7El suelo, un recurso de formación lenta

Un desmonte de carretera abierto en una ladera del trópico húmedo deja ver una pared de tierra roja de varias veces la altura de una persona. Al pie, la roca todavía se reconoce: pálida, veteada, pero tan blanda que se desmenuza entre los dedos sin dejar de mostrar los granos y las bandas de la roca que fue. Hacia arriba se convierte en una arcilla moteada, después en una capa roja y dura, y después en un suelo delgado donde están las raíces. Toda la pared fue un día roca maciza: es la propia roca, transformada lentamente en su sitio por el agua y el aire. El suelo, en el que crecen todas las plantas de las tierras emergidas y los alimentos de casi toda la humanidad, es la parte alta de una columna así. Este capítulo explica cómo la roca se convierte en suelo, qué química hace el trabajo, cómo el clima marca su ritmo y por qué el suelo, tan lento en formarse, puede perderse tan deprisa.

Lo que ya sabes

La meteorización rompe las rocas allí donde están; la erosión se lleva los trozos; la sedimentación los deposita en otro lugar (Libro 1, año 5). Las rocas están hechas de minerales, como el cuarzo, los feldespatos y las micas de un granito (Libro 1, año 6). Un suelo es una capa viva de granos minerales, humus, agua, aire y organismos; los descomponedores transforman la materia muerta en humus; un suelo se describe por sus capas, u horizontes (los libros de biología). En una oxidación, una sustancia pierde electrones, a menudo al combinarse con el oxígeno (los libros de química).

7.1 De la roca al suelo

La meteorización física — la acción del hielo, el calentamiento y el enfriamiento, las raíces — rompe la roca en trozos sin cambiar sus minerales. La meteorización química cambia los propios minerales. Juntas, a lo largo de mucho tiempo, convierten la parte alta de la roca maciza en un manto suelto que se engrosa hacia abajo a medida que la meteorización va penetrando en la roca subyacente.

Definición 7.1 (Roca madre; saprolita)

La roca madre de un suelo es la roca a partir de la cual se formó su parte mineral. La saprolita es una roca descompuesta en su sitio por la meteorización: blanda y terrosa, todavía muestra los granos y la estructura de la roca madre. Un perfil de meteorización es la columna completa que va de la roca sana, pasando por la saprolita, hasta el suelo de arriba.

La saprolita puede ser gruesa. Bajo las colinas onduladas del flanco oriental de los montes Apalaches, en el este de Estados Unidos, alcanza en algunos lugares unos $46\,\mathrm{m}$ (150 pies), aunque su espesor varía mucho de un lugar a otro; el suelo es solo su parte superior.

7.2 La meteorización química

Definición 7.2 (Meteorización química)

La meteorización química es la transformación de los minerales de una roca por reacciones con el agua y con los gases que lleva, el dióxido de carbono y el oxígeno: algunos minerales se disuelven, otros se convierten en minerales nuevos, estables en la superficie de la Tierra.

El agua de lluvia disuelve un poco de dióxido de carbono del aire, y mucho más al infiltrarse en el suelo, donde las raíces y los descomponedores lo expulsan al respirar. Parte del gas disuelto forma ácido carbónico, que libera iones hidrógeno:

$\ce{CO2 + H2O -> H+ + HCO3-}$

Estos iones hidrógeno atacan los minerales.

Definición 7.3 (Hidrólisis)

La hidrólisis es la meteorización química de un mineral silicatado por el agua y sus iones hidrógeno: los iones hidrógeno ocupan el lugar de los iones metálicos del mineral, que pasan a la disolución, y el resto del mineral se reorganiza en un mineral de la arcilla.

Proposición 7.4 (Hidrólisis de un feldespato)

La hidrólisis transforma el feldespato potásico ortosa, $\ce{KAlSi3O8}$, en el mineral de la arcilla caolinita, $\ce{Al2Si2O5(OH)4}$; el agua se lleva iones potasio y sílice disuelta, $\ce{H4SiO4}$:

$\ce{2 KAlSi3O8 + 2 H+ + 9 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 K+ + 4 H4SiO4}$

Proposición 7.5 (Disolución de la calcita)

La calcita, $\ce{CaCO3}$, el mineral de la caliza, se disuelve por completo en un agua que lleva dióxido de carbono; no queda nada sólido:

$\ce{CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca^2+ + 2 HCO3-}$

El hierro sufre un tercer tipo de ataque. En los minerales oscuros de una roca, como la mica negra de un granito, el hierro está en la forma reducida $\ce{Fe^2+}$. El oxígeno que lleva el agua lo oxida, y el hierro(III) se queda en forma de óxidos insolubles: la goethita, de color pardo amarillento, $\ce{FeO(OH)}$, y la hematites, roja, $\ce{Fe2O3}$. Para la goethita:

$\ce{4 Fe^2+ + O2 + 6 H2O -> 4 FeO(OH) + 8 H+}$

Estos óxidos tiñen de amarillo, pardo y rojo las rocas meteorizadas y los suelos.

No todos los minerales se meteorizan al mismo ritmo. En un granito que se meteoriza, la mica negra se oxida y los feldespatos se convierten en arcilla, pero los granos de cuarzo, casi insolubles, salen intactos: acaban siendo arena.

Ejemplo 7.6 (La meteorización de un granito)

Un kilogramo de ortosa contiene $1000/278.33 \approx 3.59\,\mathrm{mol}$ de $\ce{KAlSi3O8}$. Según la ecuación, dos moles de ortosa dan un mol de caolinita: $3.59/2 \approx 1.80\,\mathrm{mol}$, es decir, $1.80 \times 258.16 \approx 464\,\mathrm{g}$ de arcilla. El potasio, el $14.05~\%$ de la masa de la ortosa, $140.5\,\mathrm{g}$, y $2 \times 3.59 = 7.19\,\mathrm{mol}$ de sílice se van en disolución. De un granito de cuarzo, feldespatos y micas, la meteorización deja arena (el cuarzo), arcilla (de los feldespatos y las micas) y óxidos de hierro, y envía a los ríos potasio, sodio, calcio y sílice.

7.3 Las arcillas y el humus

Definición 7.7 (Mineral de la arcilla)

Un mineral de la arcilla es un silicato formado por láminas finas de átomos apiladas unas sobre otras, nacido de la meteorización, que se presenta en escamas mucho más pequeñas que los granos de arena. La caolinita es uno de ellos.

Las superficies de las escamas de arcilla llevan cargas eléctricas negativas. Retienen iones positivos — potasio $\ce{K+}$, calcio $\ce{Ca^2+}$, magnesio $\ce{Mg^2+}$, amonio $\ce{NH4+}$ — que de otro modo la lluvia arrastraría. El humus hace lo mismo. Unidos, la arcilla y el humus forman el complejo arcilloso-húmico, la reserva de nutrientes minerales del suelo: una raíz libera iones hidrógeno y toma a cambio el potasio o el calcio retenidos en las escamas.

7.4 Los suelos y el clima

La meteorización química necesita agua y, como la mayoría de las reacciones, va más deprisa cuando hace calor. Donde el clima es a la vez cálido y húmedo, la roca se descompone más hondo y más a fondo: los feldespatos se convierten por completo en arcilla, incluso buena parte de la sílice se va, y lo que queda es rico en los elementos menos solubles, el hierro y el aluminio.

Definición 7.8 (Laterita)

Una laterita es un material profundamente meteorizado de los climas cálidos y húmedos, rojo o pardo, formado sobre todo por óxidos de hierro y de aluminio y por caolinita, del que se ha eliminado casi todo lo soluble.

Bajo los climas fríos, helados buena parte del año, y bajo los climas secos, donde el agua escasea, la meteorización química es lenta: los suelos son delgados y la roca está muy cerca, justo debajo. Entre los polos y el ecuador, la profundidad de la meteorización es máxima bajo las selvas tropicales húmedas y mínima en los desiertos y en las regiones polares.

7.5 Lento en formarse, rápido en perderse

¿A qué velocidad se forma el suelo? La producción de suelo, el ritmo al que la meteorización convierte la roca en suelo en la base del perfil, se ha medido en muchos lugares del mundo, igual que el ritmo al que el suelo se erosiona en la superficie. Una recopilación de estas medidas da los ritmos típicos (medianos) que siguen, cada uno expresado como un espesor de suelo por año.

Bajo la vegetación natural, el suelo se erosiona más o menos tan deprisa como se forma, unos $0.02\,\mathrm{mm}$ al año: un centímetro en unos seis siglos. Con el arado convencional, que deja el suelo desnudo entre cultivos, el ritmo mediano de erosión es de $1.5\,\mathrm{mm}$ al año, noventa veces el ritmo de producción de suelo. Con la agricultura de conservación, que remueve menos el suelo y lo mantiene cubierto, la mediana baja a $0.08\,\mathrm{mm}$ al año, mucho más cerca del ritmo de producción.

Método 7.9 (Comparar un ritmo de formación con un ritmo de erosión)

1. Expresa los dos ritmos en la misma unidad (milímetros por año).
2. La pérdida neta es el ritmo de erosión $E$ menos el ritmo de producción $P$.
3. Un suelo de espesor $S$ se pierde en $T = S/(E - P)$ años; si $E \le P$, el suelo no se está perdiendo.
4. Formar un espesor $S$ partiendo de cero lleva $S/P$ años.

Con estos ritmos, un metro de suelo tarda unos $1000/0.017 \approx 59\,000$ años en formarse, y con el arado convencional puede perderse en unos $1000/(1.537 - 0.017) \approx 660$ años. A la escala del tiempo humano, el suelo es un recurso que no se renueva.

7.6 Ejercicios

Ejercicio 7.1 ★

Define la meteorización química y la hidrólisis.

Solución

Solución de Ejercicio 7.1.

La meteorización química es la transformación de los minerales de una roca por reacciones con el agua y con los gases que lleva (dióxido de carbono, oxígeno): algunos minerales se disuelven, otros se convierten en minerales nuevos, estables en la superficie. La hidrólisis es la meteorización química de un silicato por el agua y sus iones hidrógeno: los iones metálicos pasan a la disolución y el resto del mineral se reorganiza en un mineral de la arcilla.

Ejercicio 7.2 ★

¿Qué es la saprolita? ¿Cómo distinguirías una saprolita de un suelo formado sobre arena traída por un río?

Solución

Solución de Ejercicio 7.2.

La saprolita es roca descompuesta en su sitio: blanda y terrosa, conserva los granos, las bandas y la estructura de su roca madre, y pasa hacia abajo, sin ruptura, a la roca sana. Un suelo formado sobre arena de río descansa sobre un material traído de otro lugar: sus granos están redondeados y seleccionados, y no muestra nada de la estructura de la roca que tiene debajo.

Ejercicio 7.3 ★

Nombra los productos de la meteorización de un granito: ¿en qué se convierte cada uno de sus tres minerales principales?

Solución

Solución de Ejercicio 7.3.

Los feldespatos se convierten en arcilla (caolinita) y liberan al agua potasio, sodio o calcio, y sílice; la mica negra se convierte en arcilla y en óxidos de hierro; el cuarzo queda intacto, en forma de arena.

Ejercicio 7.4 ★

¿Por qué las rocas meteorizadas y los suelos tropicales son tan a menudo rojos, amarillos o pardos?

Solución

Solución de Ejercicio 7.4.

El hierro de los minerales oscuros, $\ce{Fe^2+}$, es oxidado por el oxígeno que lleva el agua y forma óxidos de hierro(III) insolubles: la goethita, de color pardo amarillento, y la hematites, roja, que recubren los granos y tiñen todo el material.

Ejercicio 7.5 ★

Con el diagrama de barras, da el ritmo mediano de producción de suelo y el ritmo mediano de erosión con el arado convencional. ¿Cuántas veces mayor es el segundo?

Solución

Solución de Ejercicio 7.5.

$0.017\,\mathrm{mm}$ al año y $1.537\,\mathrm{mm}$ al año: $1.537/0.017 \approx 90$ veces mayor.

Ejercicio 7.6 ★★

Comprueba que la ecuación de la disolución de la calcita está ajustada, para cada elemento y para la carga.

Solución

Solución de Ejercicio 7.6.

Calcio: 1 y 1. Carbono: $1 + 1 = 2$ y 2. Oxígeno: $3 + 2 + 1 = 6$ y $2 \times 3 = 6$. Hidrógeno: 2 y 2. Carga: 0, y $+2 - 2 = 0$.

Ejercicio 7.7 ★★

La caliza se disuelve por completo; el granito deja arena y arcilla. Explica la diferencia con ayuda de las dos reacciones del capítulo.

Solución

Solución de Ejercicio 7.7.

La disolución de la calcita solo produce iones disueltos, $\ce{Ca^2+}$ y $\ce{HCO3-}$: todo se va con el agua, y una caliza pura no deja ningún residuo sólido. La hidrólisis del feldespato produce un sólido, la caolinita, que se queda; y el cuarzo del granito apenas reacciona. Por eso el granito deja arcilla y arena.

Ejercicio 7.8 ★★

Explica cómo el complejo arcilloso-húmico retiene el potasio en un suelo que la lluvia atraviesa, y cómo lo toma una raíz.

Solución

Solución de Ejercicio 7.8.

Las escamas de arcilla y el humus llevan cargas negativas que retienen en sus superficies los iones potasio positivos $\ce{K+}$, de modo que el agua de lluvia que pasa no se los lleva. Una raíz libera iones hidrógeno, que ocupan el lugar del potasio en las escamas; la raíz absorbe el potasio liberado en el agua del suelo.

Ejercicio 7.9 ★★

Da dos razones por las que las lateritas se forman bajo climas cálidos y húmedos y no bajo climas fríos o secos.

Solución

Solución de Ejercicio 7.9.

La meteorización química necesita agua, abundante en los climas húmedos y escasa en los secos (y helada en los fríos); y sus reacciones van más deprisa cuando hace calor. Solo con calor y agua abundante, durante mucho tiempo, llegan las reacciones lo bastante lejos como para eliminar casi todo lo soluble y dejar óxidos de hierro y de aluminio.

Ejercicio 7.10 ★★

El ritmo mediano de producción de suelo es de $0.017\,\mathrm{mm}$ al año. ¿Cuánto tiempo hace falta para formar $1\,\mathrm{cm}$, $30\,\mathrm{cm}$ y $1\,\mathrm{m}$ de suelo?

Solución

Solución de Ejercicio 7.10.

$10/0.017 \approx 590$ años para $1\,\mathrm{cm}$; $300/0.017 \approx 17\,600$ años para $30\,\mathrm{cm}$; $1000/0.017 \approx 59\,000$ años para $1\,\mathrm{m}$.

Ejercicio 7.11 ★★

Los ritmos de erosión se dan a menudo como una masa de suelo por hectárea y por año. Con una densidad del suelo de $1200\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$, ¿qué masa representa una pérdida de $1.5\,\mathrm{mm}$ al año en una hectárea ($10\,000\,\mathrm{m}^{2}$)?

Solución

Solución de Ejercicio 7.11.

Volumen: $10\,000 \times 0.0015 = 15\,\mathrm{m}^{3}$; masa: $15 \times 1200 = 18\,000\,\mathrm{kg}$, $18$ toneladas por hectárea y por año.

Ejercicio 7.12 ★★★

Bajo las colinas de una región templada se ha formado una saprolita de $46\,\mathrm{m}$ de espesor. Si la meteorización avanzara en la roca a $0.017\,\mathrm{mm}$ al año, ¿cuánto tiempo habría hecho falta? ¿Qué sugiere la respuesta sobre la edad de un paisaje así?

Solución

Solución de Ejercicio 7.12.

$46\,000/0.017 \approx 2.7$ millones de años. Una saprolita tan gruesa necesita un paisaje que haya permanecido estable, sin que le arranquen su manto meteorizado, durante millones de años.

Ejercicio 7.13 ★★★

Escribe la ecuación de la oxidación del $\ce{Fe^2+}$ en goethita que da el capítulo y compruébala. Después escribe y ajusta la oxidación del $\ce{Fe^2+}$ en hematites, $\ce{Fe2O3}$, por el oxígeno y el agua, con liberación de $\ce{H+}$.

Solución

Solución de Ejercicio 7.13.

Goethita: $\ce{4 Fe^2+ + O2 + 6 H2O -> 4 FeO(OH) + 8 H+}$: hierro 4 y 4, oxígeno $2 + 6 = 8$ y $4 \times 2 = 8$, hidrógeno 12 y $4 + 8 = 12$, carga $+8$ y $+8$. Hematites: $\ce{4 Fe^2+ + O2 + 4 H2O -> 2 Fe2O3 + 8 H+}$: hierro 4 y 4, oxígeno $2 + 4 = 6$ y 6, hidrógeno 8 y 8, carga $+8$ y $+8$.

Ejercicio 7.14 ★★★

Con la agricultura de conservación, el ritmo mediano de erosión es de $0.082\,\mathrm{mm}$ al año. Con una producción de suelo de $0.017\,\mathrm{mm}$ al año, ¿cuánto tiempo se tarda en perder $30\,\mathrm{cm}$ de suelo? Compáralo con el arado convencional.

Solución

Solución de Ejercicio 7.14.

Pérdida neta: $0.082 - 0.017 = 0.065\,\mathrm{mm}$ al año; $300/0.065 \approx 4600$ años. Con el arado convencional, $300/1.52 \approx 200$ años: más de veinte veces menos.

Ejercicio 7.15 ★★★

Un granito contiene un $30\,\%$ de ortosa en masa. ¿Qué masa de caolinita se forma cuando toda la ortosa de una tonelada de este granito se ha meteorizado, y qué masa de potasio se libera?

Solución

Solución de Ejercicio 7.15.

La tonelada contiene $300\,\mathrm{kg}$ de ortosa. Cada kilogramo da $464\,\mathrm{g}$ de caolinita: $300 \times 0.464 \approx 139\,\mathrm{kg}$. Potasio: $300 \times 0.1405 \approx 42\,\mathrm{kg}$.

7.7 Problema: la vida de un suelo

Problema 7.1

Problema de fin de semana — de la roca al campo y de vuelta al río

Parte I — Un perfil.

1. La escala llega a 4 pies cerca del borde inferior de la imagen. ¿Qué profundidad es esa, en metros?
2. La capa oscura de arriba llega a cerca de medio pie. ¿Qué espesor tiene, en centímetros?
3. ¿Qué da a esta capa superior su color oscuro?
4. Más abajo, el suelo es de color pardo rojizo. ¿Qué minerales le dan este color, y cómo se formaron?
5. ¿Se ve la roca madre en la fotografía? ¿Qué esperarías encontrar por debajo del borde inferior de la imagen?

Parte II — La química de un granito que se meteoriza.

6. Escribe la ecuación de la hidrólisis de la ortosa.
7. ¿Cuántos moles de ortosa hay en $1\,\mathrm{kg}$ ($278.33\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$)?
8. ¿Qué masa de caolinita ($258.16\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$) dan?
9. ¿Qué se va con el agua, y adónde va?
10. ¿Qué le ocurre al cuarzo del granito?

Parte III — Formación frente a erosión.

11. El suelo se forma a $0.017\,\mathrm{mm}$ al año. ¿Cuánto tiempo tarda en formarse el perfil de la Parte I?
12. Con el arado convencional, el suelo se erosiona a $1.537\,\mathrm{mm}$ al año. ¿Cuál es la pérdida neta cada año?
13. ¿Cuánto duraría el perfil de la Parte I?
14. Compara los dos tiempos de las preguntas 11 y 13.
15. Bajo la vegetación natural, la erosión es de $0.013\,\mathrm{mm}$ al año. ¿Se está perdiendo el suelo?

Parte IV — La vida de un suelo.

16. Escribe el tiempo $T$ que se tarda en perder un espesor $S$ de suelo en función de $S$, del ritmo de erosión $E$ y del ritmo de producción $P$.
17. Calcula $T$ para $S = 30\,\mathrm{cm}$ con el arado convencional.
18. Calcula $T$ para $S = 30\,\mathrm{cm}$ con la agricultura de conservación ($0.082\,\mathrm{mm}$ al año).
19. ¿Por qué se puede decir que un suelo es un recurso que no se renueva a la escala del tiempo humano?
20. ¿Cuánto tiempo se tarda en perder un metro de suelo con el arado convencional?

Solución

Solución de Problema 7.1.

1. $4 \times 0.3048 \approx 1.22\,\mathrm{m}$.

2. $0.5 \times 30.48 \approx 15\,\mathrm{cm}$.

3. El humus, la materia orgánica oscura que los descomponedores fabrican a partir de las plantas muertas.

4. Los óxidos de hierro, goethita y hematites, formados por la oxidación del hierro(II) de los minerales del material original.

5. No. Por debajo, el perfil pasaría a roca meteorizada, la saprolita (u otro material meteorizado), y después a la roca madre sana.

6. $\ce{2 KAlSi3O8 + 2 H+ + 9 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 K+ + 4 H4SiO4}$.

7. $1000/278.33 \approx 3.59\,\mathrm{mol}$.

8. $3.59/2 \approx 1.80\,\mathrm{mol}$ de caolinita, $1.80 \times 258.16 \approx 464\,\mathrm{g}$.

9. Los iones potasio y la sílice disuelta: el agua los lleva a los ríos, y los ríos, al mar.

10. Apenas reacciona: los granos de cuarzo quedan como arena.

11. $1219/0.017 \approx 72\,000$ años.

12. $1.537 - 0.017 = 1.52\,\mathrm{mm}$ al año.

13. $1219/1.52 \approx 800$ años.

14. $72\,000/800 = 90$: el perfil se pierde noventa veces más deprisa de lo que se formó.

15. No: $0.013 < 0.017$; la erosión es algo más lenta que la producción, y el suelo se mantiene.

16. $T = S/(E - P)$.

17. $300/1.52 \approx 200$ años.

18. $300/(0.082 - 0.017) = 300/0.065 \approx 4600$ años.

19. Un suelo perdido en unos pocos siglos tarda decenas de miles de años en volver a formarse: a la escala de las vidas humanas y de las sociedades, lo que se pierde no se repone.

20. $1000/1.52 \approx 660$ años: con el arado convencional, un metro de suelo se pierde en unos 660 años, unos pocos siglos.