Universidad Central de VenezuelaFacultad de Agronomía

Departamento de Edafología

Edafología General

Estructura del suelo

Profa. Mansonia A. Pulido M.

Enero, 2008

Objetivos

- Conocer la descripción y clasificación de la estructura del suelo

- Conocer los mecanismos y factores responsables de la formación

y estabilidad de la estructura del suelo

- Conocer las relaciones masa – volumen derivados del grado de

estructuración

- Identificar la influencia de la estructura del suelo sobre el

comportamiento del mismo

Estructura del suelo

Ordenamiento de las

partículas individuales en

partículas secundarias y/o

agregados y el espacio poroso

que llevan asociado, todo ello

como el resultado de

interacciones físicas químicas

entre las arcillas y los grupos

funcionales de la materia

orgánica (Porta et al. 1994).

Agregado

Unidad estructural que define la disposición de partículas del suelo, que se mantienen unidas con fuerza suficiente, por lo cual se diferencia de la masa de partículas individuales.

Terrón

Agregado artificial causado por una disturbancia mecánica tal como el arado del suelo.

Descripción y clasificación de la estructura del suelo

• Forma y orientación• Tamaño• Grado de desarrollo

1. Forma y orientación de los agregados (USDA, 1993; Pagliai, 2005), originados por la combinación y arreglo espacial de los diferentes tipos de poros y agregados

• Granular simple: granos sueltos, la porosidad esta representada por el espacio entre partícula y partícula (porosidad textural), el material fino entre espacios intergranulares es muy raro. Típica de suelos arenosos.

• Estructura migajosa

Es una estructura granular compuesta muy porosa, típica de epipedones con materia orgánica, también es frecuentemente originada por la actividad antropogénica (labranza)

• Estructura blocosa subangular

Los agregados están separados por poros continuos elongados, los agregados presentan aristas agudas y caras curvas y se acomodan las caras de agregados unas con otras. Desde el punto de vista agronómico, este es el mejor tipo de estructura de suelo porque la continuidad de sus poros favorece el movimiento del agua y facilita el desarrollo radical.

• Estructura blocosa angular

Los agregados de suelo presentan aristas rectas y caras rectangulares con interacciones curvas. Los agregados se arreglan y se separan por poros elongados y de forma regular. Es típica de suelos arcillosos.

• Estructura laminar

Tiene su dimensión horizontal mayor que la vertical, los agregados son finos y separados por poros elongados orientados paralelamente a la superficie del suelo, no son continuos en sentido vertical. Los suelos con este tipo de estructura están sujetos a aguachinamiento o escorrentía y erosión dependiendo de la pendiente, es típica de los suelos compactados.

• Estructura prismática

Constituida por agregados mas largos que anchos, los planos de debilidad corresponden a las grietas de retracción. Este tipo de estructura es típico de suelos arcillosos con endopedones argilicos (Bt). Los prismas se separan en orientación vertical por poros elongados, no son muy estables porque el humedecimiento ocasiona un cierre de los poros.

• Estructura masiva

El material del suelo esta muy compactada, la separación de los suelos no es visible. La porosidad es muy baja y representada por poros pequeños dentro de la matriz del suelos. Este tipo de estructura es común en suelos degradados con bajo contenido de materia orgánica.

• Estructura columnar

Corresponde a prismas cuya parte superior tiene forma de cúpula. Típica de suelos alcalinos o sodicos, epipedones natricos (Btna)

Blocosa

Laminar

Granular

Prismática

Columnar

Grano simple Masiva

2. Tamaño de los agregados

Los agregados generalmente se agrupan por tamaño según su diámetro equivalente:

> 250 µm

20 – 250 µm

2 – 20 µm

Macroagregados (>250 µm) y microagregados (< 250 µm).

• Los microagregados se unen unos con otros con agentes cementantes como la materia orgánica para formar los macroagregados.

• Los microagregados son las unidades más pequeñas que se pueden separar por planos de rupturas naturales.

• La elección del tamaño 0,2 mm como límite inferior del agregado obedece a que la porosidad desarrollada por tamaños menores son poco eficaces para el movimiento del agua.

Clases de estructura de suelo.

> 10> 50> 100> 10Muy gruesa5 – 1020 – 5050 – 1005 – 10Gruesa2 – 510 – 2020 – 502 – 5Media1 – 25 – 1010 – 201 – 2Fina< 1< 5< 10< 1Muy fina

(mm)GranularBlocosaPrismáticaLaminar

Tipos de estructurasClases de tamaños

Fuente: USDA (1993)

ESTRUCTURA GRANULAR:

Fino Medio Grueso

ESTRUCTURA BLOCOSA

ESTRUCTURA LAMINAR

Muy fino Fino Medio

Fino Medio Grueso

• Sin estructura: granos sueltos con ausencia de elementos finos.

• Estructura maciza: no se observan agregados un fragmento se rompe arbitrariamente.

• Estructura débil: agregados escasamente formados e indistintos, superficies de debilidad muy poco definidas entre agregados.

• Estructura fuerte: agregados separados por planos de debilidad bien definidos cuando el horizonte se seca. Agregados duraderos.

3. Superficies de debilidad o grado de desarrollo

En las observaciones de la estructura en campo es posible identificar diferentes niveles de organización tales como:

La estructura del suelo es una propiedad dinámica y esta sujeta a procesos de formación y degradación

Formación de agregados

Generalmente, la estructura de un suelo se desarrolla a partir de una condición de grano simple o masiva. Para formar los agregados debe haber un mecanismo que mantiene juntas las partículas de suelo de manera que las formas estructurales en el suelo persistan en el tiempo.

Los principales factores que afectan la génesis de la estructura del suelo están representados por:

-El efecto de los cationes

- La interacción entre las partículas de arcilla

- El efecto de la MO

- El desarrollo radical y la acción de los micro y macroorganismos del suelo

Teoría de la agregación

Partículas primariasArcilla – MO - Cationes

Microagregados Macroagregados

AcumulaciónA – MO - C

Jerarquía

Bacterias o MOP

• los microagregados se juntan para formar macroagregados, siendo el enlace dentro de los microagregados mas fuerte

• Los microagregados están formados por moléculas orgánicas unidas a las arcillas y cationes polivalentes formando partículas compuestas, las cuales se unen para formar macroagregados

. Los macroagregados pueden formarse alrededor de la MOP (materia orgánica particulada. La MOP y los exudados microbiales libres hacen a los macroagregados mas estables, las tasa de C:N decrecen y los microagregados se forman internamente; sin embargo la MO se puede descomponer y formar microagregados.

Las raíces de las plantas pueden mantener unidas las partículas (Formando una red o a través de exudados radicales).

La precipitación de óxidos e hidróxidos, fosfatos y carbonatos favorecen la agregación. Cationes tales como Si4+, Fe 3+, Al 3+ y Ca 2+ , estimulan la precipitación y forman puentes entre las arcillas y la MO. Compuestos orgánicos pueden unirse con Fe 3+ y Al 3+ a pH bajos y formar compuestos órgano metálicos.

Cationes

Los procesos pedogeneticosSon un factor dominante en el desarrollo estructural del suelo. El conjunto de adiciones y perdidas del suelo, la acción de los organismos y los efectos del clima. El clima altera los materiales, los cuales son transportaos a través del lavado, bioturbación, eluviación e iluviación resultando en horizonación, dando lugar al horizonte B (estructurado)

Tipo de suelo. En suelo con bajo CO o concentración de A, la agregación esta dominada por cationes, y viceversa. En oxisoles y ultisoles los complejos Al-humus y los hidróxidos de Al son los compuestos que predominan la agregación ya que protegen el CO de la descomposición y confiere mayor estabilidad. En los aridisoles la alta estabilidad esta asociada a carbonatos.

Según la textura, en suelos arenosos el MO tienen gran influencia enla estructuración, mientras que en suelos con incremento en el contenido de A, el tipo de A juega un papel importante.

Propiedades del suelo

Otros factores son el sistema de cultivo, técnicas de cultivo, humectación y desecación, características de la lluvia

Perturbación antropogénica

Mecanismos de formación de agregados

a.- Fuerzas actuantes

es característico de granos entre los que la influencia de fuerzas de superficie sea despreciable por la ausencia de cargaseléctricas (como las arenas).

F = Fuerza de unión entre partículas.r = Radio de la partícula.θ = Angulo de contacto.A = Tensión superficial

F = (2π.r.A)/(1+tgθ/2)

rθ

En suelos arenosos puede haber cohesión entre partículas debido a fuerzas de tensión superficial por la presencia de películas de agua adsorbidas en la superficie de los granos.

Empaquetamiento

Formación de unidades de fábrica

Se traduce a escala macroscópica en la aparición de agregados. Fuerzas superficiales responsables de la interacciones entre partículas minerales, componentes del suelo y agua y las partículas minerales y grupos funcionales de la MO humificada.

AtracciónDebida a la presencia de partículas con carga eléctrica, responsables de las interacciones entre ellas y el agua del suelo (arcillas y grupos funcionales de la materia orgánica)

- Fuerzas electrostáticas (Coulomb)- Fuerzas de London-Van der Waals

RepulsiónSe producen cuando se presentan partículas de igual carga eléctrica o debido a fuerzas de Born. Se produce sólo en partículas que están muy próximas

b.- Interacción entre partículas de arcilla, doble capa difusa

Co

DISTANCIA

Cationes

Aniones

Solución externa

CO

NC

ENT R

AC

IÓN

Doble capa difusa

+

+++++

+

+

++

++

++

++

++

++

++

++

--

-

--

--

--

Al aproximarse las partícula en suspensión se produce repulsión, esta barrera se supera gracias a la EC de las partículas, lo cual disminuye el potencial de interacción y dominan las fuerzas de Van del Waals y se produce floculación.

Microagregados:Carbonato de calcio (suelos calcáreos).Sesquióxidos de Fe y Al (suelos ácidos muy evolucionados).Grupos funcionales de la materia orgánica.

Macroagregados:Acción mecánica de las raíces.Hifas de hongos (micorrizas).Componentes orgánicos.Organismos del suelo

c.- Cementación de los agregados (agregación de partículas)

Floculación de partículas

Estabilización Cementación

Procesos responsables de la creación de la estructura del suelo

1.- Floculación y dispersión del suelo, controlado por las fuerzas de atracción y repulsión de la DCD

2.- Adhesión y estabilización de partículas dentro de agregados y el role de la MO

3.- Agregación, los procesos responsables de la agregación son humedecimiento y secado

Estabilidad estructural

Es una medida de la habilidad que tiene el suelo de mantener u forma estructural a través del tiempo frente a fuerzas internas o externas desestabilizadoras, ello comprende mantener el arreglo espacial de sus componentes sólidos, asícomo el espacio poroso.

El grado de estabilidad depende del balance entre las fuerzas

Fuerza resultante(grado de estabilidad)

Fuerzas destructoras (internas y externas)

Fuerzas estabilizadoras

(internas)

Fuerzas internas que se oponen a la expansión y rompimiento de los agregados

• Fuerzas de atracción de Madeling o London Van der Waals: tipo de A, forma y distribución de las cargas electrolíticas, tipo de iones adsorbidos

• Fuerzas de enlace por humus: tipo de iones y pH

• Polímeros de hidróxidos de Fe y Al de CaCO3, pH, concentración de sales.

• Atracción entre bordes y caras de láminas de arcillas, pH, concentración de sales

• Tensión superficial del agua energía del agua en el suelo, valor de entrada de aire.

Fuerzas que causan rompimiento de los agregados

• Energía de hidratación de los cationes en superficie. Tipo de

iones, distribución de cargas

• Diferencias en presión osmótica entre las arcillas y la solución

del suelo (presión de expansión): tipo de iones, concentración de

la solución del suelo, densidad de carga superficial, otros.

• Presión de aire atrapado homogeneidad y dimensión de los

poros llenos de aire, diferencias de energía entre el agua

añadida y el agua del suelo.

Factores que determinan la estabilidad de los agregados y procesos relacionados

Compactación - pulverizaciónLaboreo inadecuado (intensivo)

CompactaciónPisoteo por el ganado

Separación mecánica de las partículas

Caudales erosivos

Separación mecánica de las partículas

Impacto de las gotas de lluvia

Disolución de agentes cementantesExceso de agua y tiempo de saturación

Hidratación de iones Na y Ca, presión osmótica, defloculación, dispersión

Tipo y cantidad de iones adsorbidos

Expansión y contracción, cantidad de agua retenida, cantidad

- Tipo y cantidad de A

ProcesosFactores

Estabilidad de los agregados según los constituyentes del suelo

% Arcilla

% E.A.

50

20 40 80% MO

% E.A.

50

5 10 15% Oxido de hierro

% E.A.

50

1 2 3

% Oxido de Al

% E.A.

50

2 4 6% CaCO3

% E.A.

50

20 40 80% Na

intercambiable

% E.A.

25

Relaciones masa – volumen derivados del grado de estructuración

Dado que el suelo es un medio poroso, se puede establecer una serie de relaciones masa-volumen, derivadas del grado de estructuración:

a.- Densidad real (ρr)

Corresponde a al densidad media de la fase sólida o densidad de partículas. Es la relación entre el peso de un suelo y el volumen de sus partículas constituyentes , excluyendo el espacio poroso. Es constante en el tiempo y depende principalmente de la mineralogía del suelo y del tipo y contenido de MO.

ρr = 2,6 5 Mg m-3

Métodos para determinar ρr :

- Método del picnómetro

b.- Densidad aparente (ρa)

Se refiere al peso por unidad de volumen de un suelo seco en horno. El espacio poroso es parte del volumen de suelo medido en la ρa, pero el suelo debe estar seco al horno para sacar el agua de los poros. La ρa está directamente relacionada con la estructura, sus valores dependen de la mineralogía del suelo, grado de estructuración y contenido de MO. Permite inferir dificultades para la emergencia, desarrollo radicular y la circulación de agua y aire.

Suelos arenosos ρa = 1,5 – 1,7 Mg m-3

Suelos de textura media ρa = 1,3 – 1,4 Mg m-3

Suelos arcillosos ρa = 1,1 – 1,2 Mg m-3

Suelos turbosos ρa = 0,25 Mg m-3

Suelos lacustrinos ρa = 0,9 Mg m-3

DENSIDAD APARENTE

Vm

a =ρ

Menor ρa Mayor ρa

m: masa de sueloV: Volumen de suelo

V: Vs + Vporos

Métodos para determinar ρa :

-Método del cilindro

Densidad aparente(método del hoyo)Densidad aparente(método del hoyo)

Densidad aparente(método del cilindro)Densidad aparente

(método del cilindro)

- Método de los rayos gamma (γ)

- Método de la excavación (hoyo)

- Método del terrón parafinado

La densidad aparente tiene importancia desde el punto

de vista de manejo de suelo:

- Provee información sobre el grado de compactación de los horizontes

- Permite inferir dificultades para la emergencia, el enraizamiento y la circulación de agua aire

“ No proporciona información acerca del tamaño, continuidad de los

poros, ni fuerzas que han dado origen a la estructura, por lo que es

necesario conocer la porosidad”

C.- PorosidadEs la fracción ocupada por agua y aire, y es definida principalmente por el arreglo de las partículas minerales. Para caracterizar el sistema poroso es necesario, determinar la distribución de tamaño de poros y forma de poros.

EPT = 1 - ρa ρr

La porosidad puede determinar a partir de muestras no alteradas, con porosimetro, y con microscopio de barrido.

- Poros de enlace < 0,005 µm de diámetro (tienen

importancia en las fuerzas de enlace)

- Poros residuales < 0, 5 µm de diámetro

(relacionados a las interacciones químicas a nivel

molecular)

- Poros de almacenamiento entre 0,5 – 50 µm de

diámetro (poros de almacenamiento de agua)

- Poros de transmisión entre 50 -500 µm de

diámetro (drenaje de agua y paso de las raíces)

Clasificación de poros1.- Según su función, la clasificación de Greenland (1977)=

2.- Según Tamaño:

Macroporos (r >15 µm).Microporos (r < 15 µm).

3.- Según Localización:

Intraagregados (texturales)Interagregados (estructurales)

-Análisis de imagen (microscopio de barrido)

Es posible caracterizar y cuantificar la estructura (forma,

tamaño, irregularidad, orientación continuidad, etc).

Se han identificado las siguientes formas de poros:

- Regulares

- Irregulares

- Elongados

d.- ConsistenciaExpresa la resistencia mecánica de su suelo a la deformación y a fluir bajo la acción de fuerzas mecánicas, que dependen de su contenido de humedad.

Se debe a las fuerzas de cohesión y adhesión y es una consecuencia de su estructuración. Influyen propiedades como dureza, friabilidad, plasticidad y adherencia.

Volu

men

del

sue

lo

Cantidad de agua (w)

Duro sólido

Friable semisólido

Plástico Fluido

Lim

ite

de

expa

nsió

n

Lim

ite

pl

ásti

co

Lim

ite

líq

uido

w w w

EN SECO:DUREZA: Cualidad del suelo seco al aire de resistir a la presión

entre el dedo pulgar y el índice.

EN HÙMEDO:FRIABILIDAD: Cualidad del suelo de desmenuzarse fácilmente

bajo una presión moderada.

EN MOJADO:PLASTICIDAD: Cualidad por la cual el material edáfico cambia

continuamente de forma al aplicarse una presión y mantiene esa forma

luego de eliminar la presión.

ADHESIVIDAD: Cualidad del material edáfico de adherirse a los

objetos.

Cohesión

Adhesión

Seco Húmedo Mojado

Humedad

LP LL

Plasticidad IP

LP: límite plástico

LL: Límite líquido

IP: Índice de plasticidad

Con

sist

enci

a

El limite de expansión se define como el contenido de agua por

debajo del cual el cambio de volumen deja de ser proporcional a la

variación del contenido de agua

La consistencia tiene importancia en:

-El manejo del suelo cuando deben hacerse movimiento de tierra

- Determinar el momento óptimo de laboreo

- En el estudio de movimiento en masa por deslizamiento en masa por

deslizamiento.

Degradación física – estructural

Se refiere a la destrucción de la estructura del suelo y de otras propiedades relacionadas

Los cambios en las variables de la estructura del suelo son:

- Forma, arreglo y geometría de los poros

- Estabilidad, habilidad para mantener la forma y tamaño cuando es sometido a diferentes fuerzas

- Resilencia, habilidad del suelo para recuperar la forma a través de procesos naturales

Aireación

Infiltración

Almacenamiento de agua

Drenaje

Escorrentía y Erosión hídrica

Dependen de la distribución de tamaños de poros y su continuidad

Resistencia mecánica del suelo a penetración

Fragmentación o flujo

Dependen del arreglo y conexión entre partículas

“ La degradación de la estructura del suelo es uno de los más graves problemas de degradación de tierras, debido a que las

otras propiedades físicas, químicas y biológicas se ven afectadas”

Sellado y Encostrado

Deterioro de la estructura

Helming et al. (1998)

Bosch y Onstad (1988)

Pagliai (2003)

Le Bissonnais (1996)

Capas compactadas a menos de 10cm de profundidad

Suelo de Turén, estado Portuguesa

Prof. Juan Carlos Rey

Suelo compactado de Turén, estado Portuguesa

Suelo no compactado de Guanare, estado Portuguesa

Prof. Juan Carlos Rey

Escaso desarrollo radical y deformación del patrón de distribución de las raíces

Cultivo de maíz Suelo de Turén, estado Portuguesa

Cultivo de papa suelo de sanare, estado Lara

REGENERACIÓN (LAL, 1993)

Recuperación del estado anterior, luego de una perturbación

degradativa o cambio de uso de las tierras, cuando las

condiciones son favorables.

Algunos sistemas de uso y manejo para la recuperación estructural

- Labranza reducida, mínima o labranza conservacionista

-Aplicación de compost

-Incorporación de residuos

-Cultivos de cobertura

-Sistemas de drenaje (bancales, surcos)

-Siembras en contorno

Viaje Edafología Aplicada I -2007

Gracias