Intercambio catiónico en plantas

La sobrealimentación en las sociedades desarrolladas también ha llegado a la producción agraria. El el post de hoy tratamos sobre la capacidad de intercambio catiónico en plantas.

Por Víctor Bataller Gómez

Esta frase tan lapidaria es también muy real y es que el uso desmesurado de fertilizantes hidrosolubles de origen mineral ha dejado en nuestros suelos y en nuestros acuíferos una obesidad contaminante que se manifiesta en forma de bloqueos nutricionales y aguas potables que se han convertido en tóxicas.

 En el año 1850 los científicos Thomson y Way realizaron la siguiente experiencia: en un tubo abierto por arriba y por abajo, pero más estrecho en la abertura inferior introdujeron un suelo con arcillas. Luego le añadieron un purín (deyecciones líquidas de ganado) que tras pasar a través del suelo perdió su color amarillo para transformarse claramente en transparente. De esta forma querían demostrar que el suelo absorbía el amonio presente en el purín. Al pasar el sulfato amónico que está presente en el purín cerca de los coloides de arcilla el calcio es desplazado por el amonio pues tiene más “afinidad” por las cargas negativas de la arcilla que el calcio. De ésta forma el amonio queda adherido a las arcillas y el calcio se combina con el sulfato formando una sal soluble que se desplaza con el agua a las capas más profundas del suelo por efecto de la gravedad.

Iluminación en un cultivo indoor
Iluminación en un cultivo indoor

En la actualidad a este fenómeno se le conoce como capacidad de intercambio catiónico (en adelante CIC) aunque es más correcto definirla como capacidad de intercambio catiónico y aniónico, y es debida a que en el suelo existe una serie de cargas eléctricas que deben ser compensadas con iones de signo opuesto, por lo que el suelo los captura, pero en cualquier momento puede cambiarlos por otros.

La CIC nos va a dar de forma muy aproximada la fertilidad potencial del suelo, o lo que es lo mismo, lo fértil que puede llegar a ser nuestro suelo. Cuanto mayor sea la  CIC mayor será la fertilidad. Es un proceso reversible en donde entran a formar parte en condiciones normales principalmente cationes de calcio (Ca), magnesio (Mg) y potasio (K) y por medio del cual las plantas toman del suelo iones de la fase líquida (agua de riego) y de la fase sólida simultáneamente.

Los iones que intervienen en este proceso se denominan iones de cambio. Las arenas y los limos no tienen capacidad de intercambio catiónico ni capacidad de intercambio aniónico y es en los suelos con arcillas donde esta cualidad aumenta cuanto mayor sea el porcentaje de éstas y que aparecen asociadas al resto de componentes del suelo formando sus agregados junto con material orgánico denominado complejo arcillo-húmico.

En los suelos, las cargas más frecuentes son las negativas y deben estar compensadas por cargas positivas. Los mecanismos de intercambio catiónico en el suelo se rigen por varios fundamentos que pasamos a tratar en profundidad.

Cultivo de cáñamo industrial

Ley de acción de masas

Hay un equilibrio entre la parte sólida y la fracción líquida del suelo y cuando ese equilibrio se rompe tiende a desplazarse en el sentido de restablecerlo. Esto quiere decir que los cationes principalmente se desplazan desde donde hay más concentración hacia donde hay menos y eso supone tener en consideración varios aspectos.

Un suelo bien fertilizado tiene la ventaja de suponer una despensa de minerales constante para la planta siempre y cuando tenga un complejo arcillo-húmico lo suficientemente consistente para captar y retener todos esos cationes. En suelos poco ricos en arcillas, la materia orgánica pasa a remplazarla siendo entonces el soporte necesario para la capacidad de intercambio catiónico en plantas. Si las cargas negativas están todas ocupadas por cationes fuertemente electropositivos como el calcio, el resto de minerales no van a ser captados y se van a perder a las partes más profundas del suelo arrastrados por el agua gravitacional. Esto genera consecuencias fatales si aplicamos fertilizantes en un suelo ya rico en nutrientes como puede ser la contaminación de acuíferos por nitritos.

Uno de los principales contaminantes del suelo a partir del exceso en la fertilización son los nitratos, muy solubles en agua y que si no son retenidos por el suelo pasan a los acuíferos. Es el causante de una enfermedad que aparece en edad infantil llamada metahemoglobinemia, también conocida como “enfermedad del niño azul”. También se ha demostrado que ingestas abundantes y prolongadas en el tiempo de altas concentraciones de nitratos en el agua de consumo provoca aborto espontáneo (Nolan B., 1999) o cáncer (Sasson et. al., 1993). La aportaciones de nutrientes al suelo son sometidas a un control muy férreo en zonas con acuíferos abundantes como el Delta del Ebro, donde las aportaciones de fertilizantes e incluso de materia orgánica están supeditadas a la autorización ineludible de las autoridades medioambientales con el fin de que no se superen el límite de 11,3 mg/L de agua y que viene establecido por la CEE desde 1996.

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Otra de las consecuencias en las prácticas agronómicas de la “ley de acción de masas” es el riego excesivo. Si optamos por reducir las fertilizaciones y aplicamos simplemente agua, los cationes del suelo pasarán a la solución líquida. Como es lógico, una parte importante será absorbida por las raíces de las plantas pero si los riegos son muy abundantes la pérdida de cationes podría ser muy significativa. Una de las consecuencias más evidentes es la pérdida de fósforo, un elemento muy poco móvil que si no queda retenido por el suelo la planta es incapaz de tomarlo.

Todo esto nos lleva a que las aportaciones de nutrientes por vía radicular deben realizarse a dosis relativamente bajas repartidas en todos los riegos, y los riegos deben ser cortos y frecuentes. En épocas de estrés hídrico se recomienda incluso dar varios riegos al día durante cortos periodos de tiempo y con la dosis necesaria de nutrientes repartida de forma equitativa. De esta manera controlaremos las necesidades de la planta sin causarnos ningún perjuicio por ello.

Ecuación de Kerr

Los iones son átomos o grupo de átomos con carga eléctrica. Según el número de cargas los iones pueden ser monovalentes (una sola carga), divalentes (dos cargas) o trivalentes (tres cargas). En general, los divalentes y trivalentes se denominan heterovalentes. Si el ion tiene carga negativa es un anión y si tiene carga positiva es un catión.

Aniones monovalentes serían por ejemplo el Cl (anión cloruro), Br (anión bromuro), Na+ (catión sodio) o K+ (catión potasio). Divalentes son el S-2 (anión sulfuro), Mg+2 (catión magnesio) o el Ca+2 (catión calcio). Ejemplos de trivalentes son el PO4 -3 (anión fosfato) y el Al+3 (catión aluminio).

La ecuación de Kerr viene expresada en la siguiente fórmula:

α i               Ci

             ___    =  k  ____

α j                Cj

Donde α i y α j son las fases sólida y líquida del suelo y K es el coeficiente de selectividad de manera que para K igual a 1 entonces i y j son absorbidas con idéntica facilidad, mientras que para K < 1 o K > 1 la preferencia va hacia uno de ellos.

Lo que esto viene a decir a grandes rasgos es que la preferencia de los minerales hacia las cargas negativas de la arcilla para los monovalentes va en este sentido:

            Alcalinos: Cs > Rb > K = NH4 > N > Li

            Alcalinoterreos: Ba > Sb > Ca > Mg

Asimismo, el suelo capta con mayor facilidad los cationes heterovalentes que los monovalentes. Por otro lado, dentro de la misma valencia se absorberá aquellos cuyo radio hidratado sea menor, por ejemplo, si el radio hidratado del sodio (Na) es 0’76 nm y el del calcio (Ca) es 0’56 nm, la afinidad será mayor hacia el Ca que con respecto al Na.   

De esta forma se establece la serie diotrófica, donde se muestra qué cationes son los que quedan retenidos con mayor facilidad al suelo y cuales quedan menos retenidos.

Al > Ca > Mg > K = NH 4 > Na

Cuando el intercambio se realiza entre un monovalente y un disolvente como el agua la ecuación de Kerr es la siguiente:

 

α i               Ci

 ___    =  F  ____

α j                Cj

En ella se explica la denominada “doble capa eléctrica”: los iones que están en el suelo están compensados por capas positivas y a medida que vamos alejándonos los cationes contactan con los aniones formando una capa difusa de cargas. De ésta manera se crea un movimiento frenético de cationes y aniones que permiten que gran parte de los nutrientes queden retenidos en el suelo y a su vez se puedan intercambiar con la planta.

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Intercambio catiónico en plantas: Ecuación de Gapon

Con esta ecuación se pretende saber la concentración de cationes heterovalentes y cationes monovalentes retenidos en el suelo según su concentración en la solución  del suelo. Se utiliza para explicar el intercambio monovalente – heterovalente y sirve tanto para suelos salinos como para suelos alcalinos.

α i                   Ci

___   =  KG  ____

α j                   Cj

En el caso de intercambio Na – Ca la KG es aproximadamente de 0’5, lo cual supone que para que los cationes de Na desplacen a los cationes de Ca de las cargas negativas de las arcillas su concentración debe ser de más del doble, lo cual se explica porque el radio hidratado del calcio (4,12) es menor que el del Na.

α Na                   CNa

____    =  0’5    ____

α Ca                   CCa

La capacidad de intercambio catiónico se va a determinar mediante el número total de milequivalentes que van a reemplazar todos los cationes de cambio que se puedan en el suelo.

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El radio hidratado podríamos definirlo como la distancia que existe entre el núcleo del átomo y él último orbital de electrones de un átomo en un medio de disolución acuosa. El núcleo está formado por partículas subatómicas positivas (protones) y partículas sin carga pero con masa (neutrones). Por lo tanto es la parte positiva que mantiene orbitando en torno a él, a los electrones de carga negativa en sus orbitales. Cuantos más orbitales posea, mayor es la distancia entre el núcleo del átomo y su periferia, por lo que la carga positiva se difuminaría más y no generaría una unión tan estable como la de otros átomos más pequeños y con menos orbitales.

Factores que influyen en la capacidad de intercambio catiónico en plantas

El agua en el suelo

Como hemos visto el orden en la serie diotrófica sería:

Al > Ca > Mg > K = NH 4 > Na

Los cationes absorbidos por el suelo van a estar en equilibrio con los que están en solución, equilibrio que se puede romper por la lluvia o los riegos dado que los cationes pasarían la fase líquida según viene expresado en la “ley de acción de masas”.

Va a ser importante la capacidad de saturación del suelo y la naturaleza de los cationes absorbidos. Cuando tenemos el complejo coloidal saturado con determinados cationes, unos van a ser más absorbido con respecto al resto, por ejemplo: el calcio sería absorbido en un 80 % y el 20 % restante se lo repartiría el K, Mg y Na.

Temperatura

Con temperaturas altas en el suelo su capacidad de campo baja y por lo tanto el poder de absorción disminuye, por lo que el equilibrio se desplaza hacia la fase externa.

Constituyentes físicos del suelo

La capacidad de intercambio en el suelo está influenciada por los constituyentes sólidos del suelo. Como ya hemos visto, depende del porcentaje de arcillas ya que son las únicas que disponen de las cargas negativas necesarias para retener los cationes minerales.

Por otro lado, la presencia de arcillas en elevadas proporciones crea una estructura carente de espacios libres para la circulación del agua y del aire. Los limos y arenas, así como la formación de agregados con la intervención de materia orgánica, permiten la circulación de agua por el suelo y garantiza la CIC.

La CIC varía entre los 3 meq/100g para arcillas del tipo de la kaolinita hasta los 200 meq/100g para vermiculita, pasando por los 120 meq/100g para montmorillonita. La materia orgánica posee una CIC (capacidad de intercambio catiónico) de 200-400 meq/100g.

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El pH del suelo

Entre los diversos cationes fijados por el complejo adsorbente está el H+. La acidez y reacción del suelo viene determinada en su mayor parte por la cantidad de cationes hidrógeno fijados en relación con los demás iones. Normalmente el pH de los suelos varía entre 5,5 y 8,5, siendo el pH óptimo para la mayoría de cultivos entre 6 y 7,5. Los dos factores naturales que más influyen en el pH del suelo son la naturaleza de la roca madre y el clima de la región. Las temperaturas bajas y una pluviometría abundante propician suelos ácidos. La vegetación también influye en la acidez del suelo, aunque su efecto está condicionado por los factores mencionados, ya que determinan el tipo de flora presente.

Puesto que el equilibrio H+/Ca++ es determinante para el pH del suelo, si se dan pérdidas de calcio generalmente habrá una acidificación. Estas pérdidas ocurren debido al arrastre por el agua y por las extracciones de las cosechas.  Los cationes que frecuentemente ocupan las cargas negativas en los suelos son  el Ca+2, Mg+2, K+, Na+, H+, Al+3, Fe+3, Fe+2, NH4+, Mn+2, Cu+2 y Zn+2. En los suelo ácidos predominan H+ y Al+3, en los suelos alcalinos predominan las bases, fundamentalmente el Na+ y en los neutros el Ca+2.

Acerca del autor

Muchos años luchando en la sombra para que el cannabis florezca al sol.