1

1

AGRO 6505 - Fertilidad de Suelos y Abonos

6- Reacción del Suelo

2

Suelos Acidos6-1. Introducción

• Alta diversidad de suelos en América-tropical y en el mundo que por distintas razones se acidifican

• Suelos que varían en cuanto a su mineralogía tienden a tener diferentes grados de acidez o alcalinidad relativa

• Como consecuencia de la diversidad, hay que utilizar diferentes estrategias para corregir la acidez del suelo

• Magnitud de problema de acidéz en el mundo

2

3

6-1.1. Reacción del suelo en suelos de PR

pH

4

5

6

7

8

9

10

3633

31

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

< 5.5 5.5 - 7.3 > 7.3Category

Rel

ativ

e fre

quen

cy (%

) pH

4

Trabajos de acidez en PR

• Abruña et al. (efecto de acidez sobre nivel de producción de cultivos tropicales) Muchos trabajos

• Abruña, F., y R. Pérez-Escolar. 1980. Respuestas al encalamiento en Puerto Rico. Primera conferencia sobre transferencia de tecnologia de Fertilizantes en P.R. TVA Dec. 1980. Mayagüez, PR. p. 84-96

• Lugo-Lopez, M.A. E. Hernandez-Medina, and G. Acevedo. 1959. Response of some tropical soils and corps of Puerto Rico to applications of lime. Agric. Exp. Sta. Technical Paper 28. 19 pp.

• Samuels, G. 1966. A survey of the pH status of hte soils of PUerot Rico. Agric. Exp. Sta. Technical Paper 42. 33 pp.

• Velez-Ramos, and M.A. Muñoz. 1991. A survey of the pH status and related fertility parametes of sugarcane fields of Puerto Rico. J. Agric. Univ. P.R. 75: 213-231.

• Muñiz-Torrez, O. 1990. La acidez de los suelos y el uso de enmiendascalizas en Puerto Rico. Technical Guide. UPR-CAS-SEA. 30 pp.

3

5

6-2A. pH y acidez (descripción general)• Reacción del suelo es la acidez o alcalinidad relativa de este • Es un indicador de utilidad para un diagnostico general

6

• Según Arrhenius un acido (base) es una sustancia cuya solucion acuosa tiene exceso de protones (hidroxilos).– Ej. HCl, NaOH

• Según Bronsted y Lowry – Un ácido es una sustancia que al disociarse libera protones y son transferidas a otra sustancia en solución. Una base es una sustancia que accepta protones.

– A(1) + B(2) B(1) + A(2) par conjugado

• Ej. CH3COOH, NH3

4

7

6-2B. El suelo como un acido Bronsted Lowry

• La teoria de acidez que se aplica al suelo es la de Bronsted-Lowry

• Las arcillas y MO actuan como fuentes de H+

– Arcilla-Hx Arcilla-x + xH+

8

6-2C. El suelo como un acido Lewis • Todas las sustancias buscan estabilidad a través de los electrones en su orbital

externo

• Puede haber transferencia de electrones o cambios en la relación de coordinación

• La coordinación ocurre entre cationes y moleculas o aniones, estas tienen un par de electrones libres (bases) y el enlace puede ser electrostático o covalente.

• El catión se le llama átomo central y los aniones se denominan ligandos

• Concepto de Lewis se utiliza para describir reacciones que no envuelven protones ni hidroxilos

• Acido Lewis – Sustancia que tiene un orbital vacante (de electrones) que puede acceptar un par de electrones. (H+, Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Mn2+, Fe3+)

• Base Lewis – Sustancia que es capaz de donar un par de electrones (aminas, H2O, OH-, NO3

- etc..)

5

9

• Ej. A + :B A : B

• Donde A : B se le denomina complejo de coordinación o complejo ácido-base

• Ej. Si(OH)40, Al(OH)2

+, HCO3-, CaCl+

• Los grupos R-COOH y R-OH pueden comportarse como acidos Bronsted Lowry

R-COOH2+ R-COOH + H+ R-COO- + H+

R-NH3+ R-NH2

0 + H+

• Pero tambien se pueden comportar como bases de Lewis, formando enlases con cationes metalicos, pq tienen pares de electrones libres

R-[COO]22--Ca + 2Al(OH)2

+ 2R-COOAl(OH)20 + Ca2+

• Atomos de O y N en sustancias húmicas pueden actuar como bases Lewis, llenando los orbitales de los metales

10

• Ej. Al en octahedros y tetrahedros, gibsita

• Catión metálico y molécula de agua en interfase solido-solución - Sitio acido de Lewis

• alta reactividad con bases de Lewis

SOH(s) + H+ SOH2+

SOH2+ + Al-

(ac) SA(l-1)(s) + H2O

6

11

6-3. Origen de la acidez (fuentes)• Solución del suelo y complejo de intercambio pueden neutralizar la acidez

(rapido y reversible)

• Minerales primarios consumen protones durante la meteorización, pero son reacciones cinéticamente muy lentas

• CNA(s) – moles de carga por unidad de masa de suelo que están balanceada por bases intercambibles (metales que no se hidrolizan en el pH normal de suelos). ~ % saturación de bases

• CNA(sol) – moles de protones por unidad de masa de solución requerido para cambiar el pH de la solucion del suelo al pH donde la carga neta de iones que no reaccionan con OH- o H+ es cero (aquellos que no se protonan ni se hidrolizan)

12

CNA(sol) = [Na+] + [K+] + 2[Ca2+] + 2 [Mg2+} – [Cl-] – [NO3-]- 2[SO4

-]

y el balance de cargas de la solución en equilibrio con CO2 disuelto =

0 = [Na+] + [K+] + 2[Ca2+] + 2 [Mg2+} – [Cl-] – [NO3-]- 2[SO4

-] – [OH-] –[HCO3] – 2[CO3

2-] + [H+]

neta: CNA(sol) = [OH-] + [HCO3] + 2[CO32-] - [H+]

7

13

• Cuando se libera Al a la solución debido a la meterorización de los minerales, CNA =

[OH-] + [HCO3] + 2[CO32-] - [H+] – 3[Al3+] – 2[AlOH2+] – [Al(OH)2

+]

• La capacidad de la solución del suelo para neutralizar la acidez se reduce debido a la presencia de Al

14

6-3. Origen de la acidez 6-3.1 Material parental y mineralogía• Acidez de las rocas se expresa en términos del contenido de silice (SiO2); SiO2>

65% (acidas), SiO2 <53% (básicas) (Fassbender)

• Suelos derivados de piedras calizas

• En general, meteorización de minerales primarios consumen protones (↓ CNA de la fase mineral), porque minerales que pueden neutralizar los protones se reducen

• Precipitación de minerales secundarios liberan protones (↑ CNA de la fase mineral)

• Disolucion de minerales que contienen Al, y remoción de cationes básicos• Ej. Reacción de albita

NaAlSi3O8 + 4H2O + 4H+ Na+ + Al+3 + 3Si(OH)4

H2O +CO2 H2CO3 H+ + HCO3-

NaAlSi3O8 + 8H2O + 4 CO2 Na+ + Al+3 + 3Si(OH)4 + 4HCO3-

8

15

6-3.1 Material parental y mineralogía (cont.)

• Productos:Formar minerales secundarios (reacción incongruente)Lixiviación de cationes (reacción congruente)Formación de hidroxidos para formar sesquioxidos

• Al soluble y Al(OH)2+ aumenta

• La fase de intercambio es muy selectivo a estos cationes, y los cationes “básicos”son desplazados a la solución del suelo y lixiviados

• lo cual hace que se reduzca la CNA de la fase sólida del suelo

• Ej. [Ca, Mg, K, Na] X(s) + [Al, Al(OH)2

+ ] (aq) [Al, Al(OH)2+ ] X(s) + [Ca, Mg, K, Na]

Si los cationes básicos no se lixivian, entonces CNA aumentará, conforme se consumen especies de Al. Usualmente ocurre lo opuesto.

16

6-3.2. Clima (lluvia y temperatura)

• Lixiviación de aniones acompañada por cationes (K, Na, Ca, Mg) y Si e incremento de cationes metalicos (Al, Fe, Mn)

• Al3+ y Fe3+ se hidrolizan y liberan protones a medida que forman productos de la hidrólisis (AlOH+ y Al(OH)2

+

• Temperaturas altas aceleran las reacciones de meteorización

• Lluvia ácida (Acido sulfurico de SO2 y acido nítrico de NO2)

9

17

6-3.3. Organismos1. Actividad de microorganismos y disolución de CO2

2. Absorción (planta) de cationes vs. aniones (genera alcalinidad o acidez)

Utilización preferencial de aniones {aniones} – {cations} = equivalentes de OH- o HCO3

- exudados

Utilización preferencial de cationes{aniones} – {cations} = equivalentes de H+ exudados

3. Planta, por exudaciones de la raíz, ácidos orgánicos

4. Materia organica – Descomposicion de residuos vegetativos – Mineralizacion de MO a sustancias mas estables – Ionización de OH- terminales– Grupos funcionales que son acidos debiles (carboxilicos, fenolicos)

18

6-3.4. Tiempo

• En estado de desarrollo temprano, un suelo tiene reaccion alcalina

• Al continuar la pedogénesis la pérdida de materiales alcalinos aumenta acidez

• Suelos maduros de los órdenes Ultisol y Oxisol

• Suelos jóvenes con poca materia organica y arenosos

10

19

6-3.5. El hombre

• Fertilizantes nitrogenados reducidos (NH4+ y urea)

Ej. NH4+ + 4O2 NO3

- +2H+ + H2O

NH4(SO4)2 + 4O2 NO3- + SO4

-2 + 4H+ + 2H2O

Oxidación de ureaCO(NH2)2 + 2H+ + H2O 2NH4

+ + CO2 + H2O

20

• La solubilización de minerales, disponibilidad y adsorción de bases, disponibilidad de P, solubilización de minerales que contienen Al, Mn, Fe, Mn, Zn, Cu

• % saturación de bases y % saturación de acidez

• La magnitud y variación de las cargas en los coloides (CIC y CIA)

• La diversidad de los microorganismos en suelos y su actividad

• Desarrollo vegetal de las planta por efectos directos de H+, pero solamente a pH < 4.2

6-4. Efecto de la acidez

11

21

22

6-4.1 El problema del Al

Aluminio intercambiable

Al+3 + H2O ----------------> Al(OH)+2 + H+

Al(OH)+2 + H2O ---------------> Al(OH)+ + H+

Al(OH)+ + H2O ----------------> Al(OH)3 + 3H+

12

23

24

• Al genera H+ al disolverse en agua

• Acidez del suelo actúa sobre las estructuras octaédricas de los coloidessolubilizándolas o rompiéndolas liberando iones Al+3, creando rx en cadena

• Fuente de acidez principal en suelos tropicales donde dominan sistemas de óxidos y los de aluminosilicatos recubiertos de óxidos

• Al intercambiable ocurre cuando el pH < 5.5

13

25

• AlT = [Al+3] + [Al(OH)+2] + [AlSO4+] + [AlF+2] + [AlL+2]

• Cada una de las especies se pueden determinar conociendo la costantes termodinámicas

• La concentracion de Al en solución depende del ligando

– Aumenta: fluor, oxalato, citrato– Disminuye: fosfatos, sulfatos, hidroxilos

26

Rol de la MO en disminuir Al en solución

14

27

6-6. Razones de la infertilidad de suelos ácidos6-6.1. Toxicidad de Al

• [ ] de Al de 1 ppm va a causar efecto negativo sobre crecimiento

• ocurre daño directo sobre el sistema radicular (las raíces se vuelven más gruesas y presentan puntos muertos)

• Al tiende a acumularse impidiendo la translocación de Ca y P a la parte aérea

• Sustancias orgánicas forman complejos con Al (quelatación)

28

6-6.2. Deficiencia de bases (Ca, Mg y K) y P

• En suelos ácidos pueden haber deficiencia de Ca y Mg sin toxicidad de Al

• Formación de fases sólidas de P y Al

15

29

6-5. Clasificación de la acidez del suelo

• Acidez activa - lo que se mide en la solución y es muy pequeña comparada a la potencial. Acidez titulable

• Acidez intercambiable – Hidrógeno y Al intercambiables retenidos en los coloides por fuerzas electroestáticas (1M KCl)

• Acidez no-intercambiable – Hidrógeno en enlace covalente en la superficie de los minerales arcillosos con carga variable. Por ejemplo, protones asociados a los grupos silanol y aluminol

• Acidez potencial - Acidez intercambiable + acidez no intercambiable

30

6-6.3. Toxicidad de Mn

• Mn muy soluble a pH < 5.5

• Mn muy soluble bajo condiciones reductoras (Mn+4 ------>Mn+2)

• Ya que es un nutrimento esencial, no se trata de eliminarlo sino que mantenerlo dentro de un ámbito de toxicidad y deficiencia

16

31

6-6.4. Toxicidad de H+ a pH < 4.2

32

6-7. Parámetros para evaluar la acidez de un suelo

6-7.1. Medición de acidez activa

• potenciometro, papel de tornasol,

17

33

6-7.2. Acidez intercambiable

• Se utiliza mucho para manejar suelos tropicales (Brazil)

• se determina mediante una extracción con 1M KCl y titulando el extracto con una base

• incluye todo lo que constituye acidez en un suelo a su pH original (Al y H+ intercambiable y en solución).

• niveles de acidez o Al intercambiable (<0.5 cmolc/kg) son problemáticos

34

6-7.3. Porcentaje de saturación de acidez

• Es una medida del % del complejo de cambio ocupado por Al+3.

• El % de saturación permisible para un suelo varia según el cultivo

• Se dice que % de acidez < 10 no presenta problemas; problemas serios empezaran con aprox.

15 % de saturación de Al aunque esto varía según el cultvo.

18

35

6-7. Manejo de la acidez6-7.1. Uso de especies y variedades resistentes a la acidez

• La tolerancia a la acidez entre especies y variedades se deba a una adaptación genética como resultado de una selección involuntaria en suelos ácidos

• Ocurren varios mecanismos de tolerancia al Al y Mn

• Se han resumido los niveles de tolerancia a el porcentaje de saturacion de Al para diferentes cultivos.

36

6-8.2. Encalado

• Método más convencional que consiste en la aplicación de sales básicas como Caen forma de CaCO3

• ¿Porqué aumentar el pH de un suelo?

• Neutralizar ácidos en el suelo lo cual limitan el crecimiento de las plantas

• Añadir Ca y Mg

• Aumentar % saturación de bases (% SB)

• Mejorar la disponibilidad de nutrimentos (P, K, Na, Mg, etc..)

19

37

6-8.2.1. Reacciones luego de la aplicación de cal al sueloCaCO3 + 2H2O <----------> Ca+2 + H2CO3

0 + 2OH-

H2CO3<----> CO2 +H2O

Rx. neta: CaCO3 + H2O <-----> Ca+2 +CO2 + 2OH-

H+ (de la solución del suelo) + OH- <----------> H2O

38

6-8.2.2. Materiales razonables

Ejemplo:• arcilla - 2Al+3 + 3CaCO3 + 3H2O ------> arcilla - 3Ca+2 + 2Al(OH)3 + 3CO2

• arcilla – 2H+ + CaCO3 ------> arcilla – Ca+2 + H2O + CO2

Otras alternativas, ¿Son buenas fuentes?:• arcilla – 2H+ + CaCl2 -----> arcilla – Ca+2 + 2H+ + 2Cl-

• arcilla – 2H+ + Na2CO3 -----> arcilla - 2Na+ + H2O + CO2

Notas importantes:• Con pH suelo > 5.5 se ha conseguido la neutralización del Al porque Al se precipita

como hidróxidos insolubles.

• Cuando se sospecha que el problema es toxicidad de Mn, el pH debe subirse a 6.

20

39

40

6-9. Métodos para determinar la cantidad de encalado

• El pH es un excelente indicador de la acidez del suelo pero no determina el requerimiento de cal.

• El requerimiento de cal indica la cantidad necesaria para establecer un rango de pHdeseado en el sistema de cultivo que se está trabajando.

• El requerimiento de cal se relaciona con el pH y la capacidad amortiguadora del suelo y tiende a aumentar con aumento en el contenido de arcilla, y materia orgánica.

21

41

6-9.1. Suelos dominados por arcillas de tipo 2:16-9.1.1 Método pH - saturación de bases (excelente para suelos de zonas templadas dominada por arcillas 2:1, pueden ser encalados hasta pH = 7).

• Hay que conocer curva de pH - saturación de bases, CIC, pH

• La curva es un promedio de muchas curvas con muchos suelos

• Establecer pH inicial y pH deseado (pHfinal - pHinicial).

• Interpolar de la grafica la diferencia en % saturación de bases

• multiplicar la diferencia en % saturación de bases * CIC

• Obtener cmolc/kg necesarios para encalar

• Convertir a cantidad de CaCO3 a añadir

42

6-9.1.2 SMP buffer (u otros) method

• Se añade una solución tampón (amortiguadora) al suelo.

• H+ salen de los sitios de intercambio a neutralizar la solución amortiguadora.

• Un suelo ácido disminuirá el pH de la solución tampón.

• El pH se reduce en proporción al pH original y la capacidad amortiguadora del suelo.

• Se calibran los cambios de pH en la solución tampón con la cantidad necesaria se realizan recomendaciones de encalado. Existen tablas ya preparadas.

22

43

6-9.2. Suelos dominados por arcillas de tipo 1:1 (Oxisoles y Ultisoles)6-9.2.1. La curva de encalado (curva de titulación)

• Tedioso y no tan común

• Requisito encalado UGA (Liu et al. 2005)

• Suelos tropicales tienen alta capacidad amortiguadora (acidez potencial) y crea una tendencia a sobreencalar

44

Procedimiento:

1. Tomar muestra de suelo (generalmente 20 g)

2. Añadir incrementos de CaCO3 de 20 mg

3. Añadir 40 mL agua, menear, dejar reposar, y medir el pH del suelo

4. Convertir peso de cal añadida a su equivalente en términos de kg/ha o lbs/acre.

5. Encalar hasta llegar al pH deseado

• NOTA: En los suelos rojos tropicales los minerales arcillosos son estables hasta un pH de 5 donde los óxidos de Al se disuelven y existen problemas de toxicidad de Al. En estos casos la toxicidad de Al puede corregirse encalando el suelo hasta llegar a un pH de 5.5 -6.0 logrando la precipitación de Al. También ocurren un incremento apreciable en CIC.

23

45

6-9.2.2. En base al Al intercambiable

• Método mas utilizado en suelos tropicales

• Basar las recomendaciones en términos de la acidez o Al intercambiable

• Añadir cal (CaCO3) en base a 1 - 3 veces el Al intercambiable

• En suelos con niveles de materia orgánica adecuados (2 - 5 %) 2 es un buen factor

• 1 cmolc Al+3/kg = 1 cmolc Ca+2/kg = 1,000 kg CaCO3/ha = 1 ton/ha

• Brazil Al x 2 + [2 – (Ca + Mg)]

46

6-9.2.3. En base al % saturación de Al (PSAl);(Al / CICE) * 100

• Ningún cultivo tolera niveles saturación de Al > 60 % y casi ningún cultivo presenta problemas < 10 %.

• No es lo mismo un suelo con 2 cmolc/kg de Al y 20 cmolc/kg CICE = 10 % saturación Al que un suelo con 2 cmolc/kg de Al y 4 cmolc/kg CICE = 50 % saturación Al

• De acuerdo al nivel de tolerancia del cultivo se trata de bajar a un nivel deseado.

• t CaCO3/ha = [1.5 * (% PSAlexistente - % PSAldeseado) * CICE * 1 / PNT)] 100; PNT = Poder Neutralizante Total

24

47

48

Porcentaje máximo recomendado de saturación de aluminio (PSAl) para algunos cultivos en producción. (Fuente:

Bertsch, 1995)

60Yuca

10Trigo

10Soya

20Sorgo

30Piña

20Mangó

40Gandul

20Fríjol

20Cítricos

20Caña de azúcar

25Café

25Plátano

15Guineo

PSAl (% <)Cultivo

25

49

6-10. Neutralizar acidez activa versus acidez potencial - cálculos:

1. Neutralizar acidez activa: suelo con pH = 5 ; y 25 % humedad.Peso suelo en 1 ha = 2 x 106 kg

cantidad de agua = (2 x 106) * (0.25) = 5 x 105 kg agua

pH = -log (H+) = 1 x 10-5 mol H+/L = 1 x 10-5 eq H+/L

5 x 105 L agua/ha x 1 x10-5 eq H+/L = 5 eq H+/ha

5 eq H+/ha = 5 eq base/ha = 5 eq CaCO3 x (50 g CaCO3/eq CaCO3) = 250 g CaCO3/ha.

50

2. Neutralizar acidez potencial: suelo con pH = 5, SB = 50 %, CIC = 20 cmolc / kg(0.50) * 20 cmolc H+/kg = 10 cmolc/kg = 10 meq/100g

0.1 molc/kg * (2 x 106 kg suelo/ha) = 2 x 105 molc/ha

2 x 105 molc/ha x (50 g CaCO3/eq CaCO3) =

= 1 x 107 g CaCO3/ha = 10,000 kg CaCO3/ha

26

51

6-11. Fuente: Tipos y calidad del material

86silicato de calcioCaSiO3

igual que Ca(OH)2179Oxido de calcio (cal viva)

CaO

muy cáustico a la piel, de reacción muy rápida

136Hidróxido de calcio (cal muerta)

Ca(OH)2

109cal dolomíticaCaMg(CO3)2

buena fuente de Mg, mas caro119dolomitaMgCO3

lo mas utilizado100cal agrícolaCaCO3

ComentariosEquivalente a Carbonato Calizo (CCE)

Nombre comúnMaterial

52

• Equivalente a carbonato calizo (CCE) - medida del poder neutralizante del material encalador con relación a CaCO3 puro (CCE = 100)

• Para determinar el CCE se disuelve una cantidad de base en ácido (no. de equivalentes conocido) y se titula el exceso de ácido que no reaccionó

• ejemplo:• MgCO3 - 84 g / mol = peso molecular• (100 / 84) * 100 = 119 %• O sea para neutralizar la misma cantidad de acidez se necesita 100 partes

de CaCO3 o 84 partes de MgCO3

27

53

Factor de Finura (FF):

100(<0.4<60

500.4 – 2.58 – 60

02.5 >8

Efectividad (%)Tamaño de orificio (mm)

Tamaño de partícula (mesh)

Para obtener la cantidad real de Cal a aplicar, hay que que multiplicar el CCE x FF para obtener el Poder Relativo de Neutralización Total (PRNT) => VNE = 1 / CCE x 1 / FF

54

6-12 Método de aplicación:

• Se recomienda incorporar la cal a 15 cm para promover máximo contacto con el suelo .

• En la mayoría de los casos hay que aplicar al voleo

28

55

6-13. Momento y frecuencia de aplicación:

• La reacción neutralizante solo ocurre cuando hay agua.

• Tratar de sincronizar la aplicación con el inicio de la época de lluvia

• Nunca encalar y abonar a la vez; preferiblemente 2 a 4 semanas antes de aplicar abonos

*Nota: En Puerto Rico el Departamento de Agricultura suministra cal a los agricultores. Esto hace que cumpla con los requisitos de cálida y tienen sobre 96 % CaCO3. El proceso de

elaborar garantiza el tamaño adecuado de las partículas.

56

6-14. Encalar utilizando agua de riego

• La alcalinidad del agua de riego se puede considerar para cuantificar la cantidad de bases aplicadas

• Suma de CO3-2, HCO-3 (meq/L)

29

57

6-15. Sobreencalado• Se puede describir como el encalamiento con dosis mayores de las necesarias para neutralizar

el Al intercambiable o eliminar la toxicidad de Mn.

• Luego de que la acidez debido a Al se ha neutralizado se requieren cantidades exorbitantes de cal para hacer cambiar el pH una unidad debido al alto poder amortiguador de los suelos tropicales.

• Las consecuencias son:– disminución en disponibilidad de P por formación de fosfatos insolubles con Ca

– condiciones básicas favorecen adsorción de B en suelos con CIA.

– disminución de solubilidad de Fe, Zn, Cu

– disminución en disponibilidad de Mn a pH > 6.3

– deterioro de la estructura de suelos dominados por arcillas 1:1 y sesquióxidos

58

30

59

60

31

61