el movimiento por filtración de agua hacia el subsuelo de sólidos suspendidos y materiales disueltos. Estos y otros procesos están influenciados por factores ambientales, tales como la naturaleza de la geología subyacente, la vegetación local, el clima y la topografía. Esto significa que en diferentes lugares los procesos se combinan en diferentes formas para producir una variedad de suelos.

Los suelos se clasifican de acuerdo a las características que ellos exhiben cuando son examinados en secciones verticales conocidas como perfiles del suelo. Por ejemplo en zonas climáticas temperadas, los materiales arenosos derivados de piedras areniscas bajo los bosques de coníferas ubicados en laderas escarpadas, pueden desarrollarse hacia podzols, con su característica estructura en bandas que resulta de la perdida y redistribución de materiales en la precolación del agua. Sin embargo, en climas tropicales, el fuerte desgaste de rocas basálticas bajo los bosques húmedos se pueden desarrollar en las profundidades óxidos de hierro rojos; oxisois.


Necesidades de la vida

Nutrientes requeridos

Una de las funciones claves del suelo es soportar la vida ("función del suelo" es en nuestros días un importante concepto en las políticas de protección del suelo), y es el mismo suelo el que está rebosante de vida, principalmente microorganismos que no se ven a ojo desnudo, junto a animales mayores y más obvios, como lombrices de tierra y la vida vegetal que vive dentro y sobre la tierra. Toda esta actividad biológica proviene de la capacidad del suelo de proveer las necesidades para la vida: refugio, alimento y agua (fig. 2).

Para las plantas y los varios animales que se alimentan de su entorno, la nutrición depende de la absorción de un sin número de elementos vitales que ellos requieren en cantidades variables. Algunos elementos químicos, como nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K) y calcio (Ca), los requieren en relativa gran cantidad. Estos son conocidos como macronutrientes de plantas. Otros como cobre, zinc y boro son requeridos en pequeñas cantidades y se les llama micronutrientes de plantas.

Estos se liberan y se solubilizan en el agua del suelo, como resultado de diversos procesos que ocurren en el mismo suelo, como es el desgaste de rocas y minerales y las degradaciones biológicas de materiales orgánicos. Quedan así disponibles para el uso por parte de organismos del suelo, y particularmente para las plantas que los absorben por sus raíces.

Durante la formación del suelo, el desgaste químico causados en él por las soluciones ácidas, lleva a la degradación de rocas y minerales que ellos contienen. Esto libera algunos macronutrientes como potasio, calcio, magnesio y sodio, como también cationes solubles (figura 3). Las soluciones acídicas que causan el desgaste químico se producen porque los gases atmosféricos, como el dióxido de carbono (CO₂) disuelto en el agua natural, las hace ligeramente acídicas. Este proceso se acelera por la quema de combustibles fósiles que colocan en la atmósfera el dióxido de azufre (SO₂) y el óxido nitroso (NO_x), incrementando la acidez de las lluvias ( Lluvia ácida). Estos procesos de desgaste liberan elementos químicos, los cuales son menos solubles, tales como hierro (Fe) y manganeso (Mn), siendo ambos micronutrientes. Pero estos elementos tienden a precipitarse como óxidos insolubles e hidróxidos, los cuales explican la persistencia de óxidos de hierro en muchos suelos tropicales como los oxisols.

Con la erosión también se liberan silicio (Si) y aluminio (Al), que son los mayores constituyentes de rocas y minerales. Ni el silicio, ni el aluminio son esenciales para la vida de las plantas. Mientras el silicio no es tóxico, ni para plantas ni animales, sí lo puede ser el aluminio cuando está en forma de cátodos de aluminio soluble. Con el pH bajo 5, éste llega a ser particularmente soluble, y ello es lo característico de los suelos ácidos. Estos pueden causar toxicidad en las plantas en suelos con pH bajo, a menos que esas plantas se hayan adaptado a las condiciones ácidas (fig.3). Adicionalmente, el agua ácida drenada desde los suelos puede acidificar también los arroyos y los ríos hacia los cuales estos fluyen, matando los peces ( La Toxicidad del Aluminio en el Suelo ).

También en pH bajos, pueden liberarse otros elementos potencialmente tóxicos (PTEs), como son el cadmio (Cd) y el niquel (Ni), los cuales en la medida que baja el pH pueden llegar a ser más solubles y por lo tanto más factibles de ser absorbidos por las plantas. De este modo, si el pH se vuelve demasiado ácido en suelos que naturalmente tienen altos contenidos de PTEs, o suelos con contaminantes, pueden causar toxicidad en las plantas.


Leyenda de vida o muerte

La biosfera en toda su magnitud

El material biológico es químicamente complejo, constituido por varios elementos; pero solamente cuatro de ellos están presentes en grandes cantidades: carbono (C), nitrógeno (N), oxígeno (O) e hidrógeno (H). Cuando el material biológico es devuelto al suelo, como por ejemplo los desechos de lo cosechado, se transforma en una fuente de alimentos para organismos que allí viven ( La Agricultura Autosostenible ). En esta forma es descompuesto y sus constituyentes se combinan en nuevos compuestos químicos simples.

La mayor parte del carbono y algo del oxígeno terminan liberándose la atmósfera como CO₂, donde de nuevo pueden ser usados en el proceso de fotosíntesis, completando así el ciclo del carbón. El hidrógeno y algo más del oxígeno se trasforman en agua y vuelven a la hidrósfera. El nitrógeno que es un elemento clave en la nutrición de plantas y animales, inicialmente es liberado como iones amonio (NH₄⁺), que entonces puede ser transformado por bacterias especializadas en iones nitrato (NO₃^-). Tanto el amonio como el nitrato son solubles en las aguas del suelo, por lo que están disponibles para que las plantas los capten. Los elementos nutritivos son entonces reciclados desde los residuos de plantas en descomposición, para volver a las plantas en crecimiento (figura 4).

Los residuos orgánicos en el suelo pueden inicialmente identificarse como remanentes vegetales o animales, pero en la medida que la descomposición continúa, éstos llegan a ser homogéneos transformándose en humus o materia orgánica del suelo (SOM). Este SOM no es un compuesto químico simple, sino una mezcla de compuestos de variados tamaños. Sin embargo los compuestos son generalmente polímero orgánicos que contienen estructuras alifáticas (cadena) y aromáticas (anillos). Las propiedades químicas del SOM están determinadas por los grupos químicos que están en sus superficies expuestas, los llamados grupos funcionales, que incluyen los grupos carboxil, amino y fenólico.

Debido al reciclamiento biológico, constantemente se está agregando nuevo material al SOM, en la medida en que mueren plantas y animales y decaen sus restos que entran al suelo. Sin embargo el SOM contenido en los suelos, en situaciones no alteradas, es relativamente constante, ya que decae al mismo tiempo que se va rellenando. Así por ejemplo, los suelos agrícolas en climas temperados, el ritmo de decaimiento del SOM es de aproximadamente de un 5% al año, lo que significa que como promedio el SOM permanece en el suelo por 20 años. Esto se llama tiempo de residencia. Los 20 años de promedio están dados por varios compuestos individuales cuyos periodos de existencia pueden durar desde unas pocas semanas, como son los almidones y azucares de fácil degradación, hasta cientos de años para compuestos de tipo de la lignina.

La cantidad de SOM en el suelo depende de dos factores. De la naturaleza de la vegetación o el uso de la tierra y del clima, ya que el proceso de descomposición se acelera con la temperatura. En definitiva, esto significa que los suelos en climas calientes y secos pierden SOM más rápidamente, mientras que aquellos en climas fríos y húmedos lo acumulan. En climas húmedos el agua determina la facilidad con que el oxígeno en su forma molecular (O₂) puede entrar al suelo. Los suelos húmedos tienen la mayoría de sus poros llenos de agua y por eso el oxígeno tiene dificultad para entrar. A la inversa, en áreas secas los suelos tienen sus poros mayoritariamente rellenos de aire. Esto significa que los suelos de zonas tropicales áridas (regiones desérticas) están bien oxigenados. Esto combinado con las altas temperaturas y la pequeña entrada de material vegetal, los lleva a contener muy bajos contenidos de SOM. Los suelos de regiones frías, al contrario, están dominados solamente por materias orgánicas que se descomponen muy lentamente, llevando finalmente a la formación de turba (tierra bituminosa que sirve de combustible).

Esto tiene implicancia con procesos relacionados con los gases invernadero y los cambios climáticos, ya que estos tienen que ver con el ciclo global del carbón. Claramente, los suelos tienen aquí un rol importante, ya que ellos son ambos, una fuente y un acumulador de carbono. La forma en que el suelo se ha manejado para la agricultura y la forestación influirá para que este sea netamente una fuente de carbono o un neto acumulador de carbono. Se estima que la acumulación de carbono en los suelos en forma global es de 1500X10¹⁵ gramos, lo cual representa el 4% del carbono que no está en las rocas. En la medida que el CO₂ de la atmósfera se incrementa, habrá un mayor ingreso de material orgánico al suelo derivado del incremento del crecimiento de las plantas y de la actividad microbiana. Pero a la inversa, el incremento global de las temperaturas aumentara los índices de descomposición en los suelos. Por lo tanto el efecto neto del contenido de SOM podría ser cero. De este modo, cambios en las prácticas agrícolas, particularmente una reducción en los cultivos, podría ser una significativa contribución para reducir las emisiones de carbono. Romper el suelo arándolo, introduce oxígeno y expone más SOM a la oxidación e incrementa la producción de CO₂. Reducir los sistemas de cultivo no solamente lleva a menos emanaciones de CO₂ desde el suelo, sino también involucra un menor consumo de combustible fósil en los vehículos del campo. Esto merece considerarse si estamos tratando de reducir el calentamiento global.

Porque la descomposición de materia orgánica libera nutrientes esenciales para las plantas, el SOM sirve como una reserva de fertilidad. Es una medida de fertilidad inherente del suelo. Con todo, esta fertilidad inherente sólo llega a ser liberada cuando se descompone el SOM, lo que no sólo requiere de condiciones de calentamiento, sino también de valores de pH cercanos a la neutralidad. Si los suelos llegan a ser ácidos, como los podzoles, entonces los organismos no pueden desarrollar el proceso de descomposición y la materia orgánica se acumula en la superficie. Afortunadamente muchos suelos tienen la capacidad de disminuir el proceso de acidificación, lo que se conoce como capacidad buffer de pH (ver recuadro).


Fuera del delgado aire

Aportes atmosféricos

La atmósfera está constituida por tres elementos mayores: nitrógeno como N₂ (78%), oxígeno como O₂ (21%) y CO₂ (0.04%). Todos ellos son importantes para mantener la vida, especialmente el CO₂, que a través de la fotosíntesis es la fuente de carbono para las plantas. El oxígeno es importante para la respiración de todos los organismos aeróbicos, y es esencial para la degradación de la materia orgánica en el suelo, liberando nutrientes para las plantas y reciclando las formas orgánicas de C desde el suelo hasta la atmósfera como el CO₂.

El nitrógeno, como N₂ es de uso directo de las plantas, que requieren N en la forma de NO₃^- soluble o NH4- en solución. Sin embargo, a través de la acción de bacterias fijadoras de nitrógeno, como es el caso de los rizobios que viven en el suelo, pueden hacer que el nitrógeno atmosférico llegue a estar disponible para las plantas (Creces: "El nitrógeno, Nutriente Fundamental para las Plantas"). Los rizobios tienen la propiedad de convertir el nitrógeno en uniones orgánicas (grupos aminos). Subsecuentemente, durante el decaimiento de SOM, el nitrógeno fijado puede transformarse en NH₄⁺ y luego en iones nitratos.

Pero ésta no es la única parte de la historia de la transformación del nitrógeno en el suelo. La lixiviación es la pérdida de materiales disueltos del suelo cuando el agua pasa a través de él rápidamente. El nitrógeno, como nitrato, de cualquier parte de donde sea la fuente, puede perderse desde el suelo por lixiviación hacia los arroyos y ríos, produciendo riesgos para el ambiente y la salud. Además también se pierde por el proceso de denitrificación, en el que el nitrato se reduce químicamente por la acción de bacterias especializadas en suelos anegados de agua, convirtiéndose de vuelta en N₂, que luego es devuelto a la atmósfera.

El agua es esencial para que los organismos puedan sobrevivir en el suelo, ya que es la fuente de H y O, que junto con C y N llegan a constituir los elementos dominantes para todas las formas de vida.

El suelo, siendo poroso, tiene la potencialidad de actuar como reservorio de agua. Su capacidad de retener agua depende del tamaño de los espacios de los poros y de su interconexión. Si los poros son mayores de 0.05 milímetros de diámetro, el agua puede drenar por la fuerza de la gravedad. Los poros más pequeños pueden mantener agua, pero esta no drena. La distribución del tamaño de los poros en el suelo depende de la estructura del mismo, es decir en la forma en que las partículas individuales se unen para constituir agregados. La agregación depende de los agentes vinculantes, como arcilla y materia orgánica. Los suelos con una gran capacidad de retención de agua están compuestos por una mezcla de partículas de diferentes tamaños (arena, cieno y arcilla), junto con materia orgánica. Estos componentes pueden ser convertidos en suelo con un rango de tamaños de poros, mediante la combinación de actividad biológica y fuerzas físicas, tales como expansión y contracción, causadas por ciclos de lluvia y sequía.

Mientras el número de poros pequeños determinan las propiedades de retención de agua, el número de poros grandes determina la vulnerabilidad del suelo para la lixiviación. En climas con una apreciable cantidad de lluvia, los suelos que drenan excesivamente bien (los dominados por poros grandes), rápidamente se acidifican por el lixiviacion de cationes, como el Ca²⁺. Esto es como se forman los podzols en las regiones temperadas.

La lluvia es la mayor fuente de agua en los suelos. Esta no es agua pura, ya que contiene gases disueltos que bajan su pH a un rango que oscila entre 4 a 5.5 dependiendo del nivel de la polución atmosférica (SO₂ y NO_x ver recuadro). También contiene pequeñas cantidades de sales disueltas, especialmente proveniente del agua de mar. Esta solución ácida diluida cuando entra al suelo, produce cambios en la química. El incremento en la concentración es causada ya sea por pérdida de agua en la medida que las plantas las absorben por sus raíces (transpiración) y por evaporación, o por la adición de material debido a la disolución de sólidos en el suelo y por liberación vía actividad microbial. El pH de la solución del suelo también se incrementa por reacciones de amortiguación (buffer) (ver recuadro). La solución resultante es más rica en nutrientes y constituye una mejor fuente de elementos esenciales para las plantas que la original agua de la lluvia.

Porque el suelo es la fuente de tantos elementos para la vida, es de vital importancia que se retengan allí para las plantas y que estén en la forma que estas los puedan usar. Estas formas son simples iones inorgánicos, tales como cationes Ca²⁺, K⁺ y NH₄⁺, o aniones NO₃^-, y H₂P04_- y SO4^2-. Como iones solubles, estos tienden a perderse por lixiviación junto con cualquier agua que drena fuera del suelo. Con todo, afortunadamente el suelo tiene un mecanismo que le permite retener estos iones, porque las partículas del suelo, especialmente la arcilla y materia orgánica actúan como intercambiador de iones. Las superficies de las partículas están cargadas eléctricamente y esas cargas son predominantemente negativas. De este modo que la mayor parte de los suelos tienen una gran capacidad de intercambio catiónico; pero hay también algunas cargas positivas que ayudan a retener aniones.

Los aniones y cationes sostenidos en partículas de la superficie cargadas del suelo no son vulnerables a la pérdida en agua por lixiviación, pero pueden intercambiar con iones en el agua del suelo. Para los iones es energéticamente más favorable mantenerse en la superficie de partículas del suelo, de modo que por ejemplo el 90% de los iones Ca²⁺ están en la superficie y sólo el 10% está en la solución. Si esta distribución se interrumpe, digamos por la captación por plantas de iones de la solución, entonces los iones se moverán fuera de la superficie de las partículas del suelo para hacer buena la pérdida (figura 5). De esta forma las plantas tienen un acceso listo a nutrientes en una forma que los pueden usar, mientras que se mantiene un stock en reserva en la superficie de las partículas del suelo, de las cuales las plantas pueden después extraerlas.

Este sistema funciona bien para los cationes, pero menos bien para los aniones ya que hay menos cargas positivas para mantenerlos en la superficie de las partículas del suelo. De este modo ellas son más vulnerables a las pérdidas por lixiviación y son bien conocidos los problemas de movimientos de nitratos desde las tierras agrícolas a las reservas de agua. Otros aniones, especialmente el fosfato no sufre estos problemas ya que es menos soluble y por lo tanto menos vulnerables a la lixiviación.

Los ecosistemas naturales se sostienen por el reciclamiento de los nutrientes. Los nutrientes que se suministran a las plantas desde el suelo, son eventualmente reciclados a través de los desperdicios que regresan a la tierra. Por otra parte, en el proceso agrícola los cultivos se sacan de la tierra y con ellos los nutrientes que han obtenido del suelo. Con el objeto de mantener el suministro de nutrientes, los agricultores agregan a la tierra, fertilizantes manufacturados, así como también tratan de reciclar tanta materia orgánica como pueden, como por ejemplo agregando a la tierra el estiércol producido en la granja. Los fertilizantes manufacturados que usan son sales, como nitrato de amonio y cloruro de potasio. Estos tienen la ventaja de proveer elementos nutritivos en forma soluble que pueden ser realmente utilizados por las cosechas, pero desgraciadamente también se pierden fácilmente por lixiviación. Con todo la mayor parte del fertilizante de K y NH₄ que se agrega, mientras inicialmente van a la solución del suelo, luego rápidamente se van a intercambiar manteniéndose como cationes en la superficie de las partículas del suelo.

Algunos de los fertilizantes se producen procesando depósitos minerales naturales. Por ejemplo el fosfato soluble es manufacturado por un tratamiento ácido de las rocas de fosfato. Desgraciadamente estos depósitos naturales contienen pequeñas cantidades de impurezas, que terminan en el producto fertilizante final. El uso de fertilizantes durante muchos años, puede llevar a la acumulación de cantidades mesurables de impurezas que pueden contaminar el suelo. Por ejemplo algunas veces los fertilizantes fosforados contienen Cd, que es un elemento potencialmente tóxico.

Otras fuentes de contaminación del suelo incluyen: polución atmosférica, como la contaminación ocurrida con cesio radioactivo proveniente del accidente del reactor nuclear de Chernobyl, o el plomo de la emisión de vehículos; la aplicación de aguas servidas contaminadas, que a menudo contienen metales pesados y substancias químicas orgánicas originadas de afluentes industriales; y pesticidas persistentes. En el caso de contaminantes móviles, como nitratos y algunos pesticidas que afecten la funcionalidad del suelo, pueden causar problemas de salud en los humanos si se llegan a incorporan a las cosechas, a los suministros de agua o a otras partes del ambiente. Pueden causar también problemas en el funcionamiento del suelo, como por ejemplo reducciones de la actividad microbiana por contaminación de metales.

El suelo puede también verse afectado por la degradación física, en que las etapas más dramáticas se exteriorizan en la erosión del suelo por efecto del viento y del agua. A menudo esta ocurre por malos manejos del suelo y específicamente por la pérdida de la capa vegetal en los momentos en que el viento y el agua pueden remover el suelo de la superficie.La erosión provocada por el agua depende de lluvias de suficiente intensidad, especialmente en colinas en que el agua puede correr acarreando partículas de tierra con ella. Con una erosión seria, el agua escurre por el campo haciendo acequias. Esto puede erosionar hasta una considerable profundidad, arrastrando toneladas de suelo en cada hectárea de tierra.

Por lo tanto es importante proteger el suelo de la contaminación y degradación física. De este modo pueda mantenerse su calidad, para que no sean amenazados ni nuestra salud, ni el medio ambiente, y los suelos continúen cumpliendo su función, tanto en ambientes naturales, como en ambientes controlados.


* David Rimer es un conferencista en el Departamento de Agricultura y Ciencias Ambientales en la Universidad de Newcastle.