Suelo alcalino

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Suelo alcalino
Suelos alcalinos
Cultivo de arroz/ arrozales en suelos alcalinos
Suelo arcilloso
Minerales clave	Carbonato de sodio y bicarbonato de sodio
Proceso clave	Ablandamiento con cal
pH	> 8,5

Los suelos alcalinos o alcalinos son suelos arcillosos con un pH alto (superior a 8,5), una estructura pobre y una capacidad de infiltración baja. A menudo tienen una capa calcárea dura a una profundidad de 0,5 a 1 metro. Los suelos alcalinos deben sus propiedades físico-químicas desfavorables principalmente a la presencia dominante de carbonato de sodio , que hace que el suelo se hinche ^[1] y sea difícil de clarificar/asentar. Derivan su nombre del grupo de elementos de metales alcalinos , al que pertenece el sodio , y que puede inducir basicidad . A veces, estos suelos también se denominan suelos sódicos alcalinos . Los suelos alcalinos son básicos , pero no todos los suelos básicos son alcalinos .

Las causas de la alcalinidad del suelo pueden ser naturales o provocadas por el hombre:

1. La causa natural es la presencia de minerales en el suelo que producen carbonato _de sodio ( _Na2CO3 ) y bicarbonato de sodio (NaHCO3 ₎ durante la meteorización .
2. Las calderas de carbón/centrales eléctricas, cuando utilizan carbón o lignito rico en piedra caliza , producen cenizas que contienen óxido de calcio . El CaO se disuelve fácilmente en agua para formar cal apagada , Ca(OH) ₂ , y es transportado por el agua de lluvia a los ríos/agua de riego. El proceso de ablandamiento con cal precipita los iones Ca2 ⁺ y Mg2 ⁺ /elimina la dureza del agua y también convierte los bicarbonatos de sodio del agua del río en carbonato de sodio. ^[2] Los carbonatos de sodio (carbonato de sodio) reaccionan además con el Ca2+ y Mg2+ restantes ^en el ^agua para eliminar/precipitar la dureza total . Además, las sales de sodio solubles en agua presentes en las cenizas aumentan el contenido de sodio en el agua. El consumo mundial de carbón en el mundo fue de 7.700 millones de toneladas en el año 2011. ^{[ cita requerida ]} De este modo, las calderas de carbón hacen que el agua del río esté libre de iones Ca2 ⁺ y Mg2 ^{+ y mejore con Na + . [ aclaración necesaria ]}
3. Muchas sales de sodio se utilizan en aplicaciones industriales y domésticas, como el carbonato de sodio , el bicarbonato de sodio (bicarbonato de sodio), el sulfato de sodio , el hidróxido de sodio (sosa cáustica), el hipoclorito de sodio (polvo blanqueador), etc. en enormes cantidades. Estas sales se producen principalmente a partir del cloruro de sodio (sal común). Todo el sodio de estas sales ingresa al río / agua subterránea durante su proceso de producción o consumo, lo que aumenta la sodicidad del agua. El consumo mundial total de cloruro de sodio es de 270 millones de toneladas en el año 2010. Esto es casi igual a la carga de sal en el poderoso río Amazonas . La contribución de las sales de sodio creadas por el hombre es de casi el 7% de la carga total de sal de todos los ríos. El problema de la carga de sal de sodio se agrava en las cuencas fluviales de cultivo intensivo ubicadas en China, India, Egipto, Pakistán, Asia occidental, Australia, EE. UU. occidental, etc. debido a la acumulación de sales en el agua restante después de sufrir diversas pérdidas por transpiración y evaporación. ^[3]
4. Otra fuente de adición de sales de sodio artificiales a los campos agrícolas/masa terrestre se encuentra en las proximidades de las torres de enfriamiento húmedo que utilizan agua de mar para disipar el calor residual generado en varias industrias ubicadas cerca de la costa del mar. Se instalan torres de enfriamiento de gran capacidad en refinerías de petróleo, complejos petroquímicos, plantas de fertilizantes, plantas químicas, centrales nucleares y térmicas, sistemas de HVAC centralizados , etc. Las gotas finas emitidas por las torres de enfriamiento contienen casi un 6% de cloruro de sodio que se depositaría en las áreas circundantes. Este problema se agrava cuando no se imponen o no se implementan las normas nacionales de control de la contaminación para minimizar las emisiones derivadas de la deriva a la mejor norma industrial para las torres de enfriamiento húmedo basadas en agua de mar. ^[4]
5. La causa antropogénica es la aplicación de agua suavizada en el riego (superficial o subterránea) que contiene una proporción relativamente alta de bicarbonatos de sodio y menos calcio y magnesio. ^[1]

Los suelos alcalinos son difíciles de incorporar a la producción agrícola. Debido a la baja capacidad de infiltración , el agua de lluvia se estanca en el suelo con facilidad y, en períodos secos, el cultivo es casi imposible sin abundante agua de riego y un buen drenaje. La agricultura se limita a cultivos tolerantes al encharcamiento superficial (por ejemplo, arroz , pasto) y la productividad es menor.

La alcalinidad del suelo está asociada con la presencia de carbonato de sodio (Na ₂ CO ₃ ) o bicarbonato de sodio (NaHCO ₃ ) en el suelo, ^[5] ya sea como resultado de la erosión natural de las partículas del suelo o traída por el riego y/o el agua de inundación.

Esta sal es extremadamente soluble, cuando sufre hidratación se disocia en:

N / A
₂CO
₃→ 2 Na⁺
+ CO²⁻
₃

El anión carbonato CO²⁻
₃, es una base débil que acepta un protón, por lo que se hidroliza en agua para dar el ion bicarbonato y un ion hidroxilo :

CO²⁻
₃+ H
₂O → HCO⁻
₃+ OH⁻

que a su vez da ácido carbónico e hidroxilo:

OHC⁻
₃+ H
₂O → H
₂CO
₃+ OH⁻

Véase carbonato para el equilibrio de carbonato-bicarbonato-dióxido de carbono.

Las reacciones anteriores son similares a la disolución del carbonato de calcio _, siendo la solubilidad de las dos sales la única diferencia. Na2CO3 _es aproximadamente78.000 veces más soluble que el CaCO3 _{, por} lo que puede disolver cantidades mucho mayores de CO²⁻
₃, aumentando así el pH a valores superiores a 8,5, lo cual está por encima del pH máximo alcanzable cuando el equilibrio entre el carbonato de calcio y el dióxido de carbono disuelto están en equilibrio en la solución del suelo.

Notas :

• El agua (H ₂ O) se disocia parcialmente en iones H ₃ O ⁺ ( hidronio ) y OH ^– ( hidroxilo ). El ion H ₃ O ⁺ tiene una carga eléctrica positiva (+) y su concentración se escribe habitualmente como [H ⁺ ]. El ion hidroxilo OH ^– tiene una carga negativa (−) y su concentración se escribe como [OH ⁻ ].
• En agua pura, a 25 °C, la constante de disociación del agua ( K _w ) es 10 ⁻¹⁴ .
  Como K _w = [H ⁺ ] × [OH ^– ], entonces la concentración de iones H ₃ O ⁺ y OH ^– es igual a 10 ⁻⁷  M (una concentración muy pequeña).
• En agua neutra, el pH , al ser el logaritmo decimal negativo de la concentración de H ₃ O ⁺ , es 7. De manera similar, el pOH también es 7. Cada unidad de disminución en el pH indica un aumento de diez veces en la concentración de H ₃ O ⁺ . De manera similar, cada unidad de aumento en el pH indica un aumento de diez veces en la concentración de OH ^– .
• En agua con sales disueltas , las concentraciones de los iones H ₃ O ⁺ y OH ^– pueden variar, pero su suma permanece constante, es decir 7 + 7 = 14. Por lo tanto, un pH de 7 corresponde a un pOH de 7, y un pH de 9 a un pOH de 5.
• Formalmente se prefiere expresar las concentraciones de iones en términos de actividad química , pero esto apenas afecta el valor del pH.
• El agua con exceso de iones H ₃ O ⁺ se denomina ácida ( pH < 7 ), y el agua con exceso de iones OH ^– se denomina alcalina o más bien básica ( pH > 7 ). La humedad del suelo con pH < 4 se denomina muy ácida y con pH > 10 muy alcalina (básica).

_El H2CO3 ( ácido carbónico ₎ es inestable y produce H2O ₍ agua ) y CO2 ₍ dióxido de carbono gaseoso, que se escapa a la atmósfera). Esto explica la alcalinidad restante (o más bien basicidad ) en forma de hidróxido de sodio soluble y el pH alto o pOH bajo .

No todo el carbonato de sodio disuelto experimenta la reacción química descrita anteriormente. El carbonato de sodio restante y, por lo tanto, la presencia de CO²⁻
₃Los iones CaCO3 (que es sólo ligeramente soluble) hacen _que precipite como carbonato de calcio sólido (piedra caliza), porque el producto del CO²⁻
₃concentración de calcio y la concentración de Ca ²⁺ excede el límite permitido. Por lo tanto, los iones de calcio Ca ²⁺ quedan inmovilizados.

La presencia de abundantes iones Na ⁺ en la solución del suelo y la precipitación de iones Ca2 ⁺ como mineral sólido hace que las partículas de arcilla , que tienen cargas eléctricas negativas a lo largo de sus superficies, adsorban más Na ⁺ en la zona de adsorción difusa (DAZ, ​​también más comúnmente llamada doble capa difusa (DDL), o doble capa eléctrica (EDL), ver figura correspondiente) ^[6] y, a cambio, liberen Ca2+ previamente adsorbido ^, con lo que aumenta su porcentaje de sodio intercambiable (ESP) como se ilustra en la misma figura.

El Na ⁺ es más móvil y tiene una carga eléctrica menor que el Ca2 ^+, por lo que el espesor de la DDL aumenta a medida que más iones de sodio la ocupan. El espesor de la DDL también está influenciado por la concentración total de iones en la humedad del suelo, en el sentido de que concentraciones más altas hacen que la zona DDL se encoja.

Las partículas de arcilla con un ESP considerable (> 16), en contacto con la humedad del suelo no salino tienen una zona DDL expandida y el suelo se hincha ( dispersión ). ^[6] El fenómeno resulta en el deterioro de la estructura del suelo , y especialmente en la formación de costras y compactación de la capa superior. Por lo tanto, la capacidad de infiltración del suelo y la disponibilidad de agua en el suelo se reducen, mientras que el anegamiento superficial o la escorrentía superficial aumentan. La emergencia de las plántulas y la producción de cultivos se ven gravemente afectadas.

Nota :

• En condiciones salinas, los numerosos iones presentes en la solución del suelo contrarrestan la hinchazón del suelo, por lo que los suelos salinos no suelen presentar propiedades físicas desfavorables. Los suelos alcalinos, en principio, no son salinos, ya que el problema de la alcalinidad es peor cuanto menor es la salinidad.

Los problemas de alcalinidad son más pronunciados en los suelos arcillosos que en los francos, limosos o arenosos. Los suelos arcillosos que contienen montmorillonita o esmectita (arcillas expansivas) están más sujetos a problemas de alcalinidad que los suelos arcillosos de illita o caolinita . La razón es que los primeros tipos de arcilla tienen mayores áreas superficiales específicas ( es decir , el área superficial de las partículas del suelo dividida por su volumen) y una mayor capacidad de intercambio catiónico (CIC).

Nota :

• Ciertos minerales arcillosos con casi 100% de ESP (es decir, casi totalmente saturados de sodio) se denominan bentonita , que se utiliza en ingeniería civil para colocar cortinas impermeables en el suelo, por ejemplo debajo de presas, para evitar filtraciones de agua.

La calidad del agua de riego en relación al riesgo de alcalinidad se expresa mediante los dos índices siguientes:

1. Relación de adsorción de sodio (SAR, ^[5] ) La fórmula para calcular la relación de adsorción de sodio es:

   SAR = ⁠[Na ⁺ ]/√ [Ca2 ⁺ /2 + Mg2 ⁺ /2]⁠ = ⁠{Na ⁺ /23}/√ {Ca2 ⁺ /40 + Mg2 ⁺ /24}⁠

   donde: [ ] representa la concentración en miliequivalentes /litro (brevemente meq/L), y { } representa la concentración en mg/L. Se observa que se cree que Mg ( magnesio ) desempeña un papel similar al Ca ( calcio ). El SAR no debe ser mucho mayor que 20 y preferiblemente menor que 10; Cuando el suelo ha estado expuesto al agua con un cierto valor de SAR durante algún tiempo, el valor ESP tiende a volverse aproximadamente igual al valor de SAR.
2. El carbonato de sodio residual (RSC, meq/L): ^[5] La fórmula para calcular el carbonato de sodio residual es:

   Sociedad Civil	= [ HCO3− 3+ CO2− 3] − [Ca2 + + Mg2 + ]
   	= { HCO− 3/61 + CO2− 3/30} − {Ca2 + /20 + Mg2 + /12}

   que no debe ser mucho mayor que 1 y preferiblemente menor que 0,5.

   La expresión anterior reconoce la presencia de bicarbonatos ( HCO⁻
   ₃), la forma en que se disuelven la mayoría de los carbonatos.

Al calcular el SAR y el RSC, se debe considerar la calidad del agua presente en la zona de la raíz del cultivo, lo que tendría en cuenta el factor de lixiviación en el campo. ^[7] La ​​presión parcial de CO2 disuelto _en la zona de la raíz de las plantas también determina el calcio presente en forma disuelta en el agua del campo. El USDA sigue el SAR ajustado ^[8] para calcular la sodicidad del agua.

Los suelos alcalinos con CaCO3 sólido _se pueden recuperar con cultivos de pasto , abono orgánico, desechos de pelo/plumas, basura orgánica, papel usado, limones/naranjas rechazados, etc., asegurando la incorporación de mucho material acidificante (material inorgánico u orgánico ) al suelo y mejorando el Ca disuelto en el agua del campo liberando gas CO2 _. [ ^9] El arado profundo y la incorporación del subsuelo calcáreo a la capa superior del suelo también ayuda.

Muchas veces, la migración de sales a la capa superior del suelo se produce desde fuentes de agua subterráneas en lugar de fuentes superficiales. ^[10] Cuando el nivel freático subterráneo es alto y la tierra está sujeta a una alta radiación solar, el agua subterránea rezuma a la superficie de la tierra debido a la acción capilar y se evapora dejando las sales disueltas en la capa superior del suelo. Cuando el agua subterránea contiene altas cantidades de sales, se produce un problema agudo de salinidad. Este problema se puede reducir aplicando mantillo a la tierra. También se recomienda el uso de invernaderos o redes de sombra durante el verano para cultivar verduras/cultivos para mitigar la salinidad del suelo y conservar el agua/humedad del suelo. Los invernaderos filtran la intensa radiación solar del verano en los países tropicales para proteger a las plantas del estrés hídrico y las quemaduras de las hojas.

Cuando la calidad del agua subterránea no es alcalina/salina y el nivel freático es alto, la acumulación de sales en el suelo se puede evitar utilizando la tierra durante todo el año para el cultivo de árboles o cultivos permanentes con la ayuda del riego por aspersión. Cuando el agua subterránea se utiliza con el factor de lixiviación requerido , las sales en el suelo no se acumulan.

También se aconseja arar el campo poco después de cortar el cultivo para evitar la migración de sales a la capa superior del suelo y conservar la humedad del mismo durante los intensos meses de verano. Esto se hace para romper los poros capilares del suelo y evitar que el agua llegue a la superficie.

Los suelos arcillosos en áreas con una alta precipitación anual (más de 100 cm) no suelen sufrir de alta alcalinidad, ya que la escorrentía del agua de lluvia puede reducir/lixiviar las sales del suelo a niveles confortables si se siguen los métodos adecuados de recolección de agua de lluvia . En algunas áreas agrícolas, se utilizan "líneas de tejas" subterráneas para facilitar el drenaje y la lixiviación de las sales. El riego por goteo continuo daría lugar a la formación de suelos alcalinos en ausencia de agua de lixiviación/drenaje del campo.

También es posible recuperar suelos alcalinos añadiendo minerales acidificantes como pirita o alumbre o sulfato de aluminio (más baratos) .

Alternativamente, yeso ( sulfato de calcio , CaSO
₄· 2 horas
₂O ) también se puede aplicar como fuente de iones Ca ^{2+ para reemplazar el} sodio en el complejo de intercambio. ^[9] El yeso también reacciona con el carbonato de sodio para convertirse en sulfato de sodio , que es una sal neutra y no contribuye al pH alto. Debe haber suficiente drenaje natural hacia el subsuelo, o bien debe estar presente un sistema de drenaje subterráneo artificial, para permitir la lixiviación del exceso de sodio por percolación de la lluvia y/o agua de riego a través del perfil del suelo .

El cloruro de calcio también se utiliza para recuperar suelos alcalinos. El CaCl2 _convierte el Na2CO3 _en NaCl y precipita el CaCO3 _{. El} NaCl se drena mediante el agua de lixiviación. _El nitrato de calcio tiene un efecto similar, con NaNO3 en el lixiviado. El ácido usado (HCl, H2SO4 _{, etc.} ) también se puede utilizar para reducir el exceso de Na2CO3 _{en el} suelo /agua.

Cuando la urea está disponible a bajo precio para los agricultores, también se utiliza principalmente para reducir la alcalinidad/salinidad del suelo. ^[11] El amonio ( NH⁺
₄) catión producido por hidrólisis de urea , que es un catión fuertemente adsorbente que intercambia con el catión Na ⁺ débilmente adsorbente de la estructura del suelo y el Na ⁺ se libera al agua. Por lo tanto, los suelos alcalinos adsorben/consumen más urea en comparación con otros suelos.

Para recuperar completamente los suelos se necesitan dosis prohibitivamente altas de enmiendas. Por lo tanto, la mayoría de los esfuerzos se dirigen a mejorar solo la capa superior (digamos los primeros 10 cm de los suelos), ya que la capa superior es la más sensible al deterioro de la estructura del suelo . ^[9] Sin embargo, los tratamientos deben repetirse en unos pocos años (digamos 5). Los árboles / plantas siguen el gravitropismo . Es difícil sobrevivir en suelos alcalinos para los árboles con un sistema de raíces más profundo que puede tener más de 60 metros de profundidad en buenos suelos no alcalinos.

Será importante evitar el riego (subterráneo o superficial) con agua de mala calidad. En viticultura, se ha sugerido añadir al agua de riego agentes quelantes naturales como el ácido tartárico para solubilizar los carbonatos de calcio y magnesio en suelos sódicos. ^[12]

Una forma de reducir el carbonato de sodio es cultivar plantas de salicornia , salicornia o barrilla . ^[13] Estas plantas secuestran el carbonato de sodio que absorben del suelo alcalino en sus tejidos. La ceniza de estas plantas contiene una buena cantidad de carbonato de sodio que se puede extraer comercialmente y utilizar en lugar del carbonato de sodio derivado de la sal común, que es un proceso que consume mucha energía. De este modo, el deterioro de las tierras alcalinas se puede controlar cultivando plantas de barrilla que pueden servir como fuente de alimento, combustible de biomasa y materia prima para carbonato de sodio y potasa , etc.

Los suelos salinos son en su mayoría también sódicos (la sal predominante es el cloruro de sodio ), pero no tienen un pH muy alto ni una tasa de infiltración pobre. Al lixiviarse, por lo general no se convierten en un suelo alcalino (sódico), ya que los iones Na ⁺ se eliminan fácilmente. Por lo tanto, los suelos salinos (sódicos) en su mayoría no necesitan aplicaciones de yeso para su recuperación. ^[14]

Desde la década de 1990, se han llevado a cabo investigaciones y experimentos en China y otros lugares para la remediación y utilización de tierras alcalinas mediante prácticas combinadas de agricultura y acuicultura, con un éxito y una experiencia considerables. ^{[15] [16] [17]} La ​​tecnología de acuicultura de utilización de agua salina-alcalina continental para la producción de mariscos está madurando y abarca una amplia gama de especies de mariscos, incluidos camarones, cangrejos, mariscos y peces como la lubina y el mero. ^{[18] [19]}

En los últimos años, el Ministerio de Agricultura y Asuntos Rurales de China ha recomendado la acuicultura (o acuicultura en tierras salinas y alcalinas ) como un modelo exitoso para la transformación y utilización de tierras salinas y alcalinas. ^{[15] [20] [21] [16]} La FAO señaló en un boletín reciente que las tierras alcalinas son un área en la que existen formas y oportunidades innovadoras para la expansión de la acuicultura. ^[22]