PROPIETATS FÍSIQUES: ESTRUCTURA, POROSITAT I CONSISTÈNCIA

Tema 2 edafologia

Què és l’estructura del sòl?

l'ordenació relativa dels seus components (partícules minerals, matèria orgànica, aigua i aire), la qual es manifesta de manera jeràrquica a diferents escales espacials.

Aquesta organització determina la porositat, la circulació de fluids i la resistència mecànica del terreny.

Els tres nivells principals d'organització

• Escala Macroscòpica: és poden observar a simple vista

• Escala Microscòpica: aquí es troben els micoragregats, estructures visibles amb microscòpis

• Escala Submicroscòpica: nivell elemental, predominen els dominis d’argila. Requereix l'ús de microscòpia electrònica per visualitzar com les làmines d'argila s'orienten i s'uneixen a nivell molecular i químic

L’organització de les partícules en agregats influeix directament en diversos processos com:

• Capacitat d'infiltració i moviment de l'aigua

• Relacions aigua-aire: aigua en els microporus i aire en els macro

• Penetració de les arrels

• Hàbitat de microorganismes

• Pràctiques de conreu

• Erosionabilitat: l'estabilitat dels agregats (lligams forts) protegeix el sòl davant l'acció erosiva del vent i la pluja

Tipologies estructurals i la seva influència en el flux

• Estructura Granular o Migjornenca

• Estructura Prismàtica i Columnar

• Estructura en Blocs (Angular o Subangular)

• Estructura Laminar (Platy)

• Estructures Sense Agregació

Estructura Granular o Migjornenca

Com són els agregats? Són petits, tous, arrodonits i no encaixen a la perfecció els uns amb els altres.

Com es mou l'aigua? L'aigua es mou de manera ràpida, constant i uniforme cap avall (flux vertical). Com que hi ha tants "macroporus" (forats grans) connectats entre si, l'aigua llisca fàcilment sense trobar obstacles.

Per què és la ideal per pagès? Perquè té l'equilibri perfecte: l'aigua que sobra drena de ràpressa (el sòl no s'ofega), queda aire perquè respirin les arrels, però els agregats retenen la humitat justa que la planta necessita.

Estructura Prismàtica i Columnar

Com són els agregats? Són blocs alts, verticals i lineals, amb cares ben definides que estan molt enganxades les unes amb les altres

Com es mou l'aigua? L'aigua no pot travessar el mig del bloc perquè és massa compacte. Per tant, l'aigua es veu obligada a baixar únicament per les esquerdes que queden entre columna i columna.

Si el sòl està molt sec, aquestes esquerdes s'eixamplen, permetent una entrada d'aigua molt ràpida inicialment, que es redueix quan les argiles s'inflen (absorbeixen aigua).

Estructura en Blocs

(Com si fossin daus)

Com es mou l'aigua? L'aigua no pot baixar en línia recta. Com que els blocs encaixen bastant bé, el líquid s'ha de colar per les petites esquerdes i anar vorejant les parets de cada bloc.

Quin efecte té? El camí de l'aigua és més lent i tortuós (fa ziga-zagues). Troba més resistència per baixar, però això té una avantatge: com que l'aigua passa més a poc a poc, té temps d'anar mullant ("humidificant") de manera homogènia cada bloc de terra.

Estructura Laminar (Platy)

Els agregats del sòl són plans i estan col·locats de forma horitzontal, els uns sobre els altres, com si fossin capes de fulls.

És la pitjor estructura pel moviment d’aigua, perquè les plaques horitzontals li tallen el pas. L'aigua es veu obligada a moure's cap als costats (lateralment) buscant el final de la làmina per poder caure a la següent capa.

Què provoca? Com que el camí és lentíssim, el sòl col·lapse ràpidament. L'aigua s'acumula provocant entollaments (basses) o comença a córrer de costat per la superfície del camp (escorrentia), emportant-se la terra bona.

Estructures Sense Agregació

Hi ha dos casos extrems on les partícules de la terra no s'uneixen per formar agregats. Són els dos pols oposats:

• De gra simple (Com la sorra de la platja): Cada gra de sorra està totalment solt i independent, no hi ha res que els enganxi. El flux és extremadament ràpid.

• Massiva (Com un bloc de ciment): tota la terra (normalment amb molta argila) està fosa en un sol bloc gegant, compacte i dur, sense cap mena de fissura ni esquerda. El flux és gairebé nul o extremadament lent.

FACTORS DE CONTROL DE L’ESTRUCTURACIÓ

• FACTORS ABIÒTICS

• FACTORS BIÒTICS

FACTORS ABIÒTICS

Composició Mineral i Química: els components químics que determinen si les partícules del sòl estaran ben enganxades o separades.

• Les argiles com a eix central (argiles expansives/no expansives)

• Cations intercanviables (Els ions elèctrics): les partícules d'argila tenen càrrega elèctrica i atrauen minerals (cations). Si domina el calci, aquest afavoreix l'agregació, mentre que un excés de sodi tendeix a desestructurar el sòl ja que fa que les partícules es separin i repelin (dispersió).

• Agents cementants: substàncies com el carbonat de calci i els òxids de ferro uneixen les partícules de llim i sorra de manera permanent i resistent.

Dinàmica Climàtica i Física:

• Règim de precipitacions (La força de la pluja): L'impacte cinètic de les gotes pot trencar els agregats superficials, mentre que el volum d'aigua infiltrada condiciona el transport de col·loides.

• Cicles d'humectació i dessecació: l'alternança entre períodes secs i humits provoca canvis de volum (expansió i contracció). Aquests moviments interns generen plans de trencament que ajuden a definir la forma i mida dels agregats.

• Cicles de gel i desgel: en climes freds, la congelació de l'aigua a l'interior dels porus genera pressions mecàniques potents. Aquesta expansió del gel pot fragmentar masses compactes de sòl, creant noves estructures granulars

FACTORS BIÒTICS

Factors Naturals:

• la matèria organica: la matèria orgànica en descomposició genera col·loides que s'uneixen a les argiles per formar el complex argilo-húmic, la base de l'estabilitat del sòl.

• Activitat biològica (Polisacàrids): els microorganismes (bacteris i fongs) segreguen substàncies enganxoses, com polisacàrids, que actuen com a coles biològiques que uneixen les partícules individuals en petits agregats.

• Bioturbació: els animals del sòl, en excavar galeries, barregen els components del sòl i milloren l'aireació i el drenatge, creant una estructura molt més oberta i permeable.

Factors Antròpics:

• Aport de matèria orgànica: l'aplicació de fems, compost o restes de conreu ajuda a restaurar els nivells de carboni i millora la cohesió del terreny.

• Drenatge: la instal·lació de sistemes de drenatge evita l'excés d'aigua persistent (prevé la degradació de l’estructura per falta d’oxigen)

• Conreu mínim (barrejar la terra abans de sembrar): reduir la intensitat del llaurat ajuda a preservar les galeries biològiques i els agregats naturals, recuperar la porositat natural. Procés lent.

• Reg: una gestió adequada de l'aigua de reg manté els cicles d'humectació necessaris per a l'activitat biològic

PROCÉS D’ESTRUCTURACIÓ DEL SÒL

El procés d'estructuració d'un sòl comença a nivell microscòpic amb el comportament de les partícules més fines: les argiles.

Aquestes partícules experimenten diferents estats d'organització segons les condicions químiques del medi, passant d'un caos individual a una estructura funcional.

Sistema dispers —> sistema agregat i dispers —> sistema agregat i floculat

Sistema Dispers (Argila Desfloculada)

En aquest estat inicial, les partícules d'argila es troben individualitzades i separades unes de les altres.

No hi ha cap tipus d'unió entre elles, Sistema Agregat i Dispers (Argila Floculada):a causa de forces de repulsió electrostàtica (com passa en sòls amb un alt contingut de sodi). Un sòl en aquest estat no té estructura: els porus queden obstruïts per les partícules soltes, cosa que impedeix el pas de l'aigua i l'aire, i el fa extremadament inestable.

Sistema Agregat i Dispers

Quan les condicions químiques canvien (per exemple, per la presència de cations com el calci), les càrregues negatives de les argiles es neutralitzen i les partícules comencen a atraure's.

En aquesta fase, les làmines d'argila s'agrupen de forma paral·lela creant dominis. Tot i que ja hi ha una certa unió interna en aquests grups, els dominis encara estan separats entre si, funcionant com a petites unitats independents dins d'una matriu encara dispersa.

Sistema Agregat i Floculat

Aquest és l'estat òptim per a la formació de l'estructura del sòl.

Els dominis d'argila no només estan formats, sinó que ara s'uneixen entre ells de forma desordenada. Aquesta xarxa tridimensional estable crea un esquelet sòlid que deixa espais buits entremig, donant lloc a la macroporositat necessària per a la vida del sòl i el moviment de fluids.

Domini Floculat

Quan el calci és el catió dominant es produeix l'agregació.

El calci és un catió divalent amb un radi hidratat petit. Això li permet apropar-se molt a les superfícies de l'argila i "estrényer" les làmines entre si. La seva doble càrrega positiva actua com un imant que neutralitza les repulsions negatives naturals de les argiles, mantenint-les unides en paquets estables anomenats dominis.

Aquest estat és el fonament d'una bona estructura física, ja que permet que aquests dominis s'agrupin després en estructures més grans.

Domini Dispers

Quan el sodi apareix de forma dominant a la part externa del paquet de làmines, es produeix la dispersió.

El sodi és un catió monovalent amb un radi hidratat molt gran. Això genera un "núvol" d'hidratació voluminós al voltant de les partícules que impedeix que aquestes es puguin apropar prou per unir-se.

La seva càrrega única no és capaç de vèncer les forces de repulsió electrostàtica amb la mateixa eficàcia que el calci. Com a resultat, les làmines es separen i s'individualitzen.

Un domini dispers és sinònim d'un sòl sense estructura.

Nivells de la Jerarquia Estructural:

• Dominis d'argila i col·loides (2 µm - 0,2 µm)

• Sub-microagregats i matèria humificada (20 µm - 2 µm)

• Microagregats (200 µm - 20 µm)

• Macroagregats (més de 2000 μm – 200 µm)

DOMINIS D’ARGILA I COL.LOIDES

• Mida: Entre 2 i 0,2

• Com es formen? és el procés de floculació.

• La "cola" d'aquest nivell: Les forces elèctriques (enllaços electrostàtics) fan que les làmines d'argila s’apropin ja que s’atreuen. Altres elements com els òxids, aluminosilicats amorfs o petits trossos de matèria orgànica enganxats a les parets actuen com un pegament molecular (enganxen les lamines d’argila).

SUB-MICROAGREGATS I MATÈRIA HUMIFICADA

• Mida: Entre 2 i 20 µm

• Com es formen? Els paquets d'argila que s'han ajuntat al nivell anterior ara comencen a barrejar-se amb les partícules de llim (que són una mica més grans que l'argila) i amb humus.

• La "cola" d'aquest nivell: Les restes de microbis morts i el material húmic fan de ciment natural.

MICROAGREGATS

• Mida: Entre 200 i 20

• Com es formen? a partir de la unió de partícules minerals i restes orgàniques.

• Agents d’unió: els detritus d'origen vegetal i fúngic (restes).

En aquest nivell, l'activitat bacteriana comença a ser clau, ja que els microorganismes queden sovint encapsulats dins d'aquestes estructures

MACROAGREGATS

• Mida: Més de 200 fins a un parell de mil·límetres

• Com es formen? Són les unitats més grans i es creen gràcies a l'acció mecànica i biològica. Les arrels de les plantes i els fils dels fongs (anomenats hifes) funcionen literalment com una xarxa que lliga físicament els microagregats.

• Per què són vitals? Són els responsables dels porus més grans (macroporositat). Si el teu sòl té molts macroagregats, l'aigua pluvial s'infiltrarà ràpidament i les arrels respiraran millor.

Què és la porositat del sòl i com es calcula?

La porositat és la proporció del volum total del sòl que no està ocupada per partícules sòlides (minerals o matèria orgànica). S'expressa en percentatge i representa l'espai buit on poden allotjar-se els fluids.

Quines són les tres fases o components que conviuen dins del volum d'un sòl?

• Fase Sòlida: L'esquelet de minerals i matèria orgànica (determina els buits).

• Fase Líquida: L'aigua i els nutrients dissolts que ocupen els porus.

• Fase Gasosa: L'aire que ocupa l'espai on no hi ha aigua.

Com és la relació entre l'aire i l'aigua en l'espai porós del sòl?

L'equilibri entre l'aire i l'aigua és inversament proporcional: quan un augmenta, l'altre disminueix.

Com és un sòl en condicions ideals respecte a l'aigua i l'aire?

Presenta un equilibri del 50/50 en l'espai porós:

• 50% Aigua: Garanteix la hidratació de la planta.

• 50% Aire: Garanteix l'oxigenació de les arrels.

Què caracteritza un sòl saturat i quin perill té per a les plantes?

• Què passa: Tots els porus estan plens d'aigua i l'aire ha estat desplaçat gairebé per complet.

• Perill: Si es manté en el temps, provoca asfíxia radicular (les arrels s'ofeguen per falta d'oxigen).

Com es troba l'aigua en un sòl sec?

• La major part dels porus estan plens d'aire.

• L'aigua queda reduïda a una fina pel·lícula (capa) enganxada al voltant de les partícules sòlides.

• Efecte: Aquesta aigua està tan retinguda que sovint és inaccessible per a les plantes (no la poden absorbir).

Com es classifiquen els porus del sòl segons la seva forma (morfologia)?

• Vesícules: porus arrodonits i tancats (bombolles de gas atrapades).

• Bioporus: conductes tubulars creats per l'activitat biològica (galeries de cucs o camins d’arrels velles).

• Planars (fissures): espais allargats i plans que apareixen per la retracció de les argiles durant la dessecació.

• Empaquetament: Espais irregulars que queden solts entre grans de sorra/llim o terrossos.

Com es classifiquen els porus del sòl segons la conexió

• Porositat connectada: Porus enllaçats entre si. Sí permeten el pas continu de l'aigua i l'aire (conductivitat hidràulica).

• Porositat aïllada: Buits tancats i solts. Poden guardar líquid o gas, però no ajuden al flux general del sòl.

Com es classifiquen els porus del sòl segons la relació amb l'estructura

• Buits INTERagregats: Espais grans ENTRE diferents agregats. Són per al drenatge ràpid de l'aigua.

• Buits INTRAagregats: Porus diminuts A DINS d'un mateix agregat. Són els que retenen l'aigua a llarg termini per a les plantes

Com es divideix la porositat segons la mida dels porus?

• Macroporositat (ø > 10 µm): Porus grans. L'aigua es mou per gravetat. Essencials per a l'aireació i el pas ràpid.

• Microporositat (ø < 10 µm): Porus petits. L'aigua es queda atrapada contra la gravetat per forces de capil·laritat. Són la reserva d'humitat per a les plantes.

Què és el mètode del cilindre per a mesurar la porositat i quan s'utilitza?

• Quan s'utilitza: En sòls sense gaire pedres.

• Procediment: S'introdueix un cilindre metàl·lic de volum exacte per treure una mostra de sòl intacta (sense compactar-la).

• Càlcul: Al laboratori s'asseca i es pesa la mostra. Amb el volum i el pes sec es calcula la densitat aparent, que serveix per deduir la porositat (% de buits).

Què és el mètode del forat per a mesurar la porositat i quin avantatge té?

• Quan s'utilitza: En sòls molt durs o amb moltes graves/pedres (on no es pot clavar un cilindre).

• Procediment: S'excava un forat i es guarda tota la terra per pesar-la. Per saber el volum del forat irregular, s'omple amb sorra calibrada (de densitat coneguda) o amb aigua dins d'una bossa de plàstic.

• Avantatge: Permet agafar mostres més grans i representa millor la realitat de sòls heterogenis.

Quina diferència hi ha entre la densitat real (ρs) i la densitat aparent (ρb o dap) del sòl?

• Densitat real: És el pes de les partícules sòlides sense comptar els porus. És gairebé constant, es pren com a referència 2,65 Mg/m³ (la densitat del quars).

• Densitat aparent: És el pes del sòl tal com està a la natura, és a dir, incloent-hi els buits (porus). És molt variable(normalment entre 1,2 i 1,5 Mg/m³)) i depèn directament de l'estructura, el grau de compactació i la quantitat de matèria orgànica.

Quina és la fórmula per calcular la porositat del sòl a partir de les seves densitats?

Com es calcula la porositat en unitats de longitud (mm) i per què s'ha de corregir si hi ha pedres?

Per què es corregeix: Perquè les pedres són massives i no tenen porositat interna útil (no guarden aigua).

porositat segons el tipus de sòl

Què és la consistència del sòl i quins dos factors la condicionen?

Què és: És una propietat mecànica que defineix la capacitat del sòl per resistir forces de deformació o de ruptura quan el manipulem de forma física.

Factors que la condicionen:

1. El tipus d'argila: La seva mineralogia determina la força de les unions.

2. L'estat d'humitat: L'aigua canvia radicalment el comportament del sòl, fent que passi de ser dur a plàstic o líquid.

Quines són les 5 manifestacions de la consistència del sòl?

• Compacitat: El grau de densitat i empaquetament de les partícules.

• Plasticitat: Capacitat de canviar de forma (per una força) i mantenir-la sense trencar-se.

• Adhesivitat: Tendència a enganxar-se a objectes externs (eines de conreu).

• Friabilitat: Facilitat amb què el sòl s'esmicola en terrossos més petits en aplicar-hi pressió (l'estat ideal pel pagès).

• Duresa: Resistència que oposa el sòl a ser penetrat o excavat.

Com afecta la consistència a les feines del camp (Dificultat per llaurar i Traficabilitat)

• Dificultat per llaurar: si el sòl està massa dur, exigeix un esforç mecànic enorme. Si està massa plàstic, l'arada el pasta i el fa malbé.

• Traficabilitat: és la capacitat de suportar el pas de tractors i vehicles sense compactar-se. Si la consistència és dolenta (massa tova/humida), la maquinària s'enfonsa.

Quines conseqüències té una consistència massa elevada per a l'aigua i les arrels?

• Penetració de l'aigua: Si el sòl és molt dur, l'aigua no s'infiltra, augmentant l'escorrentia superficial (l'aigua marxa de llarg) i el risc d'erosió.

• Penetració de les arrels: Una consistència excessiva és una barrera física. Com que les arrels busquen el camí fàcil, si està dur, no creixen i la planta es debilita.

• Volum de sòl explorable: Encara que el sòl sigui molt profund, si està massa dur, les arrels no hi entren. Això redueix dràsticament l'espai real d'on la planta pot treure aigua i nutrients.

Què és la compactació del sòl?

• Definició: És un procés de degradació física on augmenta la densitat aparent d'un horitzó a causa de pressions externes (passar amb tractors pesants o el trepig continu dels animals).

• Conseqüència principal: Provoca una reducció dràstica de la porositat (les partícules són forçades a empaquetar-se).

Com canvia l'espai porós d'un sòl quan es compacta?

• Menys volum de buits: Disminueix el volum total d'aire i aigua que el sòl pot emmagatzemar.

• Pèrdua de macroporus: Es perden sobretot els porus grans (> 10). Com que aquests eren els encarregats del drenatge ràpid i de l'aireació, el sòl perd la capacitat de "respirar".

Quins tres efectes té la compactació en el creixement de les plantes?

• Desenvolupament radicular impedit: Les arrels troben una resistència mecànica brutal, creixen de forma superficial, tortuosa (amb formes rares) o queden atrapades a les poques esquerdes que hi ha.

• Formació de crostes: Es crea una capa superficial dura que impedeix que les noves plàntules surtin a la superfície i frena la infiltració de l'aigua.

• Estructures massives: El sòl perd els terrossos fins i es converteix en blocs gegants, compactes i densos que dificulten l'intercanvi de nutrients.

Què són el segellat i l'encrostament i on afecten?

• Què són: Són processos de degradació física que afecten exclusivament la capa més externa del sòl (la superfície).

• Efecte principal: Alteren dràsticament la interacció del sòl amb l'atmosfera (aire) i l'aigua. Es divideix en dues etapes segons la humitat.

Com es forma el segell superficial (estat humit) i quines conseqüències té?

• Com es forma: L'impacte de les gotes de pluja destrueix els agregats de la superfície i dispersa les partícules fines (argiles i llims).

• Què provoca: Les partícules soltes taponen els porus, creant una capa molt fina (uns mm) de densitat aparent alta i baixa porositat connectada.

• Conseqüència: La infiltració de l'aigua disminueix dràsticament, provocant escorrentia (l'aigua corre per sobre) i erosió.

Què és la crosta superficial (estat sec) i quin perill té per als cultius?

• Com es forma: quan el segell superficial s'asseca, es produeix un procés de cimentació i retracció que dona lloc a una crosta.

• Perill: Actua com una barrera mecànica gairebé impenetrable. Dificulta l'emergència de les plàntules.

Què és la tixotropia del sòl i quina és la seva característica principal?

Què és: Una propietat física reversible de certs materials humits (especialment aquells amb molta argila fina o col·loides) on el sòl canvia d'estat a causa del moviment o la pressió.

Característica principal: El sòl passa d'estar rígid a fluid de forma gairebé instantània, sense afegir-hi més aigua.

Què desencadena la tixotropia i per què es diu que és un procés reversible?

• Causa desencadenant: L'aplicació d'una pressió, vibració o esforç mecànic que trenca l'equilibri de les partícules.

• Reversibilitat: Quan la pressió s'atura i el sòl es deixa en repòs, aquest recupera gradualment la seva rigidesa original perquè les partícules es tornen a orientar.

En quins sòls apareix la tixotropia i quin risc crític comporta?

• On apareix: En materials volcànics, algunes arenes, sòls molt llimosos o sòls on totes les partícules tenen el mateix diàmetre.

• Risc crític: Un sòl aparentment estable es pot liqüar (tornar líquid) sobtadament per la vibració d'una maquinària pesant o un terratrèmol. Al perdre la capacitat de suportar pes, provoca esllavissades de terra o la caiguda d'estructures.