pimed-07 degradación química del suelo · 2018-09-09 · toxicidad de las sales clase presencia...
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Principios, Instrumentación y Metodologías en Ecología y EdafologíaMódulo de Edafología1er curso2o cuatrimestre
Grado en BiologíaUniversidad de Sevilla
PIMED-07Degradación química del sueloSalinización. Acidificación. Contaminación por metales pesados. Contaminación por fitosanitarios.
Bloque 4: Degradación química del suelo
SALINIZACIÓN DEL SUELO
Origen de las sales
Factores antrópicos
Factores naturales
Salinización del suelo
Agua de escorrentía
Material erosionado
Drenaje deficiente
Agua freática
Agua marina
Fertilizantes Regadío
Aridez
Salinización y Sodización
NaCl
Arcilla Na+
Ca2+
Agua salada
A
NaCl
Humus Arcilla
Na+
Ca2+
Agua salada
A
Na2CO3
Ca2+
NaCl Agua salada
A1
A2
Bt
Lluvia CO2
Humus Arcilla
Na+
Ca2+
Sodización Alcalinización Lavado
Evolución de los suelos salinos por descenso de la capa freática salada.
Salinización y Sodización
Tipo de suelo Catión dominante CE1:5 (dS m-1) pH ESP (%)
Solonchacks (suelos salinos)
Ca2+ >4 <8 <15
Solonetzs (suelos sódicos) Na+ <4 8.5-10
>15
Suelos salino-sódicos Ca2+
y Na+
>4 <8.5 >15
Heterogeneidad espacial de la salinidad del suelo
Rengasamy et al., 2003 (DOI:10.1023/A:1027326424022)
Heterogeneidad espacial de la salinidad del suelo
Suelo calcáreo limoarenoso, Australia.
Suelo franco arenoso del desierto de Gurbantünggüt (Asia central)
Bazihizina et al., 2012 (DOI:10.1007/s11104-012-1193-8)
Heterogeneidad espacial de la salinidad del suelo
Rengasamy et al., 2003 (DOI:10.1023/A:1027326424022)
Nivel freático alto Nivel freático bajo
Cacela Velha, Portugal
Ría Formosa, Faro, Portugal
Marisma de Moguer (Huelva)
Marisma de Moguer (Huelva)
Cuenca del Lago Cuitzeo (México)
Distichlis spicata (Poaceae) creciendo sobre un suelo extremadamente salino (EC>150 dS/m) en el Lago de Texcoco (México)Fotografía: Elizabeth Chavez Garcia, vía Imaggeo.
Costra salina en el Lago de Texcoco (México). Fotografía: Elizabeth Chavez Garcia, vía Imaggeo.
Lago salado de Qom (Irán). Fotografía: Saeed Jabbari Boukani, vía Imaggeo.
Salar de Uyuni, cerca del volcán Tunupa (Bolivia). Fotografía: Katja Walter, vía Imaggeo.
Salar de Uyuni (Bolivia)
Campo de fútbol en una mina de sal a 288 metros bajo tierra (Ucrania). Fotografía: Dmitry Tonkacheev, vía Imaggeo.
Determinación de las propiedades de los suelos salinos y sodicos Toma de muestras:
◦ Costra salina
◦ Estratificación diferenciada
◦ Muestras superficiales
◦ Muestreo en profundidad
◦ Muestras compuestas
Costra salina, Moguer, Huelva
Medidas de la salinidad
Conductividad en el extracto de saturación del suelo
Medidas del pH
Porcentaje de sodio intercambiable (ESP)
Cationes y aniones solubles
Cationes intercambiables
Velocidad de infiltración
Estabilidad de los agregados
Densidad y porosidad
Retención de humedad del suelo
Efectos de la salinidad y sodicidadsobre las plantas Retardo en la
nascencia.
Menor área foliar y crecimiento lento o incompleto.
Menor producción de materia seca.
Necrosis en las hojas.
Hojas de color verde más oscuro que en plantas normales.
Disminución del rendimiento del cultivo.
En condiciones extremas, muerte antes de completar el desarrollo
Toxicidad de las sales
Clase Presencia en los suelos
Solubilidad (g L-1) Toxicidad para las plantas
ClNa
Cl2Mg
Cl2Ca
ClK
Común
Común
Rara
Baja
264
353
400-500
Elevada
Alta
Muy Alta
Moderada
Baja
SO4Na2
SO4Mg
SO4K2
Común
Común
Baja
Elevada
262
Elevada
Moderada
Muy alta
Baja
CO3Na2 Suelos sódicos 178 Muy Alta
CO3HNa Suelos sódicos 262 Muy alta
Tolerancia de las plantas a la salinidad
CE1:5
(dS m-1)
Afecciones en los cultivos
0-2 Suelos normales. La vegetación no muestra problemas
2-4 Suelos ligeramente salinos. Sólo las especies más sensibles se ven afectadas
4-8 Suelos salinos. Disminución del rendimiento en la mayoría de los cultivos
8-16 Suelos fuertemente salinos. Solo se tienen rendimientos en cultivos muy tolerantes
>16 Suelos extremadamente salinos. Solo sobreviven especies adaptadas
Tolerancia relativa ESP (%)
Especies sensibles <15
Especies semitolerantes 15-40
Especies tolerantes >40
Marisma de Doñana (Huelva)
Calidad de las aguas de riego
El agua salina o sódica empleada en la agricultura para el riego es responsable de muchos de los problemas de salinidad en los suelos
Medidas indicadoras de la calidad:◦ Concentración total de sales
expresadas en términos de conductividad eléctrica (CE)
◦ Peligro de alcalinización por la relación de absorción de sodio (SAR)
Medidas correctoras
Irrigación◦ Aplicación de agua al suelo para
proporcionar a las plantas un medioambiente favorable
Sistemas de riego◦ Inundación. El mas usado para
salinización grave
◦ Surcos. Para topografía accidentada. El lavado se consigue en el interior del surco.
◦ Aspersión. Pendientes acusadas. Poco efectivo.
◦ Subirrigación. No es aplicable.
Mejoramiento y manejo
Lavado◦ Necesidad de lavado es la cantidad
de agua de riego que debe percolarse a través de las zonas de raices para contraolar la salinidad a un determinado nivel.
◦ Va a depender de Concentración de sales del agua de
riego Máxima concentración permisible en
la solución del suelo Uso consuntivo
◦ Métodos Diques. Pueden causar disminución
de nutrientes, por lo que es necesario fertilizar.
Inundación. Puede causar inestabilidad estructural, por lo que son necesarias medidas correctoras (adición de materia orgánica, siembra).
Surcos . Dificultan y retrasan la germinación.
Los Palacios, Sevilla
Los Palacios (Sevilla)
ACIDIFICACIÓN DEL SUELO
Acidificación del suelo
Fuentes y distribución
◦ Emisiones de compuestos del S y N.
◦ Producción irregular en el espacio.
◦ Transporte a distancias cortas y largas.
Acidificación del suelo
Esto solo es vapor de agua
Esto es ácido
Planta General James M. Gavin en el Río Ohio (USA)
Acidificación del suelo
Efectos medioambientales
◦ Agricultura y Silvicultura: afecta a la producción
◦ Áreas urbanas e industriales: corrosión, alteración de monumentos, estructuras de edificios, solubilización de metales en aguas potables
Efectos de la acidificación en los suelos La acidificación es un
fenómeno natural en suelos (áreas agrícolas y forestales)
Solubilización del Al y otros metales tóxicos
Falta de nutrientes (Ca, K, etc.)
Menor fijación de N por ser escaso el Mo para Rhizobium
Menor disponibilidad de P y S
Efectos de la acidificación en los suelos y la vegetación
Bosque afectado por lluvia ácida en las Montañas Jizera (República Checa)
Bosque afectado por lluvia ácida en los montes Apalaches (USA)
David J. Butcher, Wester Carolina University
Capacidad de amortiguación del suelo Suelos con pH< 5.3: control por iones de aluminio Suelos con pH > 5.3: control por el sistema CO2 / CaCO3
Carga crítica de hidrogeniones que los ecosistemassensibles (bosques o aguas continentales) puedentolerar sin sufrir acidificación.
Áreas donde la carga crítica se excedió en 2000.
Recuperación
Driscoll et al. (2001) Acid Rain Revisited, a Science Links Publication of the Hubbard Brook Research Foundation, New Hampshire
Remediación
Costo de la operación
Disminución de las emisiones
Encalado en zonas críticas
Enmiendas La acidez del suelo puede ser corregida por métodos sencillos de modo
que el pH se eleve hasta el nivel requerido por un determinado cultivo, mediante la adición de:◦ Óxido de calcio (CaO, cal viva). El CaO se produce por descomposición
térmica de los carbonatos.◦ Hidróxido de calcio (Ca(OH)2, cal apagada). El Ca(OH)2 se obtiene al
añadir agua a la cal viva, lo que produce una reacción exotérmica, obteniéndose un polvo blanco fino.
◦ Carbonato de calcio (CO3Ca, caliza).
http://fabasdelagranja.blogspot.com.es http://www.cosaes.com/fencalado.htm
Enmiendas
◦ Otras sustancias, como el yeso (SO4Ca), pueden mejorar el nivel de Ca en el suelo, pero no contribuyen a modificar el pH.
◦ En el caso de que sea necesario corregir la alcalinidad, está indicado el uso de abonos acidificantes:
Sulfato de magnesio, MgSO4
Sulfato amónico, (NH4)2SO4
Fosfato potásico, KH2PO4
CONTAMINACIÓN DEL SUELO
Contaminación del suelo
Contaminación del suelo◦ Aumento de un elemento o compuesto del exterior
del lugar que provoca un aumento respecto a la concentración inicial, lo que produce efectos desfavorables, tanto en su acción desactivadora, como se provocan un aumento efectivo de la actividad.
Resiliencia◦ Capacidad del suelo para resistir cambios adversos
bajo un conjunto de condiciones ecológicas y de uso del terreno, y volver a su equilibrio dinámico inicial después de la alteración (Rozamov 1994).
◦ Capacidad de autogeneración.◦ Barrera protectora frente a medios más sensibles.
Causas de la contaminación
CAUSAS
Naturales◦ Naturaleza de las
rocas
◦ Aumento de la acidez
◦ Cenizas volcánicas
Antrópicas◦ El fuego
◦ Agricultura
◦ La actividad urbana
◦ La actividad industrial
AGENTES
Inorgánicos
Orgánicos◦ Vertederos urbanos
◦ Depósitos subterráneos
◦ Fitosanitarios
◦ Otros
Acumulación de residuos en West Bengal, India. Foto: Biswarup Ganguly
Acumulación de residuos en Tamil Nadu, India. Foto: Biswarup Ganguly
Suelo contaminado en las minas de pirita de Brukunga, Adelaida, Australia. Foto: CSIRO
Suelo contaminado en la Mina de El Perrunal, Huelva
Producción de algas debido a contaminación doméstica.Foto: Imaggeo/Jacqueline Isabella Gisen
Vulnerabilidad y amortiguación
PODER DE AMORTIGUACIÓN
Capacidad para inactivar los efectos negativos de los contaminantes.
Depende de:◦ Naturaleza de las arcillas y materia
orgánica
◦ Textura
◦ Estructura
◦ Porosidad y permeabilidad
◦ pH
◦ Capacidad de cambio iónico
◦ Eh
◦ Composición de la atmósfera del suelo
◦ Actividad microbiana
VULNERABILIDAD
Grado de sensibilidad que presenta un suelo frente a la agresión de los agentes contaminantes.
BIODISPONIBILIDAD
Asimilación de los contaminantes por los organismos.
PERSISTENCIA
Periodo de actividad de las sustancias contaminantes.
CARGA CRÍTICA
La cantidad máxima de un componente dado que puede recibir un suelo sin que se presenten efectos nocivos a largo plazo.
Concepto de bomba química de tiempo
El suelo como Bomba Química de Tiempo (BQT)
Cadena de acontecimientos que resultan de la retrasada y repentina presencia de efectos perjudiciales causados por la movilización o transformación de compuestos químicas almacenados en los suelos como respuesta a determinadas alteraciones del ambiente.
Barriles de pesticida recolectado para enterrar, Savichi, Bioelorrusia.Foto: REUTERS/Vasily Fedosenko
Restos de embarcaciones militares y de pesca en la planta de reciclaje de Ghent, Países Bajos.Foto: Christopher Werth
CONTAMINACIÓN POR FITOSANITARIOS
Tipos de fitosanitarios Por sus características químicas
◦ Organoclorados (insecticidas, herbicidas,fungicidas)
◦ Organofosforados (insecticidas)
◦ Carbamatos (insecticidas, herbicidas)
◦ Derivados de la urea (herbicidas)
◦ Compuestos heterociclicos (herbicidas)
◦ Compuestos inorgánicos ( acciones diversas)
Por su toxicidad
◦ Supertóxicos (DL<5 mg/Kg)
◦ Extremadamente tóxicos (DL5-50 mg/Kg)
◦ Muy tóxicos (DL50-500 mg/Kg)
◦ Moderadamente tóxicos (DL500-5000 mg/Kg)
◦ Ligeramente tóxicos (DL5-15 g/Kg)
◦ Practicamente no tóxicos (DL>15 g/Kg)
DL50 dosis letal del 50%
Por su actividad biológica
◦ Insecticidas
◦ Acaricidas
◦ Nematicidas
◦ Fungicidas
◦ Antibióticos
◦ Herbicidas
◦ Rodenticidas
◦ Avicidas
◦ Molusquicidas
◦ Atrayentes y Repelentes de insectos
Dinámica de los fitosanitarios en el suelo Mecanismos de control del
suelo◦ Absorción por la planta
◦ Adsorción
◦ Volatilización
◦ Lavado
◦ Degradación biológica
◦ Degradación química y fotoquímica
Propiedades del fitosanitario que afectan a su evolución◦ Estructura química
◦ Coeficiente de reparto
◦ Solubilidad
◦ Adsorción
◦ Presentación
Características del suelo que afectan a la evolución de los fitosanitarios◦ Naturaleza de la arcilla
◦ Naturaleza de los cationes de cambio
◦ Naturaleza de los compuestos húmicos
◦ Capacidad de cambio iónico de la materia orgánica
◦ Microorganismos
◦ Acidez
Características del medio:◦ Pluviometría
◦ Cubierta vegetal
Uso estimado de glifosato (compuesto organofosforado) en EEUU (2013). Fuente: USGS.
AplicaciónEspray
Evaporación Precipitación
Nivel freático
Contaminación por fitosanitarios
Los fitosanitarios son productos utilizados para combatir parásitos y enfermedades de las plantas, y proteger a los cultivos de agentes dañinos (malas hierbas, algas, etc.) para mejorar cualitiva y cuantitativamente la producción.
Procesos◦ Acumulación por adsorción
Cambio iónico Enlaces por puentes de hidrógeno Cambios de ligandos Enlaces por transferencia de carga Fuerzas de Van der Waals
◦ Degradación por procesos químicos, fotoquímicos y microbiológicos Hidrólisis Deshalogenación Desalquilación Hidroxilación Condensación Oxidación Reducción Radiación solar
◦ Transporte Difusión Lixiviación Volatilización
Acciones para disminuir los fitosanitarios en el suelo Prevención:◦ Control integrado de plagas
◦ Uso de dosis mínimas
◦ Aplicación adecuada
◦ Alternancia de fitosanitarios
Detoxificación: ◦ Prácticas agronómicas
◦ Irrigación
◦ Biorremediación
◦ Adiciones químicas
Riesgo de contaminación por pesticidas bajo escenarios de cambio climático
THXV
LHXI
THXU
THXI
THXI
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LHEM
THXATHXA
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CRXA
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TXFE
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0 30 60 90 12015km
±
Portugal
ExtremaduraCastilla-La Mancha
Murcia
Andalusia
Current climate scenario (Attainable risk)
Vulnerability classes (Pantanal model):
V1
V2
V2 r
V3 o, r
V3 ogr
V4 r
V4 og, rg, or
V4 ogr
THXV
LHXI
THXU
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AHXA
TRXA
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CRXA
CRXA
CRXA
TFAE
TXFE
CHXA
0 30 60 90 12015km
±
Portugal
ExtremaduraCastilla-La Mancha
Murcia
Andalusia
Climate scenario 2040, 2070 and 2100 (Attainable risk)
Vulnerability classes (Pantanal model):
V1
V2
V2 r
V3 o
V4 r
V4 rg, or
V4 org
Natural regions with negative climate change impactNatural regions with positive climate change impact
S.K. Abd-Elmabod (2014)
CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS
Contaminación por metales pesados
Se considera metal pesado a aquel elemento que:◦ Tiene una densidad igual o
superior a 5 g cm-3 cuando está en forma elemental, o
◦ Cuyo número atómico es superior a 20 (excluyendo a metales alcalinos y alcalinotérreos).
Su presencia en la corteza terrestre es inferior al 0.1 % y casi siempre inferior a 0.01 %.
Junto a los metales pesados hay otros elementos químicos que aunque son elementos ligeros o no metales se suelen englobar entre ellos, es este el caso del As, B, Ba, Se.
Naturaleza y origen de los metales pesados Metales pesados con función biológica◦ As, B, Co, Cr, Cu, Mo, Mn, Ni, Se, Zn
Metales pesados sin función biológica◦ Cd, Hg, Pb, Sb, Bi, Sn
Especiación◦ La especiación de un elemento hace referencia a las
formas químicas de los iones libres o complejos solubles, y los modos de asociación y localización de los cationes y aniones sobre o en la matriz del suelo
◦ La forma resultante de la especiación condiciona la movilidad, biodisponibilidad y toxicidad de un mismo elemento.
Naturaleza y origen de los metales pesados Naturales
◦ Composición de las rocas
◦ Cenizas volcánicas
Antrópicos
◦ Residuos de industrias (Pb, Cr, Zn, Cu, As, Ni, Cd, Hg)
◦ Agricultura (Cd, Cu, Zn, Mn)
◦ Caza (Pb)
◦ Vías de comunicación (Pb)
◦ Minería (Pb, Zn, etc.)Riotinto (Huelva)
Naturaleza y origen de los metales pesados
Residuos urbanos
9% Turba6%
Residuos de metalurgia
6%
Residuos de materia orgánica
3%
Fertilizantes2%Cenizas de combustión
74%
Mas y Azcúe, 1993
Mina El Perrunal (Huelva)
Mina El Perrunal (Huelva)
Capa de cenizas volcánicas, Volcán Paricutín, México. Fotos: Imaggeo/Antonio Jordán
Cenizas de combustión, quema prescrita en Almadén de la Plata, Sevilla.Foto: Imaggeo/Ángel Gordillo-Rivero
Movilidad relativa de los metales en función del pH y Eh
Movilidad Oxidante Ácido Neutro y alcalino
Reductor
Alta Zn Zn, Cu, Co, Ni, Hg
Media Cu, Co, Ni, Hg, Cd
Cd Cd
Baja Pb Pb Pb
Muy baja Fe, Mn, Al, Sn, Cr
Al, Sn, Cr Al, Sn, Cr, Zn, Cu, Co,
Ni, Hg
Zn, Cu, Co, Ni, Hg, Cd,
Pb
Plant y Raiswell,1983
Dinámica de los metales pesados en el suelo
SUELO Volatilización
Solubilización
Complejación
Absorción
PrecipitaciónAdsorción
Transformación
Lavado
ArrastreFuente
THXV
LHXI
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CRXA
CRXA
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CHXA
0 30 60 90 12015km
±
Portugal
ExtremaduraCastilla-La Mancha
Murcia
Andalusia
Current climate scenario (Attainable risk)
Vulnerability classes (Pantanal model):
V1
V2
V3
V3 c,r
V4 r
V4 cr, rl
THXV
LHXI
THXU
THXI
THXI
CHXI
LHXI
LHEM
THXATHXA
TXTE
TRXA
TXTE
THXV
CHXV
TXTE
TXTE
FDUI
TPXA
THXM
THXI
THXV
THXV
VPXA
CHXI
AXFE
THXI
TDUI
CHXI
EHXV
VHAR
LXTE
THXV XHCR
LRXA
TXTE
TFAELHXI
TXFE
THXV
TRXA
THXI
UHUM
TXFE
TFAE
TRXA
TXTE
LHXI
THXAAPXA
TXFE
HUAE
TXTE
LHEM
EHXV
AHXA
TRXA
EHXM
CRXA
CRXA
CRXA
TFAE
TXFE
CHXA
0 30 60 90 12015km
1:1,400,000
±
Portugal
ExtremaduraCastilla-La Mancha
Murcia
Andalusia
Climate scenario 2040, 2070 and 2100 (Attainable risk)
Vulnerability classes (Pantanal model):
V1
V2
V3 c, d, r
V4 cr
Natural regions with negative climate change impact
Natural regions with positive climate change impact
Riesgo de contaminación por metales pesados bajo escenarios de cambio climático
S.K. Abd-Elmabod (2014)
Límites aceptables máximos
Turbera, Parque Nacional de Doñana, Huelva. Foto: Imaggeo/Antonio Jordán
Mercado de Guadalajara, Jalisco. Foto: Imaggeo/Antonio Jordán