Edafología y Climatología Forestal. Tema 7.- Los componentes del suelo

TEMA 7.- LOS COMPONENTES DEL SUELO INDICE 7.1. Introducción 7.2. La fracción mineral 7.2.1. Origen y mineralogía 7.2.2. Textura 7.3. La materia orgánica 7.3.1. Definición y ciclo de la materia orgánica 7.3.2. Componentes del humus 7.3.3. Calidad de la materia orgánica 7.3.4. Tipos de humus 7.3.5. Papel de la materia orgánica en el suelo 7.4. Los complejos organo-minerales 7.4.1. Tipos de complejos 7.4.2. El estado coloidal 7.4.3. Capacidad de cambio y el complejo adsorbente 7.4.4. Estructura 7.5. El color del suelo 7.6. El aire en el suelo 7.6.1. La atmósfera edáfica 7.6.2. Oxidación y reducción 7.7. El agua en el suelo 7.7.1. Estado energético. Potencial hídrico 7.7.2. Tipos de agua en el suelo 7.7.3. Movimientos del agua 7.8. La solución del suelo 7.8.1. El pH 7.8.2. Transporte de sustancias: migraciones 7.1.- INTRODUCCIÓN Como resultado de la actuación de los factores formadores se desarrollan unos procesos de formación que conducen a la aparición de los suelos, los cuales están constituidos por tres fases: fase sólida, fase líquida y fase gaseosa (Figura 7.1).

Figura 7.1. Fases del suelo

Como consecuencia de estas tres fases el suelo presenta unas determinadas propiedades que dependen de la composición y constitución de sus componentes. La fase líquida constituye el medio ideal que facilita la reacción entre las tres fases, pero también se producen reacciones dentro de cada fase. Los minerales constituyen la base del armazón sólido que soporta al suelo (Figura 7.2.)

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Figura 7.2. Representación de las fases del suelo

La fase sólida representa la fase mas estable del suelo y por tanto es la más representativa y la más ampliamente estudiada. Es una fase muy heterogénea, formada por constituyentes inorgánicos y orgánicos. Los seres vivos son uno de los constituyentes más importantes del suelo y se estudiarán en el tema 8, ya que son uno de los factores importantes de formación del suelo 7.2.- LA FRACCIÓN MINERAL Cuantitativamente en un suelo normal la fracción mineral representa de un 45-49% del volumen del suelo. Dentro de la fase sólida constituye, para un suelo representativo, del orden del 90-99% (el 10-1% restante corresponde a la materia orgánica). 7.2.1. Origen y mineralogía La fracción mineral deriva principalmente del sustrato geológico por procesos de meteorización in situ. Sin embargo, en algunas ocasiones la fracción mineral del suelo no tiene como origen la roca madre subyacente: En algunos casos los materiales han sido transportados por un río y depositados dando lugar a depósitos aluviales Se pueden dar arrastres de material que proceden de zonas superiores de la ladera dando lugar a coluvios o depósitos coluviales La fracción mineral puede ser arrastrada por el viento dando lugar a depósitos eólicos. Corrientes de lava pueden ser el origen de depósitos volcánicos. Dependiendo de su estabilidad los minerales pueden proceder de tres orígenes: - Minerales heredados: son minerales muy estables que pasan de la roca al suelo sin transformarse. Se les conoce como minerales primarios. Típicamente el cuarzo. - Minerales de alteración: son minerales que se transforman durante la edafización. Es una alteración química en la cual el mineral primitivo pasa a otro secundario de una manera gradual y progresiva. Se les denomina minerales secundarios. Generalmente es posible establecer una secuencia de granos cada vez más alterados. Típicamente la transformación comienza en la superficie del grano y se va formando una recubierta de alteración que progresivamente va desplazándose hacia el interior del grano, llegando a invadirlo completamente. Muy frecuentemente el borde entre el mineral primitivo y el secundario está constituido por una zona de transición gradual entre ambos materiales. - Minerales de neoformación: cuando no existe (o si ha existido, no ha quedado ninguna prueba) relación genética entre un mineral edáfico y los minerales que

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existían en la roca. Como los del apartado anterior se les llama minerales secundarios, o edáficos. La existencia de los minerales en el suelo está regulada por su presencia en el material original y sobre todo por su estabilidad. La estabilidad se define como la resistencia que opone el mineral a toda modificación en su composición química o de su estructura cristalina. Por tanto a mayor estabilidad menor será la alteración. La estabilidad depende de numerosos factores. Unos son debidos al propio mineral pero también determinadas características del medio van a modificar sensiblemente la estabilidad de los minerales. Así en medios muy agresivos sólo vamos a poder encontrar presentes minerales muy estables, mientras que en otros suelos podremos encontrar minerales inestables. Los parámetros propios del mineral que van a regular su estabilidad son muchos: - Composición. Modificará la estabilidad en función de que el mineral contenga iones más o menos solubles y según se comporten frente a la oxidación y la hidrólisis. - Estructura. También va a ser un factor decisivo. Por ejemplo la estabilidad disminuirá cuanto más abierta sea la estructura y aumentara para los empaquetamientos densos y compactos. Por otra parte, resulta evidente que la fuerza del enlace entre las partículas del mineral también va a ser un factor importante. - Tamaño. Cuanto menor tamaño más superficie presentará el grano (la relación superficie/volumen crece) y más inestable se tornará el mineral (hay muchos minerales en las arenas que no resisten al pasar al tamaño de las arcillas). - Exfoliación y fragilidad. Recordemos que la exfoliación expresa la facilidad de fracturarse un mineral de un modo regular. Por tanto la exfoliación disminuye la estabilidad. Igual podemos decir para la fragilidad, que se refiere a la facilidad de fracturación pero ahora de una manera desordenada. - Inclusiones. Se considera que aumentan la inestabilidad al presentar superficies de contacto íntimo de dos materiales con diferentes composiciones. Los factores del medio que regulan la estabilidad son: - Temperatura del suelo. Favorece la velocidad de alteración (es un catalizador). - Humedad. El agua es el agente de alteración por excelencia en la Naturaleza. - Drenaje. Va a regular el tiempo de contacto del agua con partículas del suelo. También influirá regulando la concentración de las sales de la solución del suelo y modificará su poder hidrolítico. En medios impermeables el agua se satura de iones y deja de atacar a los minerales. Si el medio es permeable el agua de lluvia atravesará el suelo y una vez cargada de bases se eliminará al subsuelo. - Acidez/alcalinidad. Los valores extremos de la escala del pH potencian la alteración. - Aireación. Dependiendo del ambiente que predomine, oxidante o reductor, los minerales que contengan formas reducidas u oxidantes podrán o no alterarse. - Factor biótico. Los organismos (principalmente microorganismos y raíces de las plantas) atacan a los minerales para extraer nutrientes. En el suelo se encuentran una gran variedad de minerales, de manera similar a lo que ocurre con las rocas, si bien las posibilidades de existencia están reguladas por la estabilidad de los minerales en el medio edáfico. La estabilidad del mineral también va a ser la responsable de que la mineralogía de las fracciones gruesas (arenas) y la de las finas (arcillas) sea distinta. Las arenas representan una fracción muy estable (los granos de las arenas al ser de gran tamaño presentan poca superficie relativa frente a su volumen) y en ellas predominan los

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granos heredados, más o menos transformados. Las arcillas se caracterizan por su gran superficie (partículas de muy pequeño tamaño, casi toda ella es superficie), por ello son muy activas y están constituídas por minerales de neoformación y de alteración. La mineralogía de las arenas es muy diversa, según se resume en la Tabla 4.1. Abundancia

Grupo mineral

Especie mineral

Poca

Nesosilicatos

Circón, granates, distena

Escasa

Ciclosilicatos

Turmalina

Poca

Inosilicatos

Piroxenos y anfíboles

Abundantes

Filosilicatos

Micas y cloritas

Muy abundantes

Tectosilicatos

Feldespatos

Muy abundantes

Oxidos

Cuarzo

Media

Oxidos e hidróxidos

Hematites, goethita

Muy variable

Carbonatos, sulfatos

Calcita, yeso

Tabla 4.1. Mineralogía de las arenas.

En las zonas templadas y húmedas, la fracción arenosa está compuesta sobretodo por partículas de cuarzo, algunos granos de feldespato, mica y otros minerales raros como circonio, tourmalina y glouconita. Estos minerales pueden servir para determinar el origen del material y el proceso de meteorización sufrido. Es frecuente que los granos de cuarzo supongan el 90-95% de las partículas de arena y limo de los suelos procedentes de rocas sedimentarias. En suelos tropicales húmedos, los minerales primarios más alterables como feldespato y mica suelen faltar. Predomina el cuarzo y las arcillas mineralógicas secundarias (caolinita) junto con los hidróxidos de hierro y aluminio (arcilla granulométrica). La mineralogía de las arcillas está constituida fundamentalmente por filosilicatos, como se muestra en la Tabla 4.2. Abundancia

Grupo mineral

Especie mineral

Muy abundantes Filosilicatos

Ilita, moscovita y caolinita

Abundantes

Filosilicatos

Biotita, clorita y montmorillonita

Media

Filosilicatos

Vermiculita

Poca

Filosilicatos

Sepiolita y paligorsquita

Poca

Silicatos amorfos

Alófanas

Media

Oxidos

Cuarzo

Poca

Tectosilicatos

Feldespatos

Poca

Oxidos

Hematites y goethita

Poca

Carbonatos

Calcita

Poca

Sulfatos

Yeso

Poca

Haluros

Halita

Tabla 4.2. Mineralogía de las arcillas.

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La arcilla mineralógica es el componente más importante del suelo. Son pequeños partículas planas de mineral (< 2 micras) con una estructura cristalina plana de tetraedros de sílice (SiO4) y octaedros de aluminio o magnesio. Se distinguen tres grupos principales: caolinita, esmectita y micas hidratadas. Muchos de los minerales de arcilla proceden de la roca madre pero también pueden formarse por recristalización de otras sustancias. Por ejemplo, la caolinita puede formarse a partir de la solución del suelo rica en aluminio y sílice. Debido al reducido tamaño de las partículas de arcilla mineralógica, las fuerzas eléctricas de las moléculas provocan que una determinada carga sea predominante en la superficie. Esta peculiaridad, reducido tamaño y carga eléctrica superficial, confiere a estas partículas un estado coloidal, que se define como la capacidad de estar disperso en un medio determinado. Ejemplos de dispersiones son el humo y el cuarzo ahumado. Otros minerales secundarios que pueden formarse en el suelo son, además de las arcillas, los óxidos de hierro y aluminio, el carbonato cálcico y el yeso. En suelos donde hay ciclos de oxidación y reducción, los óxidos de Fe y Mg pueden precipitar en los horizontes con mal drenaje cuando se secan formando concreciones que van creciendo por adición de capas concéntricas. Por otro lado, las costras de CaCO3 y yeso son frecuentes en los suelos de clima seco y estacional. 7.2.2. Textura Los distintos horizontes del suelo pueden estar formados por fragmentos de roca de más de un metro, hasta partículas menores de una micra. Atendiendo al tamaño de partícula se suelen distinguir los elementos especificados en la Tabla 4.3 Elementos gruesos

Diámetro aparente > 2mm

Bloques

25 a 60 cm y más

Cantos

6 a 25 cm

Grava gruesa

2 a 6 cm

Grava media

0,6 a 2 cm

gravilla

0,2 a 0,6 cm

Tierra fina

Diámetro aparente < 2mm

Arena Limo Arcilla Tabla 4.3 Denominación de distintos tamaños de partícula

El estudio de las partículas minerales puede llevarse a cabo desde muy distintos puntos de vista (mineralogía, grado de meteorización, relación entre ellas, etc.) pero un planteamiento más sencillo y, por ello, más generalizado, consiste en determinar la textura o composición granulométrica. La textura o composición granulométrica de la tierra fina se define como las proporciones relativas de las partículas minerales del suelo inferiores a 2 mm, agrupadas por categorías de tamaños, previa destrucción de los agregados y supuestas esféricas. La textura es una de las características más estables y puede considerarse una determinación básica de cada horizonte de un suelo. El interés de conocer la granulometría reside en inferir otras propiedades y características directamente relacionadas con el uso y comportamiento del suelo como:

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Capacidad de retención de agua disponible para las plantas. Facilidad de circulación del agua. Facilidad de laboreo Riesgo de formación de costras superficiales. Riesgo de erosión hídrica y eólica Capacidad de almacenar nutrientes Magnitud de la superficie específica Para separar las distintas fracciones granulométricas (arcilla, limo y arena) es necesario establecer los límites entre cada una de ellas, siendo los criterios adoptados algo arbitrarios. Los más comunes en Edafología son los propuestos por Attenberg, adoptados por la Sociedad Internacional de Ciencias del Suelo (ISSS) y los del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA). Estas clasificaciones se presentan en la Tabla 4.4. Clasificación USDA Simple

USDA

USDA Completa

ISSS Simple

ISSS Completa

Fracciones Denominación

Diámetro (micras)

Arena

50 – 2000

Limo

2 – 50

Arcilla

H+>Ca 2+ > Mg 2+ > NH4+> K +> Na + - PO43- > OH- > SO42- > CO32- > CO3H->NO3-. El orden viene determinado por la valencia y el peso molecular. Otro aspecto importante de destacar es que la alcalinización tiende a dispersar los coloides electronegativos y la acidificación tiende a dispersar los coloides electroposivos. 7.4.3. La solución del suelo y el complejo adsorbente Alrededor de las partículas coloidales existe una cantidad de iones muy próxima que se estratifican y ordenan por capas de distinta carga, mientras que el resto de los iones se encuentra libre, disuelto, constituyendo la solución del suelo. De los iones que se encuentran alrededor de la micela se dicen que se encuentran adsorbidos o que forman el complejo adsorbente. Los iones del complejo adsorbente se encuentran retenidos por la micela, esto es, una planta que absorba sustancias disueltas del agua del suelo no puede acceder a un ión que se encuentre adsorbido. Del mismo modo, al encontrarse fijado, el ión no se lavará con los arrastres de las aguas de lluvia. La cantidad de cationes en el complejo adsorbente es mucho mayor que en la solución del suelo, en una proporción aproximada de cien a uno.

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Entre los iones del complejo adsorbente y la solución del suelo existe un equilibrio dinámico, tal que, cuando un catión falta en la solución del suelo, los coloides ceden cationes de su complejo adsorbente para compensar la deficiencia. A este fenómeno se le denomina intercambio catiónico entre las soluciones del suelo. Por tanto, el complejo adsorbente actúa como almacén de nutrientes, evitando que puedan lavarse en su totalidad y cediéndolos al suelo lentamente. Por esto, la fracción coloidal del suelo es muy importante ya que: En suelos agrícolas reduce la necesidad y frecuencia de abonados. En suelos forestales evita el lavado definitivo de nutrientes esenciales, poniéndolos a disposición de las plantas y permitiendo su reciclado. Los elementos más retenidos en el complejo adsorbente , a igual concentración, son los que mayor poder floculante tienen, esto es: - Al 3+ >H+>Ca 2+ > Mg 2+ > NH4+> K +> Na + Así, la capacidad de cambio de los suelos de las zonas templadas húmedas tiende a estar dominada por los iones H+ y Ca2+ y en menor proporción por Mg2+, Na+, K+. En las zonas tropicales húmedas predomina un fuerte lavado y abunda el catión H+ y en casos de fuerte acidez Al3+, lo mismo ocurre en los suelos pobres en bases de las regiones templadas húmedas. A medida que aumenta el carácter xérico del clima hay menos lavado y predominan los cationes Ca2+ y Mg2+. En zonas áridas donde el lavado es mínimo y donde la capa freática es rica en sales solubles, el catión Na+ puede ser dominante, dando una mala estructura al suelo e impidiendo el cultivo. Parámetros que cuantifican el complejo adsorbente Los principales parámetros utilizados para caracterizar el complejo adsorbente son: 1.

Capacidad de intercambio catiónico o capacidad total de cambio (T o CEC, de Cation Exchange Capacity) Es la cantidad máxima de cationes que puede fijar un suelo en su complejo adsorbente, en miliequivalentes por 100 gramos de tierra. La unidad utilizada actualmente es cmol (+) kg-1 (centimoles de carga por kilogramo de suelo). Ambas unidades tienen la misma magnitud Es un valor fijo del suelo que no depende de los cationes presentes. Así, el valor de T de un suelo depende de la cantidad y calidad de los coloides electronegativos existentes. Los valores orientativos de cada uno son: Compuestos húmicos polimerizados: Compuestos húmicos poco polimerizados Esmectitas Vermiculita Illita Caolinita

2.

3-5 m.e./g 1 m.e./g 1 m.e./g 1,2 m.e./g 0,3-0,6 m.e./g 0,1 m.e./g

Suma de cationes metálicos intercambiables (S) Es la cantidad de cationes alcalinos y alcalinotérreos actualmente retenidos en el complejo adsorbente (Ca, Mg, K, Na). La diferencia T –S representa la concentración de cationes que generan acidez al suelo (Al, H)

3.

El grado de saturación (V): Es la relación porcentual entre S y T. V= S/T x 100. En las regiones áridas o semiáridas los suelos suelen ser saturados (V>80% o incluso V=100% si son calizos), mientras que en las regones húmedas son insaturados ( 20< V < 80) y los fuertemente ácidos son muy insaturados (V < 20).

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7.4.4. Estructura La estructura es una propiedad morfológica del suelo y se define como el modo de agrupación de todas las partículas de suelo (minerales y orgánicas) y los espacios que quedan entre ellas. La estructura y estabilidad de estos agregados está ligada a la cantidad y estado en que se encuentran los coloides del suelo. Los agregados se denominan grumos y los espacios entre ellos poros. Los poros representan el 50% del volumen del suelo, hasta el 60% en suelos gumíferos, actúan como canales por donde circula el agua y son el habitat de la fauna edáfica. La estructura controla una serie de propiedades del suelo entre las que cabe destacar: Propiedad afectada

Efectos positivos

Características de la Una buena estructura evita el sellado del suelo y la posterior formación superficie del suelo de una costra superficial. Facilita la emergencia de las plántulas y la infiltración de agua Infiltración de agua

Un aumento de la infiltración disminuye la escorrentía y con ello el riesgo de erosión y aumenta las reservas de agua en el suelo

Espacio de huecos

Un horizonte con buena estructura: - Permite una buena circulación del aire, agua y nutrientes - Favorece desarrollo de microorganismos aerobios y la actividad de la fauna - Es más penetrable por las raíces, que podrán tener un mayor volumen de suelo disponible La baja compacidad favorece el laboreo, disminuye la densidad aparente y favorece el crecimiento de las raíces

Compacidad Erosionabilidad

Un suelo bien estructurado es más resistente a la erosión que las partículas sueltas de arena, limo y arcilla

Los coloides son los elementos más importantes en la determinación de la estructura del suelo. Así, se pueden establecer los siguientes tipos de estructuras: 1. Si hay muchos coloides en el suelo: 1.1.

Si los coloides se encuentran floculados de manera estable actúan de aglomerante de las partículas de mayor tamaño formando grumos. Esta estructura es la mejor porque entre grumo y grumo se forman huecos que contienen aire y agua. Es la estructura grumosa. Se distinguen 6 tipos de estructura grumosa que se indican en la Figura 7.8.

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Figura 7.8. Tipos de estructura grumosa: (a) prismática, (b) columnar, (c) angular, (d) subangular, (e) laminar y (f) migajosa

1.2.

Si hay muchas partículas coloidales pero se dispersan con facilidad se pueden encontrar dos casos: 1.2.1. Hay agua y el suelo no drena porque queda retenida por capilaridad y fuerzas eléctricas. En el suelo se forma un lodazal. Estructura particular asfixiante. La figura 7.9 indica la diferencia entre una estructura grumosa y una estructura particulas asfixiante.

Figura 7.9. Diferencias entre estructura grumosa (arriba) y estructura particular asfixiante (abajo).

1.2.2. Cuando se seca, el suelo se resquebraja, se compacta y no deja huecos. Estructura particular maciza o masiva muy coherente, interrumpida por grietas de retracción. 2. Si hay pocas partículas coloidales, se presenta una gran cantidad de grano suelto. Estructura particular de grano suelto Además de los coloides, también son importantes las raíces de las plantas y la fauna del suelo, que dan una estructura grumosa simplemente por acción mecánica. La presencia de sustancias solubilizadas que al precipitar tienen carácter aglomerante, como el carbonato cálcico y el yeso, tiende a estabilizar los grumos, pero cuando la estructura es particular pueden llegar a formar corazas.

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Como consecuencia de la integración de los conceptos de textura y estructura podemos decir que: Los suelos pobres en arcilla y materia organica tendrán una estructura particular de grano suelo, si son arenosos la permeabilidad será alta y la capacidad de retención de agua baja y si son limosos ocurrirá lo contrario. Los suelos ricos en arcilla y pobres en materia orgánica tendrán una estructura particular asfixiante en húmedo y masiva en seco. Los suelos ricos en materia orgánica, y con un porcentaje de arcillas cuatro veces el de humus tendrán una estructura grumosa estable. 7.5. EL COLOR DEL SUELO Es una propiedad muy utilizada al estudiar los suelos pues es fácilmente observable y a partir de él se pueden deducir rasgos importantes. Puede ser homogéneo para un horizonte o presentar manchas. Los agentes cromógenos son diversos, los colores más comunes son: - Color oscuro o negro. Normalmente debido a la materia orgánica (cuanto más oscuro es el horizonte superficial más contenido en materia orgánica se le supone). Cuando esta localizado en nódulos y películas se le atribuye a los compuestos de hierro y, sobre todo, de manganeso.

- Color blancuzco. Debido a los carbonatos o al yeso o sales más solubles. En los horizontes eluviales es consecuencia del lavado de las arenas (constituidas por cuarzo y en menor proporción, por feldespatos).

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- Colores pardos amarillentos. Oxidos de hierro hidratados y unidos a la arcilla y a la materia orgánica. - Colores rojos. Oxidos férricos tipo hematites. Medios cálidos con estaciones de intensa y larga sequía.

- Colores abigarrados grises y rojos/pardos. Compuestos ferrosos y férricos. Característicos de los suelos pseudogley con condiciones alternantes de reducción y oxidación.

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- Colores grises verdosos/azulados. Compuestos ferrosos, arcillas saturadas con Fe++. Indican intensa hidromorfía, suelos gley.

En la actualidad es posible especificar el color consistente y cuantitativamente con más precisión, usando tablas de color estándar basadas, por ejemplo, en el sistema de notación Munsell. La Tabla Munsell usa tres elementos para realizar una notación específica de color: - Matiz: indica el espectro básico, consta de un número que puede ser 0 2,5 5 7,5 o 10 seguido de las letras R (rojo), YR (anaranjado) o Y (amarillo). La escala completa sería: 0R

2,5R

5R

7,5R

10R 0YR

2,5YR 5YR

7,5YR 10YR 0Y

2,5Y

5Y

7,5Y

Los matices de la izquierda son rojos y a medida que avanzamos hacia la derecha tenemos matices más anajanjados y después amarillos. En latitudes templadas no se encuentran matices más rojos de 10R - La pureza o brillo: Señala la claridad u oscuridad, es un numero que va del 0 (negro) al 10 (blanco). - El croma es otro nivel de variación que indica la profundidad o saturación del color y tiene el mismo rango de valores que el brillo. Al escribir la notación, el orden de las variables es: Nombre del color + MATIZ (Hue) + VALOR (Value) + CROMA (Chroma) Pardo 7.5 YR 3/2 . El procedimiento de uso de la Tabla Munsell consiste en asociar el color de la muestra o agregado de cada horizonte a una de las celdillas de un matiz determinado (Figura

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7.10). Una vez seleccionada la celdilla que contará con una pureza y un croma, se identifica el nombre del color en una página opuesta, del mismo matiz, a la de las celdillas y que consigna el nombre de los colores para cada relación pureza/croma.

Figura 7.10. Hoja del matiz 7.5 YR de la Tabla Munsell

7.6. EL AIRE EN EL SUELO 7.6.1. La atmósfera edáfica La atmósfera penetra en el suelo a través de los poros y fisuras. Después de una lluvia cuando el exceso de agua ha drenado, el volumen de poros lleno de aire se denomina capacidad de aire, y es aproximadamente el 25%. El aire del suelo normalmente está saturado de vapor de agua y tiene mayor concentración de dióxido de carbono (8 veces) y menos oxigeno. También presenta un mayor porcentaje de metano. La concentración de estos gases varía enormemente según la actividad de los microorganismos y del drenaje del suelo. Estos porcentajes se presentan en la Tabla 4.9. O2

C02

N2

CH4

20,97

0,03

79,00




1

-

>>>

Aire atmósfera suelo

saturado