Propiedades físicas, químicas y mineralógicas de suelos forestales en Acaxochitlan, Hidalgo, México

Physical, chemical and mineralogical properties of forest soils in Acaxochitlan, state of Hidalgo, Mexico

O Acevedo–Sandoval^1*, MA Valera–Perez¹, F Prieto–García¹

¹ Centro de Investigaciones en Ciencias de La Tierra y Materiales Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo Km. 4.5 Carr. Pachuca Tulancingo, Ciudad Universitaria Pachuca, Hidalgo, CP 42184. (OAS)(MAVP)(FPG) ^* Correo electrónico: acevedo@uaeh.edu.mx

RESUMEN

El estado de Hidalgo, cuenta con una superficie total de 2 110 573 ha, de éstas el 22 % de los suelos tienen características ácidas, que requieren de evaluarse y determinar sus factores físico–químicos que permitan desarrollar prácticas agronómicas tendientes a mejorar su potencialidad para uso forestal o agrícola. Los objetivos de este estudio fueron a) determinar las propiedades físicas, químicas y mineralógicas de los suelos ácidos en el estado de Hidalgo, México, y b) clasificar los suelos de acuerdo al criterio de la IUSS Working Group WRB (2006). Los suelos estudiados presentan un buen drenaje, de colores que van de 10YR4/3 a 5YR4/4 (Munsell Color Chart), densidad aparente menor de 1 Mg m^–3, densidad real varía de 1.54 a 2.15 Mg m^–3; de textura franco, franco arenosa y arcillosa; pH (en agua 1:2.5) varió de 6.7 a 4.9, ligeramente ácido a muy ácido; CIC alta (promedio de 30 cmol+kg^–1), materia orgánica mayor del 4% en los horizontes superiores. En la fracción arcilla está caracterizada por caolinita, haloisita 7 Å, y óxidos de hierro (goethita). La secuencia de los óxidos lábiles en los horizontes Bt es: Fe₂O₃ > Al₂O₃ > SiO₂ lo que indica una etapa de intemperización avanzada de los minerales. Los suelos fueron clasificados como diferentes Alisoles (IUSS Working Group WRB, 2006).

Palabras clave: Alisoles, oxihidroxidos de Fe y Al, suelos forestales, mineralogía, México.

ABSTRACT

The state of Hidalgo has a total surface of 2 110 573 ha, of which 22 % has characteristically acid soils that need to be evaluated to determine the physico–chemical factors that will allow the development of agricultural practices that will improve their use in forestry or agriculture. The objectives of this study were a) to determine the physical, chemical and mineralogical properties of the acid soils in the state of Hidalgo, Mexico, and b) to classify the soils following the criterium of the IUSS Working Group WRB (2006). The soils present good drainage, soil colours that vary from 10YR4/3 to 5YR4/4 (Munsell Color Chart), a bulk density lower than 1 Mg m^–3, a particle density from 1.54 to 2.15 MG m^–3, soil textures are loam, sandy loam and clay, the pH (in water 1:2.5) varied from 6.7 to 4.9, slightly acid to very acid; a high CEC (average of 30 cmol+kg^–1), and organic matter geater than 4% in the surface horizons. The clay fraction is characterised by kaolinite, halloysite 7 Å and iron oxides (goethite). The sequence of free oxides in the Bt horizons is: Fe₂O₃ > Al₂O₃ > SiO₂ , which indicates a stage of advanced mineral weathering. The soils were classified as different Alisols (IUSS Working Group WRB, 2006).

Key words: Alisols, Fe and Al oxyhydroxides, forest soils, mineralogy, Mexico.

INTRODUCCIÓN

Se estima que el 15% de los suelos de la república mexicana están afectados por procesos de acidificación (SEMARNAP 1999). El estado de Hidalgo, cuenta con una superficie total de 2 110 573 ha, de éstas el 22% de los suelos tienen características ácidas (Acevedo–Sandoval 2000). El nivel de acidificación de los suelos se ha incrementado en los últimos años como consecuencia de varios factores: pérdida de la capa arable por erosión, extracción de nutrimentos en sistemas de monocultivo intensivo, efecto residual ácido de fertilizantes nitrogenados amoniacales, deforestación, habilitación para el cultivo de suelos ácidos, manejo inadecuado de prácticas productivas, lixiviación de bases, entre otras (Zetina et al. 2002).

La acidificación es un proceso natural, la agricultura, la contaminación y otras actividades humanas aceleran este proceso. La acidez del suelo se presenta por la hidrólisis del CO_² proveniente de la respiración de los microorganismos, la hidrólisis de cationes metálicos, los grupos ácidos y alcohólicos de la materia orgánica, los grupos OH ^– de la láminas de los aluminosilicatos y los fertilizantes (Zapata 2004).

La acidez por sí misma no constituye un factor limitante para el desarrollo de las plantas, éstas sufren el efecto de la toxicidad del aluminio (Al) cuando la concentración de este catión, en la solución del suelo es mayor de 1 a 2 ppm (Nuñez 1985; Johnson 2002). La presencia del Al en el medio, agua y suelo, puede ocasionar serios riesgos ecológicos (Huang 1990; Tan 1994; Gensemer & Playle 1999). Los óxidos, hidróxidos y oxihidróxidos de Al constituyen un grupo de coloides del suelo que son capaces de adsorber amplias cantidades de metales traza y tienen además una importante influencia en la sorción y disponibilidad de fosfatos (Zhang et al. 1997).

La mayoría de los suelos ácidos son muy evolucionados, pobres en nutrimentos especialmente calcio, magnesio, fósforo, etc. Su caracterización es importante ya que entre ellos ocurren variaciones en cuanto a texturas, grado de acidez, contenido de calcio, magnesio, aluminio del complejo de intercambio, las cuales imposibilitan generalizar prácticas agronómicas tendientes a mejorar su potencialidad para uso forestal, agrícola o pecuario.

El conocimiento y entendimiento de la morfología, clasificación y génesis de suelos ácidos son esenciales, ya que provee las bases para el uso racional y eficiente de este recurso. Por lo anterior, los objetivos de este trabajo fueron: 1) determinar las propiedades físicas, químicas y mineralógicas de los suelos ácidos, y 2) clasificar los suelos de acuerdo a los criterios de la IUSS Working Group WRB (2006).

MATERIALES Y MÉTODOS

Localización y características del área de estudio

El clima (Cm) es templado húmedo con abundantes lluvias en verano, precipitación anual de 1,200 mm y temperatura media de 15.5 °C. (DOEH 2001). El régimen de humedad del suelo es údico y el régimen de temperatura del suelo, mésico (Soil Survey Staff, 1999). En la región de estudio el uso dominante del suelo es forestal, donde la vegetación que predomina es bosque de pino encino compuesto de Quercus spp (Perfil 1; 20° 10' 53" LN y 98° 15' 35" LO), Pinus teocote (Perfil 2; 20° 13' 45" LN y 98° 12' 35" LO), cultivo de maíz (Perfil 3; 20º11' 58" LN y 98° 14' 22" LO), Pinus patula (Perfil 4; 20° 11' 55" LN y 98° 14' 19" LO), los bosques en general presentan una alta perturbación por actividades antropogénicas, tales como deforestación y cambio de uso de suelo.

Muestreo de Suelos

La selección de cada perfil se realizó a partir de un estudio previo de fotointerpretación, utilizando fotografías aéreas verticales, pancromáticas, blanco y negro, escala 1: 30,000, y material cartográfico de apoyo (Van Zuidam 1979), esta fase se complementó con recorridos por la zona. Se eligieron cuatro sitios representativos del área y por el tipo de vegetación que predominaba, la toma de muestras de suelo se llevó a cabo en el mes de noviembre de 2007, al noroeste de la cabecera municipal de Acaxochitlán, estado de Hidalgo, México, a una altitud de 2250.3 m (Perfil 1), 2100 m (Perfil 2), 2335 m (Perfil 3) y 2244 m (Perfil 4), cada perfil se describió morfológicamente (FAO 1990; Schoeneberger et al. 2000). De cada capa y horizonte identificado en campo se recolectaron muestras alteradas, éstas se llevaron al laboratorio donde se secaron al aire y tamizaron a través de una malla de 2 mm para sus respectivos análisis físicos y químicos.

Análisis de Suelos

Los métodos empleados para determinar las propiedades físicas y químicas de cada horizonte se reportan en USDA–NRCS (2004). Las variables analizadas fueron: densidad aparente (método del terrón y parafina), densidad real utilizando picnómetros de 25 ml (Skopp 2000), el espacio poroso se calculo al relacionar la densidad aparente entre la densidad real (Skopp 2000), distribución del tamaño de partículas (método de la pipeta), pH en agua (1:2.5) y en KCl 1N (1:1), materia orgánica (MO) con Walkley y Black (1934), el porcentaje de carbono orgánico se determinó multiplicando [6.82 (% Alp – 0.20)] (Nanzyo et al. 1993), capacidad de intercambio catiónico (CIC), bases intercambiables extraídas con acetato de amonio 1N pH 7.0 y analizadas por espectrometría de emisión en plasma de inducción acoplado, marca Perkin Elmer 3000, modelo Lamda 2S, todos los análisis se realizaron por duplicado.

Los óxidos totales se cuantificaron por fluorescencia de rayos X, con un espectrómetro secuencial de rayos X SIEMENS SRS 3000. Se determinaron los minerales secundarios presentes en la fracción fina menor que 2 μm, por difracción de rayos X (DRX) en un difractómetro de rayos X, Phillips modelo X Pert. La extracción de óxidos lábiles de Si, Al y Fe se llevó a cabo empleando el método de Mehra & Jackson (1960). Los óxidos de Si, Al y Fe presentes en la disolución se determinaron mediante espectrometría de emisión en plasma de inducción acoplado (ICP).

Para establecer la pérdida o ganancia de óxidos totales se aplicó la constante (K) de aluminio (Al₂O₃) (Krauskopf 1979), comparando el horizonte más profundo con los horizontes meteorizados.

RESULTADOS

Los horizontes superficiales se caracterizan por presentar colores pardo grisáceo muy oscuro (10YR3/2) a pardo rojizo (5YR4/3) en seco, y pardo amarillento oscuro (10YR3/4) a pardo rojizo oscuro (5YR2.5/2) en húmedo, de consistencia friable en húmedo, y estructura granular a bloques subangulares de tamaño fino a granular (Tabla 1).

Los perfiles estudiados en general presentan un buen drenaje, las texturas que dominan son franco, franco arenosa y arcillosa (Tabla 2). El Perfil 3 presenta un horizonte A truncado, debido al cambio de uso del suelo, forestal a agrícola, que da como consecuencia la pérdida parcial del horizonte A por erosión hídrica. Todos los perfiles presentan un incremento de arcilla con la profundidad (30 a 50 % de arcilla), el horizonte Bt; se caracteriza por la presencia de películas de arcilla en las paredes de los poros y en la superficie de los agregados, mismas que son producto de la acción de los factores de formación del suelo y de la ocurrencia combinada de los procesos dominantes de: a) acumulación y redistribución de arcilla, y b) desilificación y concentración de óxidos e hidróxidos de hierro y aluminio (Chadwick & Graham 2000).

Propiedades Químicas

En la Tabla 3 se presentan los valores promedio obtenidos para algunas propiedades químicas de los cuatro perfiles.

El pH (1:2.5 en agua) varió de 6.7 a 4.9, de ligeramente ácido a muy ácido, con una ligera disminución de acidez al aumentar la profundidad en el Perfil 2, en los otros tres perfiles se presenta un incremento de la acidez con relación a la profundidad del suelo.

En relación a las bases intercambiables el calcio, magnesio y potasio presentan valores bajos a muy bajos en los Perfiles 2, 3 y 4, estos valores pueden ser considerados como un nivel crítico debido a las altas precipitaciones y a la pendiente del terreno.

El Perfil 1 muestra contenidos altos de cationes intercambiables debido a los procesos de mineralización de la materia orgánica compuesta de hojas de encino (Tabla 3). El porcentaje de saturación de bases es mayor del 50% en el Perfil 1 y la tendencia fue disminuir con la profundidad del suelo, mientras que, en los Perfiles 2, 3 y 4 es menor del 20%, incrementándose éstas con relación a la profundidad del suelo, lo cual indica un grado de saturación o eliminación de bases por lixiviación y lavado del suelo.

Óxidos Lábiles

La Tabla 4 presenta los resultados de los óxidos lábiles. En general el aluminio y silicio decrecen con la profundidad del suelo, lo que indica que parte de éstos, se polimeriza y acompleja para formar estructuras cristalinas, arcillas (caolinita, haloisita) en los horizontes Bt, y el contenido de hierro lábil en general aumenta, respecto de la profundidad teniendo su máximo en un horizonte Bt.

Las Tablas 5 y 6 muestran los contenidos de óxidos totales, las pérdidas y ganancias resultantes de los horizontes estudiados. Los contenidos de SiO₂ indican que son materiales de naturaleza máfica (basáltica).

Mineralogía

En la fracción fina se identificó caolinita, haloisita 7 Å, óxidos de hierro (goethita), cuarzo y albita.

Génesis de los suelos

El área de estudio pertenece a la Formación Atotonilco El Grande, constituida por rocas basálticas del periodo terciario, los suelos se formaron a partir de estos materiales los cuales estuvieron sujetos a procesos de intemperización agresiva, dada por la presencia de arcilla, el color, y óxidos lábiles de hierro y aluminio.

Clasificación de los suelos

Los suelos ácidos se clasificaron con base en los criterios propuestos por la IUSS Working Group WRB 2006. El Perfil 1: Alisol Cutánico (Epieútrico), Perfil 2: Alisol Cutánico Úmbrico (Hiperdístrico, Endocláyico), Perfil 3: Alisol Cutánico Úmbrico (Hiperdístrico), Perfil 4: Alisol Cutánico, Úmbrico (Hiperdístrico, Cláyico). Los Alisoles son suelos que se caracterizan por presentar un horizonte árgico como resultado de procesos pedogenéticos (especialmente por migración de arcillas) con una CIC igual o mayor del 24 cmol⁺kg^–1 de arcilla (en todo el horizonte ártico o en sus primeros 50 cm) y una saturación de bases menor a 50 % en la mayor parte entre 50 y 100 cm desde la superficie del suelo (IUSS Working Group WRB 2006).

DISCUSIÓN

En los horizontes superficiales de los cuatro perfiles la densidad aparente oscila de 1.1 a 0.63 Mg m^–3 (Tabla 2), ésta se incrementa con la profundidad con excepción del Perfil 1 que se reduce debido a que se trata de un material pumítico de naturaleza máfica (Dahlgren et al. 1993). West et al. (2004) reportan que suelos que presentan una densidad aparente baja, permeabilidad alta y resistencia a la erosión bajo condiciones de precipitación elevada, es propia de suelos que contienen frecuentemente haloisita y óxidos de hierro, situación que prevalece en estos suelos. La densidad real varió de 1.54 a 2.30 Mg m^–3 tiende a aumentar con la profundidad del suelo en los Perfiles 2, 3 y 4, lo que indica la presencia de materiales menos intemperizados.

La densidad real es congruente con la naturaleza del material parental, por lo que esos valores indicaron dominancia de minerales ligeros en todas sus fracciones. Las características anteriores proporcionan a los suelos un medio físico adecuado para el desarrollo de las especies forestales al presentar buena aireación, buen drenaje y adecuada porosidad.

Los resultados de la Tabla 3 indican que el Perfil 2 tiene un alto contenido de materia orgánica en el horizonte superficial. Los Perfiles 3 y 4 se consideran medio y muy bajo para el Perfil 1. El porcentaje de materia orgánica decrece con la profundidad del suelo hasta llegar a valores considerados como muy pobres (Aguilar–Santelises 1988). Los menores porcentajes de C en el Perfil 1 podría deberse a que en el pasado éstos tuvieron un uso agrícola intenso y fueron abandonados debido a la degradación y, con el tiempo, esas áreas se convirtieron en bosques secundarios con lento crecimiento. Los suelos forestales (Perfil 2 y 4) y el suelo cultivado (Perfil 3) presentan un horizonte úmbrico debido al contenido de materia orgánica, el suelo del Perfil 3 se incorporó recientemente a la agricultura (hace 3 años).

Los resultados de pH coinciden con lo reportado por Porta et al. (1999). Lilienfein et al. (2000) y Brady & Weil (1999) quienes mencionan que las coníferas incrementan la acidez del suelo y, asociada con ésta, se alteran procesos edáficos, al aumentar la hidrólisis ácida, la lixiviación de cationes básicos y la actividad fúngica, y disminuir la nitrificación.

Los suelos con altos contenidos de materia orgánica pueden tener a la vez una mayor CIC y pH's bajos, debido a que la materia orgánica contiene una gran cantidad de grupos carboxilos (R–COOH) lo cual resulta de una alta densidad de sitios ionizados y la liberación de H⁺ y por consecuencia pH's ácidos (Johnson 2002). Zapata (2004) menciona que la acidez incide directamente en la fertilidad de los suelos, ocasionando un cambio en la solubilidad de los elementos nutrimentales para las plantas y afectando de este modo la producción agrícola y forestal. El ΔpH varió de –0.77 a –1.80 lo que indica que los suelos estudiados presentan carga negativa neta permanente (Uehara & Gillman 1981).

El mayor porcentaje de bases en el Perfil 1 se debe posiblemente al tipo de vegetación presente (Quercus spp) ya que el proceso de descomposición de las hojas de los árboles caducifolios causada por lombrices, bacterias y las condiciones climáticas, por lo general es mas rápida y puede efectuarse en el curso de un año a diferencia de las coníferas que tardan de siete a diez años (Fitzpatrick 1978), liberándose los compuestos minerales de la materia orgánica, acumulándose en los horizontes superficiales.

La capacidad de intercambio catiónico en general se puede considerar alta (promedio de 30 cmol⁺kg^–1), lo que se atribuye, en gran parte, a la presencia de sesquióxidos (Johnson 2002), al contenido de materia orgánica y a cantidad y naturaleza de las arcillas (Dixon 2000). Takahashi et al. (2001) mencionan que al presentarse un desorden en la estructura cristalina de la haloisita, puede ser responsable de una mayor área superficial y de la capacidad de intercambio catiónico. Johnson et al. (2000) reportan que en suelos forestales de Nueva Inglaterra y del noreste de USA (Johnson 2002) la materia orgánica es la fuente predominante de sitios de intercambio, lo que muestra el alto grado de transformación y evolución de la materia orgánica de esos suelos.

Meyer & Arp (1994) reportan que en suelos forestales ácidos, al determinar la capacidad de intercambio catiónico con NH₄OAc 1N (pH 7.0) tiende a sobrevalorar los resultados, situación que prevaleció en el presente trabajo debido a la presencia de coloides orgánicos e inorgánicos con carga variable. Li et al. (1998) concluyen que la capacidad de intercambio catiónico de suelos forestales de Taiwán es influenciada primeramente por la cantidad de materia orgánica, los minerales de rango corto y los contenidos de arcilla en el suelo. La fertilidad potencial de los suelos estudiados es moderada, debido principalmente a la limitada presencia de cationes básicos intercambiables.

La relación molar de los óxidos lábiles SiO₂/Al₂O₃ y SiO₂/Fe₂O₃ muestra la desilificación que se presenta en el perfil de intemperismo. La relación SiO₂/Al₂O₃ en el Perfil 1 es significativa desde el punto de vista de alteración, solo en los primeros 50 cm, donde las relaciones oscilan de 1.33 – 2.95 y manifiestan procesos de transformación a minerales 1:1, se corrobora con la relación SiO₂/Fe₂O₃ donde inciden de forma directa los factores pedogenéticos como el clima y el material parental de la región. Por debajo de esta profundidad se tienen valores altos que sugieren una alteración relativa de los minerales primarios (Tabla 4).

En los horizontes superficiales de los cuatro perfiles, la cantidad determinada de SiO₂ fue elevada en comparación con el Al₂O₃y Fe₂O₃(sólo perfil 1) además de trazas de óxidos de Ti, K, Na, Ca, Mg y Mn, los últimos atribuibles a la alteración de materiales ferromagnesianos y feldespatos (Elsass et al. 2000). Las relaciones molares SiO₂/Al₂O₃ y SiO₂/Fe₂O₃(no se reportan) en todos los perfiles se manifiestan valores bajos, lo que representa un nivel de intemperización alta. La relación SiO₂/Al₂O₃+Fe₂O₃ con cocientes bajos, apoyan lo anterior. Tan & Troth (1982) reportan que al disminuir la relación SiO₂/Al₂O₃+Fe₂O₃ y SiO₂/Al₂O₃ con la profundidad en el perfil, indica la traslocación de Al y Fe junto con la translocación de arcilla.

Dixon (2000) reportó que la caolinita es un material ubicuo y es especialmente abundante en suelos ácidos. La extracción de sílice (desilificación) de los minerales primarios y secundarios fue promovida por la acidez del suelo y también de la edad del suelo. La caolinita es el resultado de la desilificación de los minerales primarios, por lo que su presencia puede atribuirse al bajo pH del suelo. El hierro como goethita (óxido de hierro cristalino), su presencia depende de una buena aireación, una temperatura y humedad que varían con las estaciones del año, además de un alto potencial redox en el suelo (Acevedo–Sandoval et al. 2004; Smith 1994).

La acidificación del suelo es un proceso espontáneo que se da durante la pedogénesis, durante ella ocurre una continua intemperización química, la cual consiste en una pérdida de cationes alcalinos y alcalinoterreos (K⁺, Na⁺, Ca⁺², Mg⁺²) e incremento concomitante de cationes metálicos (Al⁺³, Fe⁺³, Mn⁺⁴) que pueden sufrir hidrólisis ácida (Zapata 2004).

En la génesis de estos suelos han jugado un papel importante los siguientes factores: 1) la geología de la región dada por rocas basálticas, 2) las condiciones climáticas que promueven el lavado de bases y el drenaje del perfil 3) formación de horizontes de iluviación con altos contenidos de arcilla y revestimientos arcillosos, óxidos de hierro, y reducción de la porosidad con la profundidad, 4) elevados contenidos de materia orgánica en los horizontes superficiales y 5) la edad del suelo.

En el perfil 1, se presentaron procesos de eluviación que se expresan por una textura más gruesa en los horizontes superficiales; la materia orgánica también presenta un comportamiento similar, pero estas propiedades no son suficientes para caracterizarlos como horizontes álbicos.

De todo este estudio se puede concluir que los suelos se formaron a partir del intemperismo de rocas basálticas en clima húmedo por lo que los suelos son profundos, tienden a la acidez, son ricos en materia orgánica, elevada CIC, desbasificación, y un aumento en el contenido de arcilla en el subsuelo con respecto al horizonte suprayacente debido a los procesos pedogenéticos (especialmente por migración de arcillas) resultado de una compleja interacción del clima, el relieve, tipo de vegetación, contenido de materia orgánica, la dinámica del agua y la edad.

El material parental, la vegetación, la materia orgánica y el clima son los cuatro factores que influyen sobre la química y la mineralogía de los suelos ácidos.

Las pérdidas y ganancias de óxidos totales manifiestan la intemperización alta a que estuvieron sujetos estos suelos.

La secuencia de los óxidos lábiles que se presentan en los horizontes Bt es: Fe₂O₃ > Al₂O₃> SiO₂ lo que indica una etapa de intemperización avanzada de los minerales. La mineralogía de la fracción arcilla indica la presencia de caolinita y haloisita. Los suelos se clasificaron como Alisoles (IUSS Working Group WRB, 2006).

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al CONACyT (proyecto 53235, apoyo complementario a investigadores en proceso de consolidación) y a la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo el financiamiento otorgado para realizar la presente investigación (PII–UAEH–2004).

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