Edafología y Procesos de Erosión

Sodificación

La **Sodificación** provoca la **alcalinización** del suelo, aumentando la cantidad de sodio de cambio. En suelos normales, esta concentración es bajísima, pero cuando el suelo es sódico, presenta un valor alto de **ESP** (Porcentaje de Sodio Intercambiable). Este proceso es perjudicial porque puede llevar a la alcalinización.

Modelo USLE de Morgan

Este modelo añade factores específicos:

• En precipitación: el número de días que llueve al año o la intensidad.
• En el suelo: la densidad, humedad, profundidad hídrica efectiva, y la cohesión del horizonte superficial en saturación.
• En la cubierta: desglosa el factor C en términos de cobertura, número de árboles y altura de la planta.

Factores de la Erodibilidad (K)

La **erodibilidad** determina el estado y la estabilidad de las unidades estructurales que forman el suelo.

• Agua: Es beneficiosa porque da cohesión a las partículas, pero perjudicial porque influye en la formación de **costra superficial** e impide la infiltración.
• Textura: Cuanto más arcilla y limo, menor erodibilidad.
• Cementaciones asociadas a la descomposición orgánica: Añadir **Materia Orgánica (MO)** mejora la cohesión de partículas. La MO fresca agrega mejor que la madura.
• Procesos disgregantes: Añadir carbonato de calcio (**CaCO3**) aumenta la erodibilidad.
• Presión: A más presión, menor erodibilidad.

Factores de la Erosividad Eólica

• Factores de flujo atmosférico: La magnitud de la fuerza de la erosión es directamente proporcional al cubo de la velocidad del viento.
• Elementos de aspereza: Vegetación (cuanta más, menos erosión), terrones y fracciones no erosionables, promontorios (elevaciones), cinturones de protección de campos, y cambios locales en la topografía.

Tipos Estructurales de Filosilicatos

• 1:1: Capa de tetraedros y capa de octaedros.
• 2:1: Dos capas de tetraedros y una capa de octaedros.
• 2:1+1: Dos capas de tetraedros y dos capas de octaedros.

En las estructuras 1:1 y 2:1, la unidad de la capa octaédrica tiene tres huecos octaédricos que pueden ser ocupados por dos aluminios (dioctaédrico) o tres magnesios (trioctaédrico). La unidad 2:1 tiene más espacio basal que la 1:1 (distancia en ångström [Å] de un espacio interlaminar al siguiente).

Clasificación de Arcillas

• 1:1
  • Dioctaédrico: 7 Å (caolinita), 10 Å (haloísita).
  • Trioctaédrico: 7 Å (antigorita).
• 2:1 Dioctaédricas
  • Sin sustitución: 10 Å (pirofilita).
  • Sustitución octaédrica: 10-18 Å (montmorillonita).
  • Sustitución tetraédrica: 10-18 Å (beidellita), 10 Å (ilita/moscovita).
  • Sustitución tetraédrica y octaédrica: 10-14 Å (vermiculita).
• 2:1 Trioctaédricas
  • Sin sustitución: 10 Å (talco).
  • Sustitución octaédrica: 10-18 Å (hectorita).
  • Sustitución tetraédrica: 10-18 Å (saponita), 10 Å (lepidolita/biotita).
  • Sustitución tetraédrica y octaédrica: 10-14 Å (vermiculita).

Causas de la Capacidad de Cambio de las Arcillas

• Sustituciones isomórficas: Exclusiva en minerales 2:1. No están en función del pH, por lo cual son **permanentes**.
• Uniones de borde: Típico de las 1:1. Están en función del pH, por lo cual son **variables**. Al triturar un mineral, quedan valencias libres en los bordes donde se unen protones o hidroxilos, formando grupos SiOH o AlOH. Si se aumenta el pH, hay menos protones y la reacción se desplaza a la derecha, favoreciendo la disociación.
• Disociación de los grupos AlOH de las capas octaédricas: En 2:1 no puede haber AlOH, pero sí en 1:1, específicamente en las caolinitas mal cristalizadas (*fire clay*).
• Fuerzas de Van der Waals: Uniones químicas con cationes de gran peso molecular, como los pesticidas.

Química del Suelo y Contaminación

Carga Crítica de Coagulación

Es aquella concentración de sales en el agua que, para un **SAR** (Relación de Adsorción de Sodio) dado, produce una disminución del 15% de la permeabilidad.

Evolución de Suelos Sódicos

Si existe una capa freática alta y el suelo tiene bastante Na, no hay alcalinización inmediata. Sin embargo, esta situación es inestable, ya que si la freática baja, las sales no ascienden por capilaridad y se produce la alcalinización. Si la freática está medio alta y llueve mucho, puede diluirse y alcalinizarse igualmente. Las soluciones incluyen:

• Aumentar la salinidad (no hacer nada).
• Cultivar para observar la respuesta.
• Lavar el suelo.

Tratamientos específicos:

• Suelo salino-cálcico: Agua + Drenaje.
• Suelo sódico: Agua + **Yeso** + Drenaje.

Mecanismos de Adsorción de Metales Pesados (MP)

Adsorción en coloides inorgánicos

Los metales pesados se encuentran en las arcillas o en óxidos de hierro y manganeso.

• No específica: Es **reversible**. Ocurre a pH ácido, con estructura abierta, estando el metal disponible. Es fácil de descontaminar porque está poco retenido.
• Específica: Es **irreversible**. Aumenta el pH hasta la neutralidad, la estructura se cierra y los metales están adsorbidos muy fuertemente. Es muy difícil de descontaminar.

Adsorción en coloides orgánicos

• No específica: Estructura más débil. Los compuestos que se forman son complejos de sal o 1:1 (a veces 2:1).
• Específica: Estructura bloqueada, mucho más estable (complejos 1:2).

Niveles de Toxicidad

• Nivel de fondo: Nivel promedio de metales pesados que existen en una zona. Es necesario establecerlo porque un nivel que no es contaminación en una zona, puede serlo en otra.
• Nivel de referencia: Implica **contaminación**. Es distinto para cada país y difiere según los suelos y los criterios utilizados.
• Nivel de intervención: Por encima del nivel de referencia, es obligatorio iniciar la descontaminación.

Clasificación de los Plaguicidas

• Por su actividad biológica: Insecticidas, fungicidas, herbicidas, rodenticidas, atrayentes, repelentes, esterilizantes.
• Por la naturaleza del producto: Órgano-clorados, órgano-fosforados, carbamatos, derivados de la urea, compuestos heterocíclicos.
• Por su toxicidad: De supertóxico a prácticamente no tóxico.

Persistencia y Factores de Persistencia de los Plaguicidas en el Suelo

• Naturaleza del producto: Estructura química, capacidad volátil, solubilidad, dosis, formulación.
• Características del suelo:
  • Tipo de suelo: Arcilla (naturaleza del silicato, densidad de carga, naturaleza de cationes de cambio, naturaleza de la molécula orgánica y tamaño) y MO.
  • pH.
  • Estructura.
  • Microorganismos.
• Influencia del medio: Temperatura (más temperatura y humedad implican más degradación), pluviometría, cubierta vegetal (si la cubierta lo absorbe, menos plaguicida queda en el suelo).

Mecanismos de Adsorción de Plaguicidas

Arcillas

• Cambio iónico: Intercambio catiónico entre plaguicidas que se comportan como un gran catión que desplaza al catión de cambio.
• Protonación: El plaguicida no es iónico, sino que se convierte previamente adhiriendo un protón, y luego se intercambia con el catión de cambio.
• Ion-dipolo: Unión entre molécula orgánica neutra y catión de cambio hidratado por polaridad.
• Unión por coordinación: Molécula orgánica neutra y catión de cambio sin hidratar (enlace covalente).
• Fuerzas de Van der Waals: Fuerzas fisicoquímicas débiles que aparecen cuando la molécula del plaguicida es grande.

Materia Orgánica

Presenta los cinco mecanismos anteriores, más el **enlace de hidrógeno** y el de los **radicales libres**.

Impactos Ambientales y Edafológicos

Asimilación del Nitrógeno

• Amoniacal (NH4+): Una vez absorbido por la planta, se incorpora al ciclo de Krebs y a las proteínas de forma directa. Se mueve mucho más lento y puede estar fuertemente adsorbido en las arcillas.
• Nitrato (NO3-): No se incorpora directamente; primero se transforma a amoniacal mediante las enzimas **nitrato-reductasas** (NO3- a NO2-) y luego de nitrito a amoniacal (NO2- a NH3) por la enzima **nitrito-reductasa**. Se mueve mejor en el suelo y es más soluble.

Impacto sobre la Salud Humana y el Medio Ambiente del Nitrógeno

• Metahemoglobinemia infantil (síndrome del niño azul): Bloquea el oxígeno e impide que llegue a la sangre. Ocurre por exceso de nitrato y nitrito en agua y comida. Se da en niños porque el estómago es muy ácido y el pH conserva el nitrito.
• Cáncer: Formación de nitritos con aminas secundarias, creando **nitrosaminas**.
• Enfermedades respiratorias: Formación de *smog* fotoquímico debido a nitratos de peroxiacetileno.
• Frena el crecimiento de las plantas (altos niveles de NO2).
• Excesivo crecimiento por demasiado N.
• **Eutrofización**.
• Disminución del ozono estratosférico: Óxidos de nitrógeno retiran oxígeno del ozono.
• Daño en materiales y ecosistemas por aerosoles de HNO3 (lluvia ácida).

Impactos Mineros

• Atmosféricos: Partículas sólidas expulsadas a la atmósfera en voladuras (problemas respiratorios para los operarios). Se recomienda humedecer la zona. Gases como el azufre y ruido de maquinaria y voladuras.
• Paisajísticos: Modificación de formas, cambios de coloración, acumulación de escombreras estériles.
• Hidrológicos: Modificación de cauces, cambios en el balance de aguas (la minería quita la capa superficial alterando el balance de la escorrentía superficial), lixiviaciones en escombreras.
• Faunísticos y florísticos: Eliminación o alteración de hábitats, ruptura de cadenas tróficas.
• Edafológicos:
  • Clase textural desequilibrada.
  • Ausencia de estructura edáfica.
  • Propiedades químicas anómalas.
  • Escasez o desequilibrio de nutrientes.
  • Ruptura de ciclos biogeoquímicos.
  • Baja profundidad efectiva.
  • Dificultad de enraizamiento.
  • Baja **Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC)**.
  • Baja retención de agua.

Remediación y Descontaminación de Suelos

Carga Crítica de Acidez (CCA)

Es el nivel máximo de compuestos acidificantes aportados que no causan cambios químicos que perjudiquen a largo plazo la estructura y funcionamiento de ese ecosistema. Es la cantidad máxima de acidez que puede soportar un suelo sin que se produzcan cambios importantes. Cuanto mayor sea el número de cationes de cambio que tenga el suelo, menos sensible será a la acidez, soportará más variaciones de pH y tendrá mayor **Carga Crítica de Acidez**. Un suelo más básico tendrá mayor CIC y mayor CCA, lo que implica mayor amortiguación.

Bomba Química del Tiempo

Un suelo tiene propiedades para amortiguar contaminantes, pero esta capacidad no es infinita. Puede llegar un momento en que esta capacidad se supere y los contaminantes que habían sido almacenados durante tiempo se liberen de forma repentina. Generalmente, afecta a contaminantes altamente persistentes como **metales pesados** y compuestos xenobióticos. Depende de la vulnerabilidad del suelo, de la entrada de productos químicos y del uso del suelo.

Formas de Aplicación de Descontaminación de Suelos

• In situ: Tratamiento sobre el suelo sin moverlo.
• On site: Se excava el suelo, se mueve a una zona contigua, se trata y se devuelve.
• Ex situ (Off site): Se excava el suelo, se traslada a una planta de tratamiento donde se trata y se devuelve.

Es importante que haya contacto óptimo entre los agentes de tratamiento y el suelo. El mayor contacto se consigue con el tratamiento *on site*, y el mejor control de variables se logra con *off site*.

Electrorremediación

Tratamiento *in situ* basado en la instalación y aplicación de un campo eléctrico, colocando dos electrodos conectados a una batería (40-200 V). La separación entre electrodos es de 2-10 m, la profundidad de 2-20 m, y la intensidad de 0,5-5 A/m². El objetivo es desplazar los contaminantes hacia uno de los dos lados (generalmente hacia el cátodo). Una vez desplazados, se extraen y eliminan. Sirve para algunos metales pesados como As, Cu, Zn, Pb. Es una técnica muy cara, aunque depende del tipo de electrodos. Tipos:

• Migración.
• Electroósmosis.
• Electroforesis.

Biorremediación

Se emplean **microorganismos** para contaminantes orgánicos y algunos metales pesados. Son procesos aerobios. Para someter al suelo a esto, se añade una solución nutritiva para potenciar a los microorganismos autóctonos o también se pueden añadir microorganismos alóctonos. Tipos de tratamientos:

• In situ: Aplicable a suelos permeables y en horizontes profundos en la zona de saturación. Se introduce el agua con nutrientes, se recircula por el suelo y se extrae el efluente con una bomba para su depuración.
• On site (Piscinas): Se excava el suelo y se coloca en una piscina con un lecho arcilloso, sobre el cual se pone un material impermeable y arena que favorezca el drenaje. Sobre la arena se pone el suelo, se rocía con el agua y nutrientes, se degrada en el suelo y los restos salen por drenaje.
• On site (Landfarming): Usado para **hidrocarburos**. Hay un material impermeable, arena para drenaje, la salida y el suelo. Un tractor ara el suelo en superficies extensas y zonas contaminadas para airearlo. Se añade la solución nutritiva y se recoge el excedente. A veces se deja un poco de suelo descontaminado para usar sus microorganismos en el siguiente tratamiento y mantener la actividad microbiana.
• Ex situ (Biofermentador): En biofermentadores se añade la solución nutritiva y microorganismos, pero en un ambiente artificial donde se controlan todos los parámetros.
• Metales pesados: Sirve para Cr por medio de **reducción enzimática directa** que lo reduce y luego precipita como hidróxido por acción alcalina. También existe la **reducción bacteriana indirecta**, donde la bacteria no reduce el metal, sino que produce sulfhídrico que reduce el Cr. El arsénico se trata de forma similar.

Fitorremediación

Se usan **plantas** y microorganismos asociados a estas para eliminar, reducir o inmovilizar contaminantes.

• Fitoestabilización: Las plantas estabilizan el suelo para evitar la erosión, impidiendo que el contaminante se extienda. Lo estabilizan formando buenos agregados, mejorando la estructura, incrementando la MO y mejorando las condiciones físicas. Se usan plantas **excluyentes** que no absorben el metal.
• Fitoinmovilización: Consiste en inmovilizar y precipitar el contaminante, lo que ocurre en la **rizosfera** porque esta excreta sustancias que hacen precipitar al metal pesado.
• Fitoextracción: La planta absorbe el metal pesado y lo transfiere a la biomasa, que posteriormente se cosecha para eliminar el contaminante. Es necesario sembrar plantas específicas. Para que sea más rentable, se induce la **hiperacumulación** añadiendo un acomplejante como el **EDTA**.
• Fitodegradación: Degradación del contaminante por medio de enzimas que generan las plantas o microorganismos asociados a la planta. Usado para hidrocarburos.

Casos Prácticos y Cálculos

Comparación de la Evolución de Lodos en Aznalcóllar

Se realizó un análisis el 4/05/98 y otro el 4/06/98. Se observó que el pH bajó de 6 a 2,3. La concentración de Cd y Zn aumentó 2,7 veces, Cu 1,5 veces, As 1,4 y Pb 1,2. El sulfato aumentó miles de veces.

En los lodos había mucho sulfuro que se oxidó a sulfatos. Al aumentar los sulfatos, disminuyó el pH y se movilizaron los metales pesados. Inicialmente, los sulfuros, debido a la alta concentración y la presencia de agua, estaban en un medio **anóxico** que permitía mantenerlos en su lugar y forma original. Con el tiempo, la superficie se oxidó de sulfuros a sulfatos, y los lodos cambiaron de gris-parduzco a blanco. Esos sulfatos generaron **ácido sulfúrico**, lo que bajó el pH y permitió que los metales pesados se movilizaran, aumentando su concentración.

Problema de Salinidad con Rendimiento (Rdto)

Datos

• CEdw = 3
• 80% ET
• CEs = 4
• f = 0,5
• Bajada Rdto = 10%
• A = 2
• B = 7,6
• Profundidad raíz = 30
• Humedad suelo (hsuelo) = 20%
• Humedad saturación (hsat) = 50%
• Humedad CC (hcc) = 30%
• Da = 1,3

Cálculos

• As = prof * da * hsat = 3 * 1,3 * 50 = 195 mm
• Acc = prof * da * (hcc – hsuelo) = 3 * 1,3 * (30 – 20) = 39 mm
• Cear = CEdw * lf = 3 * 0,2 = 0,6 ds/m
• Y = 100 – B(CEs* – A) → 90 = 100 – 7,6(CEs* – 2) → CEs* = 3,31
• CEdw = CEs * f = 4 * 0,5 = 2 ds/m
• Ar * Cear + As * CE = As * CEs* + AD * CEdw → Ar * 0,6 + 195 * 4 = 195 * 3,31 + (Ar – 39) * 2 → Ar = 151,82
• AD = Ar – Acc = 151,82 – 39 = 112,82
• NL = AD / Ar = 112,82 / 151,82 = 0,74

Nota: Calcular rendimiento inicial con la fórmula de Y.

Problema de Salinidad sin Rendimiento (Rdto)

Datos

• CEdw = 3,5
• 80% ET
• CEs = 2
• Profundidad raíz = 30
• Humedad suelo (hsuelo) = 16%
• Humedad saturación (hsat) = 50%
• Humedad CC (hcc) = 30%
• Da = 1,2

Cálculos

• As = prof * da * hsat = 3 * 1,2 * 50 = 180
• Acc = prof * da * (hcc – hsuelo) = 3 * 1,2 * (30 – 16) = 50,4
• Cear = CEdw * LF = 3,5 * 0,2 = 0,7
• CEs* = 1 (por no existir B y B = 0 porque no hay rendimiento)
• CEdw = CEs * f = 2 * 1 = 1
• Ar * Cear + As * CEs = As * CEs* + (Ar – Acc) * CEdw → Ar * 0,7 + 180 * 2 = 180 * 1 + (Ar – 50,4) * 2 → Ar = 216
• AD = Ar – Acc = 216 – 50,4 = 165,6
• NL = AD / Ar = 165,6 / 216 = 0,76