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Universidad Nacional Abierta y Distancia Tarea 2 - Describir las propiedades del suelo; movimiento de contaminantes

Diego Buitrago Arias Código: 10732440771

Entregado a: DAHANN STEFANY MAYORGA

Bogotá

Descripción del problema: En la Tabla 1, se detallan algunas propiedades de un suelo cercano al municipio de Pasto (Nariño), que actualmente se encuentra en uso para cultivos de papa, maíz y pastos para ganadería de leche. El manejo de estos cultivos en la actualidad se realiza de manera convencional, resaltando el uso de pesticidas, (insecticidas, fungicidas, herbicidas) y riego por aspersión. El riego de la zona, proviene de una fuente hídrica superficial que aguas arriba tiene vertimientos industriales. En los últimos años, se ha visto reducida la productividad de los cultivos y adicionalmente se han encontrado trazas de metales pesados en sus tejidos vegetales, que incluso llegan en algunas ocasiones a sobrepasar los límites máximos permisibles que establece el ICONTEC para este tipo de alimentos. Estudios realizados por la autoridad ambiental, indicaron que elementos como el Cadmio, Arsénico y Plomo sobrepasan significativamente los límites de toxicidad en el suelo, llegando a ser retenidos por la materia orgánica y absorbidos por las raíces de las plantas; Además, determinaron la presencia de algunas moléculas organofosforados y derivados halógenos. Esta problemática afecta no sólo a los productores de la zona, sino también a los consumidores de los productos en fresco, quienes corren riesgos sanitarios por intoxicación. Se requiere entonces de medidas para mitigación ambiental en suelos con esta actividad agrícola, por cuanto el conocimiento sistémico de la problemática permitiría formular adecuadas alternativas de manejo. Tabla 1. Descripción de algunas características del suelo Localización (Municipio) Pasto, departamento de Nariño (Colombia) Altitud (m.s.n.m.) 2698 Temperatura promedio (0C) 13 0C Precipitación media anual (mm) 2300 Nivel freático Muy profundo Tipo de drenaje natural Bien drenado Material parental (roca) Ceniza volcánica depositada sobre arcilla lacustre 1:1 Uso actual de los lotes evaluados Cultivos de Papa, Maíz, pastos para ganadería de leche pH 5.38 % de materia orgánica (013% 30cm) Geomorfología Ladera con pendientes aproximadas de 15 – 25% Granulometría (0 - 40 cm) Arenas 64%

Limos Arcillas

20% 16%

Con respecto a la información anteriormente presentada y de acuerdo con la situación problema, se deben desarrollar los siguientes puntos por parte de los grupos colaborativos para el informe de entrega: a. Investigar la Clasificación el suelo de acuerdo a los principales “Ordenes taxonómicos”, teniendo como referente la condición geográfica de localización de la zona y el material parental o rocoso mencionado en la tabla. Se recomienda profundizar en la descripción del “orden de suelo” y la importancia que tiene para la producción de alimentos en la región. Los suelos derivados de cenizas volcánicas son aquellos formados a partir de la meteorización de depósitos de materiales provenientes de eyecciones volcánicas, los cuales han sido denominadosAndisoles (Soil Survey Staff, 1999), nombre derivado de ando soil; etimológicamente an significa oscuro y do significa suelo en lenguaje japonés (Wada, 1985; Shoji et al., 1993). El concepto central de los Andisoles abarca dos aspectos fundamentales: (1) material parental de origen volcánico (cenizas, poma, escorias, piroclastos) y (2) suelos cuya fracción coloidal es dominada por materiales no cristalinos. Los Andisoles se encuentran distribuidos en Europa África, algunas islas del Pacífico, Asia y en América desde Alaska hasta Argentina (Shoji et al., 1993). En Colombia los suelos derivados de cenizas volcánicas representan alrededor del 11,6% del territorio nacional, ocupando zonas de ladera principalmente, los cuales se extienden desde los departamentos de Antioquia, Caldas, Risaralda, Quindío, Valle del Cauca, Hincapié, E.; Tobón, C. de J. 6766 Rev.Fac.Nal.Agr.Medellín 65(2):67656777. 2012 Cauca, Huila, Nariño, Cundinamarca y Tolima (IGAC,1995). La buena estabilidad de los agregados de los Andosoles, así como su alta permeabilidad al agua hacen que estos suelos sean relativamente resistentes a la erosión hídrica. Excepciones a esta regla se presentan en los tipos de Andosoles altamente hidratados que se secan drásticamente, como es el caso tras una deforestación, entre otros. El material de suelo de la superficie se desmorona en gránulos duros (“granulación de alta montaña”), siendo fácilmente removidos por la escorrentía superficial. La dificultad para dispersar las partículas texturales de los Andosoles causa problemas a la hora de determinar su textura, por lo que se recomienda tener precaución al interpretar los datos. La densidad aparente de los Andosoles es baja, no sólo en la capa superficial del suelo, siendo típicamente menor de 0.9 Mg/m3. Sin embargo, se han registrado

valores menores de de 0.3 Mg/m3 en Andosoles altamente hidratados. La densidad aparente no cambia en un rango de 1500 kPa (limitada expansión y encogimiento). Por lo tanto, los valores determinados en campo sobre suelo húmedo pueden prácticamente ser sustituidos por el de densidad aparente a “capacidad de campo”, la cual resulta ser una característica de diagnóstico para identificar un horizonte Ándico. El contenido de humedad a 1500 kPa de succión (punto de marchitez permanente) es alto en la mayoría de los Andosoles. La cantidad de “agua disponible” es generalmente mayor que en otros suelos minerales. El excesivo secado por aire de los materiales que constituyen los Andosoles terminan por deteriorar sus propiedades en lo concerniente a la retención de agua, capacidad de intercambio iónico, el volumen del suelo y por último la cohesión de sus partículas. En casos extremos, estos se rompen en un polvo fino que es muy susceptible a la erosión eólica. Características químicas Los Andosoles tienen propiedades de intercambio catiónico altamente variables: la carga es fuertemente dependiente del pH y la concentración de electrolitos. Este es también el caso de algunos otros suelos, por ejemplo: Ferralsoles, si bien la carga negativa de los Andosoles puede alcanzar valores más altos como consecuencia de sus elevados contenidos de materia orgánica y alofanoo. La Fig. 2 muestra (de la obra traducida; ver enlace al final del post), para algunos componentes de Andosoles, la variación en carga, como una función de pH (las arcillas minerales haloisita y montmorillonita tienen una carga permanente de dominancia, y se incluye como comparación). Con propiedades de carga variables, los valores de saturación de bases también lo son. Los valores de saturación de bases por lo general son bajos a causa de la fuerte percolación, excepto en algunos Andosoles muy jóvenes y de regiones secas. La fuerte reacción química de los Andosoles se atribuye a los ya aludidos compuestos amorfos a los rayos X. Resulta ser más apropiado, como sea, atribuir estas características a la presencia de “aluminio activo”, el cual puede ocurrir de diversas maneras: 1. En aluminosilicatos paracristalinos de orden de rango corto tales como el alofano e imogolita 2. Como iones aluminio intercapas en las capas de silicatos 2:1 y 2:1:1 3. En complejos Al- Húmicos 4. Como iones –Al intercambiable en capas de silicatos. La función del hierro activo no puede ser ignorada, pero es generalmente

considerada de menor importancia que la del aluminio activo. importancia que tiene para la producción de alimentos en la región Los Andosoles atesoran un alto potencial para producción agrícola, pero muchos de sus paisajes, lamentablemente no son aprovechados en todas sus potencialidades. En consecuencia, son suelos generalmente fértiles, particularmente los Andosoles que se desarrollan sobre ceniza volcánicas intermedias o básicas y no expuestos a un lavado (percolación) excesivo de sus nutrientes. La fuerte fijación de fosfatos por parte de ciertos componentes naturales de estos edafotaxa sí resultan ser un problema para su puesta en uso. Las medidas tendentes a mejorar o reducir este efecto (causado por Al activo) incluyen la aplicación de cal, sílice, materia orgánica y fertilizante “fosfatado” Los Andosoles son fáciles de labrar y disfrutan de buena capacidad para el enrizamiento de las plantas, como también de inmejorables propiedades a la hora de almacenar agua. Los Andosoles fuertemente hidratados son difíciles de labrar por su baja capacidad de carga y adhesividad. En los trópicos son utilizados para ser sembrados con una amplia variedad de cultivos incluyendo caña de azúcar, tabaco, papa dulce (tolerante a bajos niveles de fosfatos), té, vegetales, trigo y huertos de frutales. Los Andosoles en laderas con pendientes pronunciadas son quizás mejores para bosques, con vistas a evitar su erosión. Los cultivos de arroz son la principal alternativa agrícola de tierras bajas con nivel freático somero o en sistemas aterrazados. Sin embargo, la producción continua de arroz suele dar lugar a la formación de un denso “hardpan” (horizonte endurecido) encima de una capa en la que se acumulan los óxidos de hierro y manganeso. Estos “hardpan” reducen las pérdidas por percolación del agua (de riego), generando una excesiva hidromorfía. (Ibañes, 2011) b. Hallar la clase textural del suelo mediante el uso del triángulo de texturas (Es pertinente verificar el Anexo 1 que se encuentra también en el entorno de aprendizaje colaborativo). Una vez identifiquen la clase textural, se recomienda profundizar en las características de éste tipo de suelos e inferir sobre los posibles valores de porosidad, drenaje, movimiento de agua y metales contaminantes por el perfil.

Franco arenoso: En seco se percibe la arena que predomina, pero en bastante menos proporción que la anterior. Generalmente de un color marrón claro o gris. En húmedo se puede hacer una cinta de hasta 2,5 cm de largo. Al frotar entre los dedos se percibe áspero, pero más maleable que arenoso franco. Al secarse entre los dedos se observan partículas finas de color beige o blanquecinas. La estructura es por lo general granular de consistencia blanda, aunque en suelos vírgenes no trabajados la estructura puede ser laminar con una consistencia ligeramente dura.

HUMEDAD EN EL SUELO Textura del suelo Capacidad del campo Punto de marchitamiento Humedad disponible Arenoso 9% 2% 7% Arenoso – franco 14% 4% 10% Franco arenoso – limoso 23% 9% 14% Franco arenoso + materia orgánica 29% 10% 19% Franco 34% 12% 22% Franco – arcilloso 30% 16% 14% Arcilloso 38% 34% 14% Arcilloso con buena estructura 50% 30% 20%

En este cuadro podemos ver que la diferencia de humedad entre los suelos arenosos y los arcillosos es notable ya que los arenosos deben estar en contante riego mientras que los arcillosos retienen el agua.

VELOCIDAD DE INFILTRACIÓN Muy arenoso Arenoso Limo – arenoso Limo – arcilloso Arcilloso

20 – 25 mm/h 15 – 20 mm/h 10 – 15 mm/h 8 – 10 mm/h < 8 mm/h

(traxco, 2009) Vemos que la velocidad en los suelos arenosos es mayor a la de los arcillosos esto se debe al que el suelo arenoso es más poroso esto hace que el agua fluya con más velocidad.

c. Consultar y clasificar el suelo de acuerdo al pH y al contenido de materia orgánica. Investigar cómo son en términos generales las propiedades químicas de este suelo. PH Alofano Son Aluminosilicatos hídricos no cristalinos (de orden de rango corto) con una relación molar de Al/Si típicamente entre 1 y 2 (la relación molar Al/Si de la Caolinita es de 1). Estos consisten en esferas huecas con diámetros de 3.5 a 5nm y tienen una gran (reactiva) área superficial específica.

Características químicas Los Andosoles tienen propiedades de intercambio catiónico altamente variables: la carga es fuertemente dependiente del pH y la concentración de electrolitos. Este es también el caso de algunos otros suelos, por ejemplo: Ferralsoles, si bien la carga negativa de los Andosoles puede alcanzar valores más altos como consecuencia de sus elevados contenidos de materia orgánica y alofanoo. La Fig. 2 muestra (de la obra traducida; ver enlace al final del post), para algunos componentes de Andosoles, la variación en carga, como una función de pH (las arcillas minerales haloisita y montmorillonita tienen una carga permanente de dominancia, y se incluye como comparación). Con propiedades de carga variables, los valores de saturación de bases también lo son. Los valores de saturación de bases por lo general son bajos a causa de la fuerte percolación, excepto en algunos Andosoles muy jóvenes y de regiones secas. La fuerte reacción química de los Andosoles se atribuye a los ya aludidos compuestos amorfos a los rayos X. Resulta ser más apropiado, como sea, atribuir estas características a la presencia de “aluminio activo”, el cual puede ocurrir de diversas maneras:

1. En aluminosilicatos paracristalinos de orden de rango corto tales como el alofano e imogolita 2. Como iones aluminio intercapas en las capas de silicatos 2:1 y 2:1:1 3. En complejos Al- Húmicos 4. Como iones –Al intercambiable en capas de silicatos. El Aluminio protege la parte orgánica de los complejos Al-Humus contra su bio-degradación. La movilidad de estos complejos es muy limitada, por cuanto el Aluminio y el hierro se intemperizan con la suficiente rapidez como para producir complejos con una relación metal/orgánicos alta, moderadamente soluble. Esta combinación de baja movilidad y alta resistencia contra la alteración por agentes biológicos propicia la acumulación de materia orgánica en la cubierta del suelo culminando con la formación de un horizonte superficial “Melánico” que tiene un intenso color oscuro y un alto contenido de materia orgánica. El destino del sílice liberado está fuertemente condicionado por la forma en la cual se encuentra el aluminio en los complejos Al-Húmico. Si la mayor parte del aluminio está “fijado”, la concentración de sílice en la solución del suelo aumenta y mientras una parte del sílice es lavado, otra parte se precipita como sílice opalino. Si no se integra todo el aluminio a los complejos, el restante puede co- precipitarse con el silicio dando lugar a Alofanos de composiciones variables, a menudo en asociación con Imogolita (Ver descripción abajo) Note que: la formación de complejos Al-Húmicos y la formación de asociaciones de alofanos son mutuamente competitivas. Tal proceso es conocido bajo la denominación de “composición binaria” de los Andosoles. Parece ser que el alofano (y la imogolita) son estables en condiciones poco ácidas o neutras (pH>5) mientras que los complejos AlHúmicos prevalecen en ambientes más ácidos. Si hay todavía aluminio disponible (en exceso) bajo condiciones ácidas, este puede combinarse con silicio y formar minerales de arcillas o filosilicatos tipo 2:1 y 2:1:1 (como por ejemplo la Clorita) que a menudo se encuentra en asociación con los complejos Al-Húmicos. La estabilidad otorgada sobre la materia orgánica por el aluminio no es menor en presencia de alofano. Tal circunstancia sugiere que la actividad del aluminio en el Alofano es suficiente para interactuar con moléculas orgánicas y prevenir la biodegradación y la percolación. La competencia entre humus y sílice por el Aluminio se encuentra influenciada por factores ambientales: 1. La asociación “complejo Al- Humus + sílice opalino + arcilla filosilicatosa”es más marcada en ceniza volcánica ácida que está sujeta a fuerte percolación. En práctica, hay una variedad continua en la composición binaria de los Andosoles, de una asociación de complejos AlHúmicos (no alofánicos) a una asociación alofano/imogolita (alofánica) en

la cual los extremos son poco frecuentes. Esta variación puede ocurrir dentro de un perfil o entre perfiles. 2. Siguiendo la muy temprana formación de un Andosol (próxima a) la completa inactivación del aluminio por la materia orgánica puede obligar a la formación de alofano bajo condiciones templadas húmedas. El Aluminio se vuelve disponible para la formación de mineral sólo después de que el índice de acumulación de humus se ha estabilizado. Esto explica por qué los horizontes B en los Andosoles son usualmente más ricos en Alofano e Imogolita que los horizontes A: La intemperización de minerales primarios procede, pero el suministro de materia orgánica es limitado para que pequeñas cantidades de aluminio sean transportadas dentro de los complejos Al-Húmicos.

d. Investigar acerca de los conceptos de transporte o movimiento de contaminantes en el suelo y presentar una hipótesis de cuál podría ser la procedencia de contaminantes en los sistemas productivos de acuerdo a la “Descripción del problema” mostrada en esta guía. Mecanismos de distribución y transporte de los contaminantes El objetivo del análisis de los mecanismos de distribución y transporte consiste en identificar los procesos primarios que afectan a la distribución y migración de los compuestos químicos de interés y al destino final de dichos contaminantes. Los principales mecanismos implicados son los siguientes: Partición, Lixiviación y volatilización, Dispersión, Difusión, Advección, Sorción y Degradación. Partición Cuando se produce la liberación de una sustancia contaminante al medio, la posible afección a los diferentes compartimentos ambientales viene determinada por las características físico-químicas de la sustancia vertida y por las propiedades del suelo. La masa total de contaminante en el suelo es la suma de la masa en cada una de las tres fases: – Fase sólida (la parte adsorbida en el suelo) – Fase líquida (parte disuelta en los poros del suelo) – Fase gaseosa (parte volatilizada en el gas intersticial) Dispersión Los contaminantes disueltos en el agua de infiltración son transportados a través de la zona no saturada hasta los acuíferos, que constituyen

sistemas heterogéneos formados por una matriz sólida, en la que existen multitud de poros interconectados rellenos de fluidos (agua o aire). La dispersión se refiere a la extensión de la contaminación que se produce a medida que avanza el agua subterránea en la dirección del flujo (dispersión longitudinal). Igualmente ocurre dispersión transversal en los ejes perpendiculares a dicha dirección. La dispersión origina la mezcla física con agua no contaminada, por lo que puede considerarse como un mecanismo de dilución. Desde el punto de vista de la evaluación de riesgos presenta un interés notable, debido a que explica el motivo por el cual los contaminantes pueden alcanzar un punto de exposición antes del tiempo calculado a partir de la velocidad media del agua. Difusión La difusión es un proceso físico irreversible por el cual las partículas de un contaminante se desplazan de zonas de mayor concentración a zonas de menor concentración. Es un proceso que tiene lugar siempre que exista un gradiente de concentraciones, incluso aunque no se produzca ningún otro fenómeno (en ausencia de flujo). En la práctica es difícil medir su magnitud de forma independiente, por lo que suele agruparse con la anterior en un término que se denomina dispersión hidrodinámica. Suele ser despreciable, excepto para bajas velocidades de flujo.

Advección El término advección se refiere al movimiento originado por el flujo de agua subterránea. Su cálculo se basa en la Ley de Darcy. Desde el punto de vista matemático se expresa como el producto escalar del vector velocidad por el gradiente de concentraciones. Adsorción Es la habilidad de una sustancia para unirse a las partículas del suelo como resultado de las reacciones que tienen lugar entre ella y las partículas sólidas del mismo. Se entiende por adsorción el proceso físico o químico por medio del cual átomos, iones o moléculas de un cuerpo son retenidas en otro cuerpo. La tendencia que tiene una sustancia química a adherirse a los sólidos varía con la naturaleza del compuesto Degradación La mayoría de las sustancias químicas se hallan sujetas a reacciones de transformación bióticas (biodegradación) o abióticas, que originan la degradación de los contaminantes. Entre las segundas cabe citar la fotodegradación y la hidrólisis.

La foto degradación es el proceso de descomposición de un compuesto químico bajo la acción de la luz del sol, y es más intenso en las sustancias situadas en superficie y expuestas a la acción del sol. La hidrólisis es la reacción de degradación que se produce en algunos compuestos por medio de la acción del agua, y es en ambientes saturados donde tiene mayor alcance. (ingoexpert, 2018) Hipótesis Según el problema planteado podemos observar dos tipos de contaminación que afectan los cultivos el primero es contaminación local ya que el agua que es dispersada en los cultivos ya tienen vertimientos industriales lo cual hace que lleguen al suelo diferente contaminantes como materiales pesados, la otra contaminación que podemos observar es la contaminación difusa a la cual hace referencia al uso de fertilizantes y plaguicidas ya que estos transportan sustancias contaminantes tanto solubles como particuladas. Pueden ser metales pesados, sustancias acidificantes, sobrecarga de nutrientes (eutrofización)

Bibliografía Ibañes, J. J. (22 de noviembre de 2011). madridblogs. Obtenido de http://www.madrimasd.org/blogs/universo/2011/11/23/140258 ingoexpert. (5 de marzo de 2018). ingeoexpert. Obtenido de https://ingeoexpert.com/articulo/mecanismos-distribucion-transporte-loscontaminantes/?v=42983b05e2f2 traxco. (10 de diciembre de 2009). Obtenido de https://www.traxco.es/blog/tecnologia-delriego/humedad-en-suelos-de-diferente-textura