estructura
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Estructura del suelo
Estructura
• Las partículas del suelo no se encuentran aisladas, sino que se organizan formando agregados estructurales o peds, los cuales por repetición forman el suelo.
• Los agregados están formados por partículas individuales (minerales, materia orgánica).
AgregaciónAgregación
AGREGACIÓN
– Se considera los agregados como los bloquesfundamentales en la formación de la estructura del suelo
– Las fuerzas de cohesión intra-agregado son mayores que las fuerzas inter-agregado
Niveles de organización
Macroescala Mesoescala Microescala
5 mm
• El desarrollo del suelo implica la aparición de una estructura. Ésta se forma por la acción de fuerzas que mantienen las partículas juntas para componer unidades mayores.
• Procesos que conducen a cambios en la cantidad, distribución y fase (sólida, líquida o gaseosa) del agua tiene una influencia fundamental en la formación de la estructura. Cambios de fases (hinchamiento-retracción, congelación-licuefacción) producen cambios de volumen que con el tiempo dan lugar a la estructura del suelo.
• Procesos físico-químicos (congelación-licuefacción, ciclos de humectación-secado, translocación de arcilla, formación y movilización de materiales de meteorización) son también de vital importancia.
Morfología de la estructura
• Desde el aspecto morfológico la estructura
del suelo se define por una forma, un tamaño y un grado de manifestación de los
agregados.
• Desde el punto de vista macroscópico, se
definen los siguientes tipos:
Agregados porosos de forma redondeada (no se ajustan a los agregados vecinos). Típica de los horizontes A.
MIGAJOSA
Agregados sin apenas poros en su interior, de forma redondeada (no se ajustan a los agregados vecinos). Es similar a la migajosa pero con los agregados compactos. Típica de los horizontes A.
GRANULAR
Agregados de forma poliédrica, con superficies planas, de aristas vivas y con vértices. Las caras del agregado se ajustan muy bien a las de los agregados vecinos. Típicamente en los horizontes arcillosos, como son los hor. B.
BLOQUES ANGULARES
•Agregados de forma poliédrica, con superficies no muy planas, de aristas romas y sin formación de vértices. Las caras del agregado se ajustan moderadamente a las de los agregados vecinos. Típicamente en los horizontes arcillosos, como son los hor. B.
BLOQUES SUBANGULARES
Los bloques se desarrollan en una dirección (vertical) más que en las dos horizontales. Presente en los horizontes más arcillosos, a veces hor. B y en ocasiones hor. C.
PRISMATICA
Prismas con su cara superior redondeada. Estructura muy rara.
COLUMNAR
Los agregados se desarrollan en dos direcciones (horizontales) más que en la tercera (vertical). Típica de los horizontes arenosos, como los hor. E.
LAMINAR
•Sin estructura. Cuando no hay desarrollo de agregados. Horizontes de partículas sueltas (pulverulentos) o masivos (endurecidos).
• La estructura se presenta en el campo, en el perfil del suelo, pero su estudio se completa con el microscopio petrográfico (microestructura). Se analiza no sólo la forma de los agregados sino que además se estudia la composición (fragmentos gruesos, minerales y orgánicos, material fino y poros) y organización (distribuciones, orientaciones y
organizaciones de los elementos que componen la estructura). A partir de la observación micromorfológica se pueden deducir los procesos que han tenido lugar durante la formación del suelo.
• La micromorfología estudia los constituyentes del suelo y su organización (distribuciones, orientaciones y organizaciones)
AGREGACIÓN
– Se considera los agregados como los bloquesfundamentales en la formación de la estructura del suelo
– Los suelos se fracturan a menudo en agregados
– Las fuerzas de cohesión intra-agregado son mayores que las fuerzas inter-agregado
• Arenas– La estructura está definida por el empaquetamiento de
los granos– La reordenación se produce por compactación o
turbación– En suelos mojados, la cohesión entre partículas
aumenta debido a la tensión superficial del agua
• Francos y Arcillas– La estructura se forma por interacciones entre
partículas del suelo, entre las que destacan lasinteracciones de las arcillas con otras arcillas, materiaorgánica, y óxidos.
Formación de la estructura del suelo: factores abióticos
Elementos que producen la agregación de componentes del suelo
• Cationes• Interacciones entre partículas de arcilla• Materia orgánica• Óxidos• Carbonatos• Sílice
Jerarquía de agregación
• Agregación sin jerarquía
“desintegración catastrófica”Ej. Suelos sódicos o oxisoles
Jerarquía de agregación
– Agregación jerárquica
• Las fuerzas cohesivas aumentan cuanto menor es el tamaño del agregado
• La desintegración ocurre en pasos sucesivos
Aluminosilicatos amorfos, óxidos y polímeros orgánicos adsorbidossobre la superficie de arcillas, asícomo interacciones electrostáticasentre partículas de arcilla queproducen su floculación[INORGÁNICO PERMANENTE]
Residuos microbiales y fungalesmezclados con componentesorgánicosMicrobial and fungal debris encrusted with inorganics[ORGÁNICO PERSISTENTE]
Jerarquía de agregación
Raíces e hifas[ORGÁNICO DE DURACIÓN MEDIA]
Residuos de plantas y hongosmezclados con componenetesinorgánicos[ORGÁNICO PERSISTENTE]
Macroagregados[CORTO ESPACIO DE TIEMPO]
• Fuente: Tisdall & Oades 1982
Jerarquía de agregaciónA diferentes escalas intevienen diferentes mecanismos de agregación
Dispersión-floculación
En los sistemas arcilla-agua donde predominan las fuerzas de repulsión, habrá partículas de arcilla individualizadas (dispersión). El predominio de fuerzas de atracción hace que las arcillas estén floculadas.
Factores que favorecen la floculación:
• -Cationes divalentes
• -Elevada concentración de electrolitos
Ca-Montmorillonite
QUASI-CRYSTAL
ASSEMBLAGE
DOMAIN
Ca-Illite
Kaolinite
A Schematic structure of clay aggregate B SEM of clay tactoid
< 10 % surfaces in close contact
20 % surfaces in close contact
80 % surfaces in close contact
1 to 2 mµ
Interacciones “edge-to-face”
Interacciones “face-to-face”
Producidas por la presencia de cationes polivalentes
Interacciones electrostáticas entre caras negativas y bordes positivos
CONCEPTO DE AGREGADO DEL SUELO
• Existen una serie de problemas asociados con el concepto de agregado:
• En algunos suelos no hay una escala característica de agregación
• La distribución del tamaño de agregado depende de la energía empleada para crear la muestra
• El uso de clases de tamaño implica discretizar unapropiedad continua
• El concepto implica unidades independientes in la matrizdel suelo, aunque los agregados están conectados unoscon otros
• El uso de medidas dimensionales (fractal, spectral, etc.) intenta resolver algunos de estosproblemas.
• Young et al. 2001
Formación de la estructura del suelo: factores bióticos
• Efectos directos– Orientación de las partículas primarias– Adhesión por polisacáridos– Excrementos de fauna– Formación de bioporos
• Efectos indirectos– Regulación de ciclos de humectación-
secado por las raíces de las plantas
ORIENTACIÓN DE PARTÍCULAS PRIMARIAS
La acción física del crecimiento y las cargas superficiales producen el alineamiento de las partículas de arcilla
HIFAS RAÍCES
• Fuente: Dorioz et al. 1993
Excrementos de fauna
El material que pasa a través de la fauna es:
• Triturado• Inoculado con la microflora interna• Parcialmente digerido• Comprimido• Transportado a otras zonas
Estabilidad de los agregados
• Definición
- La habilidad de los agregados de resistir suruptura.
• Importancia
- Resistencia a la Erosión
- Mantenimiento del espacio entre agregados(Macroporos), que determinan la permeabilidad, la aireación y el crecimientoradicular.
BISON WALLOWS• Bison roll on
ground….
• ...leaving a wallow
BISON WALLOWS• …soil structure in wallow
is degraded: the wallow fills with water
• 100 years later…..
• Source: Polley & Collins 1984
Mecanismos de degradación estructural durante la humectación
Mecanismos de degradación estructural durante la humectación
• Estallido, o rotura de los agregados durante la humectación debido al hinchamiento diferencial, compresión del aire atrapado dentro del agregado, y la acción mecánica del movimiento de agua dentro del agregado. Cuanto más rápida sea la humectación, mayor serán lasfuerzas que inducen el estallido.
• El hinchamiento ocurre cuando el volumen de los tactoides de arcillao los agregados aumenta durante la humectación, sin que el agregadose rompa. Se debe a la hidratación de arcilla o materia orgánica.
• La dispersión de arcilla ocurre cuando la concentración de electrolitosen la solución es menor que el valor de floculación de la arcilla.
• La rotura mecánica de los agregados en la superficie del suelo debidoal impacto de las gotas de lluvia.
Factores que Afectan la Estabilidad de losAgregados
! Factores intrínsecos (propiedades del suelo)! Contenido en M.O.! Textura! Mineralogía! Carbonatos! Óxidos! Contenido en sales y sodio
! Factores extrínsecos (condiciones del medio)! Contenido de humedad! Velocidad de humectación! Tipo de laboreo
Materia orgánica
• Su mineralización es una razón fundamental por la que la remoción de suelos conduce a unadegradación estructural
• Sustratos como los carbohidratos son relativamenteestables en los suelos, pero se descomponenrápidamente cuando se produce una remoción de suelo.
• Aumenta la actividad microbiana por un aumento de la disponibilidad de materia orgánica como sustrato. Al mismo tiempo, aumenta la disponibilidad de O2
(aireación).
Soil Samples
••SamplesSamples werewere collectedcollected fromfrom twotwo adjacentadjacent plotsplots
Corn crop OM = 2.3 %
Pasture OM = 3.5 %
73.1a82.9a53.1a75.5a*6.7b3.3b6.7b3.3bHigh O.M.
----95a95a93a97aLow O.M.
—————————— % —————————
4-62-44-62-44-62-44-62-4
Aggregate size, mm
Deionized WaterTap WaterDeionized
WaterTap Water
SwellingSlaking
Slaking and swelling of the different soils
* Different letters within a process indicate significant difference among the soils, P ≤ 0.05.
1 cm 1 cm
1 cm 1 cm
1 cm1 cm
LowLow OM OM soilsoil HighHigh OM OM soilsoil
<2 <2 mmmm
Aggregate size
22--4 4 mmmm
44--6 6 mmmm
Profiles of the columns after prewetting
AggregatesAggregatesSlakedSlaked
AggregatesAggregates
0.965.03.84.9621325EilonClay
1.839.52.215.4503119YagurClay
2.334.23.410.7411544Hafetz HaimSandy clay
1.118.50.90.830268Ramat HacovechSandy clay loam
2.117.72.118233641NevatimLoam
1.74.30.60.68290NetanyaSandy
%cmolc kg-1------------------ % -----------------
claysiltsandESPCECOMCaCO3
Particle size distribution
LocationSoil
Properties of the soils
y = 0.02x + 0.14r2 = 0.87
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
0 10 20 30 40 50 60
Clay content, %
Mea
n w
eigh
t dia
met
er, m
m Slow wetting
Fast wetting
Aggregate stability
Increasing clay contentincreases mechanical
stability
Increasing clay content increases the effect of slaking in aggregate breakdown
KAOLINITICKAOLINITIC64% CLAY64% CLAY
MONTMORILLONITICMONTMORILLONITIC63 % CLAY63 % CLAY
NON PHYLLOSILICATENON PHYLLOSILICATE38.4 % CLAY38.4 % CLAY
Cru
st
Cru
st
Bul
kso
il
Bul
kso
il
Skin
Was
hed
in z
one
Bul
kso
il
0.1 mm0.1 mm 0.05 mm
Factores extrínsecos
• Contenido en humedad del suelo• Velocidad de humectación• Tipo de laboreo
y = 0.02x + 0.14r2 = 0.87
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
0 10 20 30 40 50 60
Clay content, %
Mea
n w
eigh
t dia
met
er, m
m Slow wetting
Fast wetting
Velocidad de humectación
Increasing clay contentincreases mechanical
stability
Increasing clay content increases the effect of slaking in aggregate breakdown
Efecto del laboreo
COMPACTACIÓN
Compactación
" Proceso de compresión de un suelono saturado
" Cuando el suelo se compactaaumenta su densidad aparente(reducción de porosidad)
"El espacio poroso perdido esMacroporosidad
Causas
Procesos externos
Acción antrópica: Laboreo, maquinaria
Procesos internos
Acción edafogenética: Iluviación de arcilla, procesos de hichamiento-
retracción de arcillas
Determinación
Se puede usar la densidad aparente como indicador del grado de compactación de un suelo.
Sin embargo, no nos indica la distribución del tamaño de
poro.
• Otros métodos:
• Curva característica de humedad
• Resistencia a la penetración
• Análisis micromorfológico
COMPACTACIÓN:
Estado físico de un suelo a un contenido de humedad.
Se debe a fuerzas de:• ADHESIÓN, atracción de la fase líquida sobre la superficie de la
fase sólida. • COHESIÓN, atracción entre las moléculas de agua • COHERENCIA, atracción entre partículas sólidas.
que operan en el suelo a distintos % de humedad (seco, húmedo, mojado).
CONSISTENCIA
SECO
DURO Y RIGIDO
HUMEDO
BLANDO
FRIABLE
MOJADO
PLASTICO FLUIDO
CONTENIDO DE HUMEDAD
Límite de expansión
Límite de plasticidad
Límite líquido
Contenido de agua
% del máximo de la fuerza
75
50
100
25 DURAFRIABLE
PLÁSTICA PEGAJOSA
LÍQUIDA
Sueloseco Suelo
saturado
ADHESIÓN
COHESIÓN
COHERENCIA
PlasticidadEsta asociada a la película de agua que rodea la superficies sólidas del suelo y disminuye la fricción.
Teoría del film: orientación de coloideslaminares está en forma que sus superficies planas están en contacto.
PELICULA DE AGUA
> contacto > película de agua PLASTICIDAD
LIMITES DE ATTERBERG
• Límite superior de plasticidad (límite líquido, WL): Contenido de humedad al cual el suelo se comporta como
un fluido al aplicarle una fuerza. Pasa de plástico a fluido.
• Límite inferior de plasticidad (límite plástico, WP): Contenido de humedad al cual el suelo pasa de friable a plástico
• Índice de Plasticidad: Diferencia entre WL-WP