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

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

±

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

THXI

THXI

CHXI

LHXI

LHEM

THXATHXA

TXTE

TRXA

TXTE

THXV

CHXV

TXTE

TXTE

FDUI

TPXA

THXM

THXI

THXV

THXV

VPXA

CHXI

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THXI

TDUI

CHXI

EHXV

VHAR

LXTE

THXV XHCR

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TXTE

TFAELHXI

TXFE

THXV

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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

±

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

THXU

THXI

THXI

CHXI

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EHXV

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TRXA

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CRXA

CRXA

CRXA

TFAE

TXFE

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

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TRXA

TXTE

THXV

CHXV

TXTE

TXTE

FDUI

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THXM

THXI

THXV

THXV

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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