7O solo, um recurso de formação lenta

Um corte de estrada numa encosta dos trópicos úmidos mostra uma parede de terra vermelha, várias vezes mais alta que uma pessoa. No seu pé, a rocha ainda é reconhecível: pálida, listrada, mas tão mole que se esfarela entre os dedos, ainda mostrando os grãos e as bandas da rocha que ela já foi. Para cima, ela se torna uma argila mosqueada, depois uma camada vermelha dura, depois um solo fino onde ficam as raízes. A parede inteira já foi rocha sólida: é a própria rocha, lentamente transformada no lugar pela água e pelo ar. O solo, no qual crescem todas as plantas das terras emersas e o alimento de quase todas as pessoas, é o topo de uma coluna assim. Este capítulo explica como a rocha se torna solo, que química faz o trabalho, como o clima dita o seu ritmo, e por que o solo, tão lento para se formar, pode ser perdido tão depressa.

O que você já sabe

O intemperismo fragmenta as rochas onde elas estão; a erosão leva os pedaços embora; a deposição os assenta em outro lugar (Livro 1, 5º ano). As rochas são feitas de minerais, como o quartzo, os feldspatos e as micas de um granito (Livro 1, 6º ano). Um solo é uma camada viva de grãos minerais, húmus, água, ar e organismos; os decompositores transformam a matéria morta em húmus; um solo é descrito pelas suas camadas, ou horizontes (os livros de biologia). Numa oxidação, uma substância perde elétrons, muitas vezes ao se combinar com o oxigênio (os livros de química).

7.1 Da rocha ao solo

O intemperismo físico — a cunha de gelo, o aquecimento e o resfriamento, as raízes — quebra a rocha em pedaços sem mudar os seus minerais. O intemperismo químico muda os próprios minerais. Juntos, ao longo de tempos longos, eles transformam o topo da rocha sólida num manto solto que se espessa para baixo à medida que o intemperismo avança na rocha de baixo.

Definição 7.1 (Rocha-mãe; saprolito)

A rocha-mãe de um solo é a rocha a partir da qual a sua parte mineral se formou. O saprolito é a rocha decomposta no lugar pelo intemperismo: mole e terrosa, ela ainda mostra os grãos e a estrutura da rocha-mãe. Um perfil de intemperismo é a coluna inteira, da rocha fresca, passando pelo saprolito, até o solo no topo.

O saprolito pode ser espesso. Sob as colinas onduladas ao longo do lado leste dos Montes Apalaches, no leste dos Estados Unidos, ele chega a cerca de $46\,\mathrm{m}$ (150 pés) em alguns lugares, embora a sua espessura varie muito de um lugar para outro; o solo é só a parte de cima dele.

7.2 O intemperismo químico

Definição 7.2 (Intemperismo químico)

O intemperismo químico é a transformação dos minerais de uma rocha por reações com a água e com os gases que ela leva, o gás carbônico e o oxigênio: alguns minerais se dissolvem, outros são transformados em minerais novos, estáveis na superfície da Terra.

A água da chuva dissolve um pouco de gás carbônico do ar, e muito mais ao se infiltrar pelo solo, onde as raízes e os decompositores o expiram. Parte do gás dissolvido forma ácido carbônico, que libera íons hidrogênio:

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

Esses íons hidrogênio atacam os minerais.

Definição 7.3 (Hidrólise)

A hidrólise é o intemperismo químico de um mineral silicático pela água e pelos seus íons hidrogênio: os íons hidrogênio tomam o lugar dos íons metálicos do mineral, que passam para a solução, e o restante do mineral é reconstruído num argilomineral.

Proposição 7.4 (Hidrólise de um feldspato)

O feldspato potássico ortoclásio, $\ce{KAlSi3O8}$, é transformado por hidrólise no argilomineral caulinita, $\ce{Al2Si2O5(OH)4}$; os íons potássio e a sílica dissolvida, $\ce{H4SiO4}$, são levados pela água:

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

Proposição 7.5 (Dissolução da calcita)

A calcita, $\ce{CaCO3}$, o mineral do calcário, se dissolve completamente na água que leva gás carbônico; nada sólido sobra:

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

O ferro é atacado de uma terceira maneira. Nos minerais escuros de uma rocha, como a mica preta de um granito, o ferro está na forma reduzida $\ce{Fe^2+}$. O oxigênio levado pela água o oxida, e o ferro(III) fica para trás como óxidos insolúveis: a goethita, amarelo-amarronzada, $\ce{FeO(OH)}$, e a hematita, vermelha, $\ce{Fe2O3}$. Para a goethita:

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

Esses óxidos colorem as rochas intemperizadas e os solos de amarelo, marrom e vermelho.

Nem todos os minerais se alteram no mesmo ritmo. Num granito em intemperismo, a mica preta enferruja e os feldspatos se transformam em argila, mas os grãos de quartzo, quase insolúveis, saem intactos: eles acabam como areia.

Exemplo 7.6 (O intemperismo de um granito)

Um quilograma de ortoclásio contém $1000/278.33 \approx 3.59\,\mathrm{mol}$ de $\ce{KAlSi3O8}$. Pela equação, dois mols de ortoclásio dão um mol de caulinita: $3.59/2 \approx 1.80\,\mathrm{mol}$, isto é, $1.80 \times 258.16 \approx 464\,\mathrm{g}$ de argila. O potássio, $14.05~\%$ da massa do ortoclásio, $140.5\,\mathrm{g}$, e $2 \times 3.59 = 7.19\,\mathrm{mol}$ de sílica saem em solução. De um granito de quartzo, feldspatos e micas, o intemperismo deixa areia (o quartzo), argila (dos feldspatos e das micas) e óxidos de ferro, e manda potássio, sódio, cálcio e sílica para os rios.

7.3 As argilas e o húmus

Definição 7.7 (Argilomineral)

Um argilomineral é um silicato formado de folhas finas de átomos empilhadas umas sobre as outras, produzido pelo intemperismo, que ocorre em lâminas muito menores que os grãos de areia. A caulinita é um deles.

As superfícies das lâminas de argila levam cargas elétricas negativas. Elas retêm íons positivos — potássio $\ce{K+}$, cálcio $\ce{Ca^2+}$, magnésio $\ce{Mg^2+}$, amônio $\ce{NH4+}$ — que de outro modo seriam lavados pela chuva. O húmus faz o mesmo. Ligados, a argila e o húmus formam o complexo argilo-húmico, a reserva de nutrientes minerais do solo: uma raiz libera íons hidrogênio e recebe em troca o potássio ou o cálcio retido nas lâminas.

7.4 Os solos e o clima

O intemperismo químico precisa de água e, como a maioria das reações, anda mais depressa quando faz calor. Onde o clima é ao mesmo tempo quente e úmido, a rocha se decompõe mais fundo e mais completamente: os feldspatos se transformam inteiramente em argila, até boa parte da sílica é levada embora, e o que sobra é rico nos elementos menos solúveis, o ferro e o alumínio.

Definição 7.8 (Laterita)

Uma laterita é um material profundamente intemperizado dos climas quentes e úmidos, vermelho ou marrom, feito principalmente de óxidos de ferro e de alumínio e de caulinita, do qual quase tudo o que é solúvel foi removido.

Sob climas frios, congelados durante boa parte do ano, e sob climas secos, onde a água é escassa, o intemperismo químico é lento: os solos são finos e a rocha fica logo abaixo. Entre os polos e o equador, a profundidade do intemperismo é máxima sob as florestas tropicais úmidas e mínima nos desertos e nas regiões polares.

7.5 Lento para se formar, rápido para se perder

Com que rapidez o solo se forma? A produção de solo, a taxa com que o intemperismo transforma a rocha em solo na base do perfil, foi medida em muitos lugares do mundo, assim como a taxa com que o solo é erodido na superfície. Uma compilação dessas medições dá as taxas típicas (medianas) abaixo, cada uma expressa como uma espessura de solo por ano.

Sob a vegetação natural, o solo é erodido mais ou menos tão depressa quanto se forma, cerca de $0.02\,\mathrm{mm}$ por ano: um centímetro em uns seis séculos. Sob a aração convencional, que deixa o chão nu entre as culturas, a taxa mediana de erosão é de $1.5\,\mathrm{mm}$ por ano, noventa vezes a taxa de produção de solo. Sob a agricultura de conservação, que perturba menos o solo e o mantém coberto, a mediana cai para $0.08\,\mathrm{mm}$ por ano, muito mais perto da taxa de produção.

Método 7.9 (Comparar uma taxa de formação com uma taxa de erosão)

1. Exprima as duas taxas na mesma unidade (milímetros por ano).
2. A perda líquida é a taxa de erosão $E$ menos a taxa de produção $P$.
3. Um solo de espessura $S$ é perdido em $T = S/(E - P)$ anos; se $E \le P$, o solo não está sendo perdido.
4. Formar uma espessura $S$ a partir do zero leva $S/P$ anos.

Com essas taxas, um metro de solo leva cerca de $1000/0.017 \approx 59\,000$ anos para se formar, e sob a aração convencional ele pode ser perdido em cerca de $1000/(1.537 - 0.017) \approx 660$ anos. Nas escalas de tempo humanas, o solo é um recurso que não se renova.

7.6 Exercícios

Exercício 7.1 ★

Defina o intemperismo químico e a hidrólise.

Solução

Solução de Exercício 7.1.

O intemperismo químico é a transformação dos minerais de uma rocha por reações com a água e com os gases que ela leva (gás carbônico, oxigênio): alguns minerais se dissolvem, outros se tornam minerais novos, estáveis na superfície. A hidrólise é o intemperismo químico de um silicato pela água e pelos seus íons hidrogênio: os íons metálicos passam para a solução e o restante do mineral é reconstruído num argilomineral.

Exercício 7.2 ★

O que é o saprolito? Como distinguir o saprolito de um solo formado em areia trazida por um rio?

Solução

Solução de Exercício 7.2.

O saprolito é rocha decomposta no lugar: mole e terroso, ele conserva os grãos, as bandas e a estrutura da sua rocha-mãe e passa para baixo, sem ruptura, à rocha fresca. Um solo formado em areia de rio repousa sobre um material trazido de outro lugar: os seus grãos são arredondados e selecionados, e ele não mostra nada da estrutura da rocha que está por baixo.

Exercício 7.3 ★

Dê o nome dos produtos do intemperismo de um granito: em que se transforma cada um dos seus três minerais principais?

Solução

Solução de Exercício 7.3.

Os feldspatos se tornam argila (caulinita), liberando potássio, sódio ou cálcio e sílica na água; a mica preta se torna argila e óxidos de ferro; o quartzo fica intacto, como areia.

Exercício 7.4 ★

Por que as rochas intemperizadas e os solos tropicais são tão frequentemente vermelhos, amarelos ou marrons?

Solução

Solução de Exercício 7.4.

O ferro dos minerais escuros, $\ce{Fe^2+}$, é oxidado pelo oxigênio levado pela água em óxidos de ferro(III) insolúveis: a goethita, amarelo-amarronzada, e a hematita, vermelha, que recobrem os grãos e colorem todo o material.

Exercício 7.5 ★

Usando o gráfico de barras, dê a taxa mediana de produção de solo e a taxa mediana de erosão sob a aração convencional. Quantas vezes maior é a segunda?

Solução

Solução de Exercício 7.5.

$0.017\,\mathrm{mm}$ por ano e $1.537\,\mathrm{mm}$ por ano: $1.537/0.017 \approx 90$ vezes maior.

Exercício 7.6 ★★

Verifique que a equação da dissolução da calcita está balanceada, para cada elemento e para a carga.

Solução

Solução de Exercício 7.6.

Cálcio: 1 e 1. Carbono: $1 + 1 = 2$ e 2. Oxigênio: $3 + 2 + 1 = 6$ e $2 \times 3 = 6$. Hidrogênio: 2 e 2. Carga: 0, e $+2 - 2 = 0$.

Exercício 7.7 ★★

O calcário se dissolve completamente, o granito deixa areia e argila. Explique a diferença usando as duas reações do capítulo.

Solução

Solução de Exercício 7.7.

A dissolução da calcita só produz íons dissolvidos, $\ce{Ca^2+}$ e $\ce{HCO3-}$: tudo é levado embora, e um calcário puro não deixa resíduo sólido. A hidrólise do feldspato produz um sólido, a caulinita, que fica; e o quartzo do granito quase não reage. O granito deixa, portanto, argila e areia.

Exercício 7.8 ★★

Explique como o complexo argilo-húmico retém o potássio num solo que a chuva atravessa, e como uma raiz o obtém.

Solução

Solução de Exercício 7.8.

As lâminas de argila e o húmus levam cargas negativas que retêm os íons positivos de potássio $\ce{K+}$ nas suas superfícies, de modo que a água da chuva que passa não os leva embora. Uma raiz libera íons hidrogênio, que tomam o lugar do potássio nas lâminas; o potássio liberado na água do solo é absorvido pela raiz.

Exercício 7.9 ★★

Dê duas razões pelas quais as lateritas se formam sob climas quentes e úmidos, e não sob climas frios ou secos.

Solução

Solução de Exercício 7.9.

O intemperismo químico precisa de água, abundante nos climas úmidos e escassa nos secos (e congelada nos frios); e as suas reações andam mais depressa quando faz calor. Só com calor e água abundante, durante muito tempo, as reações vão longe o bastante para remover quase tudo o que é solúvel e deixar óxidos de ferro e de alumínio.

Exercício 7.10 ★★

A taxa mediana de produção de solo é de $0.017\,\mathrm{mm}$ por ano. Quanto tempo leva para formar $1\,\mathrm{cm}$, $30\,\mathrm{cm}$ e $1\,\mathrm{m}$ de solo?

Solução

Solução de Exercício 7.10.

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

Exercício 7.11 ★★

As taxas de erosão são muitas vezes dadas como uma massa de solo por hectare por ano. Com uma densidade do solo de $1200\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$, que massa uma perda de $1.5\,\mathrm{mm}$ por ano representa num hectare ($10\,000\,\mathrm{m}^{2}$)?

Solução

Solução de Exercício 7.11.

Volume: $10\,000 \times 0.0015 = 15\,\mathrm{m}^{3}$; massa: $15 \times 1200 = 18\,000\,\mathrm{kg}$, $18$ toneladas por hectare por ano.

Exercício 7.12 ★★★

Um saprolito de $46\,\mathrm{m}$ de espessura se formou sob as colinas de uma região temperada. Se o intemperismo avançasse na rocha a $0.017\,\mathrm{mm}$ por ano, quanto tempo isso teria levado? O que a resposta sugere sobre a idade de uma paisagem assim?

Solução

Solução de Exercício 7.12.

$46\,000/0.017 \approx 2.7$ milhões de anos. Um saprolito tão espesso exige uma paisagem que permaneceu estável, sem que o seu manto intemperizado fosse arrancado, durante milhões de anos.

Exercício 7.13 ★★★

Escreva a equação da oxidação do $\ce{Fe^2+}$ em goethita dada no capítulo e verifique-a. Depois escreva e balanceie a oxidação do $\ce{Fe^2+}$ em hematita, $\ce{Fe2O3}$, pelo oxigênio e pela água, liberando $\ce{H+}$.

Solução

Solução de Exercício 7.13.

Goethita: $\ce{4 Fe^2+ + O2 + 6 H2O -> 4 FeO(OH) + 8 H+}$: ferro 4 e 4, oxigênio $2 + 6 = 8$ e $4 \times 2 = 8$, hidrogênio 12 e $4 + 8 = 12$, carga $+8$ e $+8$. Hematita: $\ce{4 Fe^2+ + O2 + 4 H2O -> 2 Fe2O3 + 8 H+}$: ferro 4 e 4, oxigênio $2 + 4 = 6$ e 6, hidrogênio 8 e 8, carga $+8$ e $+8$.

Exercício 7.14 ★★★

Sob a agricultura de conservação, a taxa mediana de erosão é de $0.082\,\mathrm{mm}$ por ano. Com a produção de solo a $0.017\,\mathrm{mm}$ por ano, quanto tempo leva para perder $30\,\mathrm{cm}$ de solo? Compare com a aração convencional.

Solução

Solução de Exercício 7.14.

Perda líquida $0.082 - 0.017 = 0.065\,\mathrm{mm}$ por ano; $300/0.065 \approx 4600$ anos. Sob a aração convencional, $300/1.52 \approx 200$ anos: mais de vinte vezes menos.

Exercício 7.15 ★★★

Um granito contém $30\,\%$ de ortoclásio em massa. Que massa de caulinita se forma quando todo o ortoclásio de uma tonelada desse granito foi intemperizado, e que massa de potássio é liberada?

Solução

Solução de Exercício 7.15.

A tonelada contém $300\,\mathrm{kg}$ de ortoclásio. Cada quilograma dá $464\,\mathrm{g}$ de caulinita: $300 \times 0.464 \approx 139\,\mathrm{kg}$. Potássio: $300 \times 0.1405 \approx 42\,\mathrm{kg}$.

7.7 Problema: o tempo de vida de um solo

Problema 7.1

Problema de fim de semana — da rocha ao campo e de volta ao rio

Parte I — Um perfil.

1. A escala chega a 4 pés perto da base da imagem. A que profundidade isso corresponde, em metros?
2. A camada escura do topo chega a cerca de meio pé. Qual é a sua espessura, em centímetros?
3. O que dá a essa camada do topo a sua cor escura?
4. Abaixo, o solo é marrom-avermelhado. Que minerais lhe dão essa cor, e como eles se formaram?
5. A rocha-mãe é visível na fotografia? O que você esperaria encontrar abaixo da base da imagem?

Parte II — A química de um granito em intemperismo.

6. Escreva a equação da hidrólise do ortoclásio.
7. Quantos mols de ortoclásio há em $1\,\mathrm{kg}$ ($278.33\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$)?
8. Que massa de caulinita ($258.16\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$) eles dão?
9. O que sai na água, e para onde vai?
10. O que acontece com o quartzo do granito?

Parte III — Formação contra erosão.

11. O solo se forma a $0.017\,\mathrm{mm}$ por ano. Quanto tempo leva para formar o perfil da Parte I?
12. Sob a aração convencional, o solo é erodido a $1.537\,\mathrm{mm}$ por ano. Qual é a perda líquida a cada ano?
13. Quanto tempo duraria o perfil da Parte I?
14. Compare os dois tempos das questões 11 e 13.
15. Sob a vegetação natural, a erosão é de $0.013\,\mathrm{mm}$ por ano. O solo está sendo perdido?

Parte IV — O tempo de vida do solo.

16. Escreva o tempo $T$ para perder uma espessura $S$ de solo em função de $S$, da taxa de erosão $E$ e da taxa de produção $P$.
17. Calcule $T$ para $S = 30\,\mathrm{cm}$ sob a aração convencional.
18. Calcule $T$ para $S = 30\,\mathrm{cm}$ sob a agricultura de conservação ($0.082\,\mathrm{mm}$ por ano).
19. Por que se pode dizer que um solo é um recurso que não se renova nas escalas de tempo humanas?
20. Quanto tempo leva para perder um metro de solo sob a aração convencional?

Solução

Solução 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. O húmus, a matéria orgânica escura produzida pelos decompositores a partir das plantas mortas.

4. Os óxidos de ferro, goethita e hematita, formados pela oxidação do ferro(II) dos minerais do material de origem.

5. Não. Mais abaixo, o perfil passaria à rocha intemperizada, o saprolito (ou outro material intemperizado), e depois à rocha-mãe fresca.

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 caulinita, $1.80 \times 258.16 \approx 464\,\mathrm{g}$.

9. Os íons potássio e a sílica dissolvida: eles são levados pela água aos rios, e pelos rios ao mar.

10. Ele quase não reage: os grãos de quartzo ficam como areia.

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

12. $1.537 - 0.017 = 1.52\,\mathrm{mm}$ por ano.

13. $1219/1.52 \approx 800$ anos.

14. $72\,000/800 = 90$: o perfil é perdido noventa vezes mais depressa do que se formou.

15. Não: $0.013 < 0.017$, a erosão é um pouco mais lenta que a produção e o solo se mantém.

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

17. $300/1.52 \approx 200$ anos.

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

19. Um solo perdido em alguns séculos leva dezenas de milhares de anos para se formar de novo: na escala das vidas humanas e das sociedades, o que se perde não é reposto.

20. $1000/1.52 \approx 660$ anos: um metro de solo é perdido em cerca de 660 anos, alguns séculos, sob a aração convencional.