CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO

Oscar Piedrahita

Junio 2011

SUELO

Los suelos están compuestos de una mezcla de arena, limo, arcilla y materia orgánica. La arcilla y las partículas de materia orgánica tienen una carga neta negativa.

limo

arcilla

arena

Formas de elementos nutrientes en suelos Los elementos o conjuntos de elementos

con carga eléctrica son llamados iones. Iones cargados positivamente son Cationes. Iones cargados negativamente son Aniones. Los cationes en el suelo más comunes son::

Calcio (Ca++)

Magnesio (Mg++)

Potasio (K+)

Amonio (NH4+)

Hidrógeno (H+)

Aluminio (Al+3)

Sodio (Na+)

Intercambio Catiónico

Cationes, retenidos en la arcilla y partículas de materia orgánica en los suelos, pueden sustituirse por otros cationes en la solución del suelo; por lo tanto, son intercambiables.

Por ejemplo, potasio puede ser sustituido por hidrógeno y viceversa.

ANIONES

Aniones comunes en el suelo son:

• Cloruro (Cl-),

• nitrato (NO3-),

• sulfato (S04=) y

• fosfato (PO43-).

Los aniones no son almacenados en los sitios activos, ni son intercambiables.

Definición de capacidad de intercambio catiónico

El número total de cationes que un suelo puede retener; esto es, su carga negativa total, corresponde a la capacidad de intercambio catiónico del suelo, CIC. CIC es medida en miliequivalentes per 100 gramos de suelo (meq/100g). El equivalente gramo de una molécula o átomo se calcula así:

Peso Equivalente = peso molecular o atómico (g) valencia o cargas por fórmula Este peso equivalente de cada elemento o molécula corresponde a aquél que es desplazado por un gramo de hidrogeniones (1 gramo de H+). Así: Calcio (Ca++) 20 gramos Magnesio (Mg++) 12,15 Potasio (K+) 39,1 Amonio (NH4

+) 18

Definición de capacidad de intercambio catiónico

Los siguientes son algunos cationes de nutrientes comunes en el suelo y las cantidades en Kg/Ha requeridos para elevar el contenido a un valor recomendable:

Densidad del suelo 1,2 kg/dm3

Area / Ha 10.000 m2/Ha

Profundidad 0,2 m

Volumen 2.000 m3/Ha

Peso de suelo 2.400.000 Kg/Ha

Elemento meq/100g meq/100g meq/100g Peso de elemento

Deseable Actual Requerido g/meq Kg/Ha

K 0,3 0,1 0,2 0,0391 188

Ca 1,8 0,3 1,5 0,02 720

Mg 0,9 0,1 0,8 0,01215 233

• Suelos con alta CIC pueden retener altos niveles de acidez.

CIC > 10

Son suelos orgánicos o arcillosos que son altamente tamponados y requieren altas cantidades de cal para aumentar el pH.

• Suelos con baja CIC no retienen acidez.

CIC < 5

Son suelos arenosos y requieren menor cantidad de enmienda para corregir el pH.

CIC Y MANEJO DE ACIDEZ

• Suelos con alta CIC pueden retener una mayor cantidad de nutrientes y por tanto la fertilización puede ser espaciada en el tiempo.

CIC > 10

Son suelos orgánicos o arcillosos que tienen muchos sitios activos en el complejo y que “no dejan” perder los nutrientes con el agua lluvia.

• Suelos con baja CIC no retienen nutrientes.

CIC < 5

Son suelos arenosos y requieren de una mayor frecuencia de aplicación de nutrientes, para no perderlos por lixiviación.

CIC Y MANEJO DE LIXIVIACION

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO

Una CIC alta es deseable porque hace : – menos probable la lixiviación de los nutrientes y

– más probable el mantenimiento de mayores cantidades de reservas.

Si la CIC es baja, debe diseñarse un programa de mejoramiento.

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO

Si la CIC es baja, debe diseñarse un programa de mejoramiento.

ARCILLAS

ZEOLITAS NATURALES SILICATOS (Ca, Mg)

MATERIA ORGANICA BIOCHAR

AUMENTO DE pH

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO (CIC)

Factores que afectan la CIC

• Cantidad de arcilla (% de arcilla en el suelo)

• Tipo de arcilla presente

• Contenido de Materia Orgánica.

• Presencia de Hidratos de Fe y Al

• pH

Arcillas

Se consideran coloides, de partículas extremadamente pequeñas y superficie lisa que contienen sitios negativos en los bordes o entre las capas de su estructura.

Silicato hidratado de alúmina, cuya fórmula química es: Al2O3 · 2SiO2 · H2O.

CEC Standard Values

Kaolinite 3-15

Halloysite 2H2O 5-10

Halloysite 4H2O 40-50

Montmorillonite-group 70-100

Illite 10-40

Vermiculite 100-150

Chlorite 10-40

Glauconite 11-20+

Palygorskite-group 20-30

Allophane ~70

These are the values reported by Carroll (1959)[4] for the cation exchange capacity of minerals in meq./100g at pH of 7.

Typical cation exchange capacities of soils and soil components

Material CEC (meq/100g)

Clay Types Kaolinite Illite Montmorillonite Organic Matter Soil Texture Sand Fine Sandy Loam Loam Clay Loam Clay

3-15

15-40 80-100

200-400

1-5 5-10 5-15

15-30 >30

Efecto de pH sobre CIC del suelo

Además del contenido de arcilla y materia orgánica, el pH también tiene un efecto en la CEC. Y, de estos tres factores, el pH normalmente se puede cambiar. El pH del suelo cambia el CEC porque el suelo tiene sitios de intercambio que se activarán a medida que aumenta el pH, posiblemente debido a la formación de aluminosilicatos activos. La CIC de un suelo puede aumentar hasta en un 50% si el pH se cambia de 4.0 a 6.5.

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO ORINOQUIA

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20

[cmol(+) / Kg ]

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO

0

2

4

6

8

10

12

14

1 2 3 4

[cmol(+) / Kg ]

SAN MARCOS CORDOBA SUELO ARENOSO

SUROESTE ANTIOQUEÑO

0

5

10

15

20

25

30

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66

Cmole+/Kg

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO SUROESTE ANTIOQUEÑO

ALUMINIOcmole/Kg

C.I.C E

0

20

40

60

80

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66

SATURACION DE ALUMINIO (%)

CAFÉ SUROESTE

0

5

10

15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

CICE

Al

00%

20%

40%

60%

80%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

% Al

% Al

ANALISIS

• Cation exchange capacity is usually measured in soil testing labs by one of two methods.

• The direct method is to replace the normal mixture of cations on the exchange sites with a single cation such as ammonium (NH4

+), to replace that exchangeable NH4

+ with another cation, and then to measure the amount of NH4

+ exchanged (which was how much the soil had held).

• More commonly. the soil testing labs estimate CEC by summing the calcium, magnesium and potassium measured in the soil testing procedure with an estimate of exchangeable hydrogen obtained from the buffer pH.

• Generally, CEC values arrived at by this summation method will be slightly lower than those obtained by direct measures.

Buffer Capacity and Percent Base

Saturation • Cations on the soil's exchange sites serve as a source of resupply for those

in soil water which were removed by plant roots or lost through leaching. The higher the CEC, the more cations which can be supplied. This is called the soil's buffer capacity.

• Cations can be classified as either acidic (acid- forming) or basic. The common acidic cations are hydrogen and aluminum; common basic ones are calcium, magnesium, potassium and sodium.

• The proportion of acids and bases on the CEC is called the percent base saturation and can be calculated as follows:

• Total meq of bases on exchange sites Pct. base =(i.e., meq Ca++ meq Mg++ + meq K+) saturation ------------------------------- x 100 Cation exchange capacity

• The concept of base saturation is important, because the relative proportion of acids and bases on the exchange sites determines a soil's pH. As the number of Ca++ and Mg++ions decreases and the number of H+ and Al+++ions increases, the pH drops. Adding limestone replaces acidic hydrogen and aluminum cations with basic calcium and magnesium cations, which increases the base saturation and raises the pH.

CORRECTORES COMERCIALES DE CIC

Silicato de Magnesio

Mg3Si2O5(OH)4

Serpentinita

Aumenta pH Aumenta CIC

Mg +2 Magnesio soluble Fertiliza

H2SiO3

(Acido silícico)

Aporta Si

Solubiliza P

Inactiva Al Protege el P

+ Al(OH)x =Zeolita Aumenta CIC

MATERIA ORGANICA

http://www.dpiw.tas.gov.au/inter.nsf/WebPages/TPRY-5YW6YZ?open

http://www.dpiw.tas.gov.au/inter.nsf/WebPages/TPRY-5YW6YZ?open

BIOCHAR A PARTIR DE EFB

http://biocharfarms.org/ http://www.biochar-international.org/node/1953

Planta piloto http://biocharmalaysia.blogspot.com/

BIOCHAR es un carbón activado producido por la pirólisis controlada de desechos de cosecha. Es especialmente útil para aumentar la capacidad de intercambio.

Silicato de Magnesio

Mg3Si2O5(OH)4 + H+

Aumenta pH Aumenta CIC

Mg +2 Magnesio soluble Fertiliza

H2SiO3

(Acido silícico)

Aporta Si

Solubiliza P

Inactiva Al Protege el P

+ Al(OH)x =Zeolita Aumenta CIC

INCREMENTO DE CIC CON ENMIENDAS (ARCILLAS)

• T1 : Control (Sandy soil)

• T2 : Sandy soil + FYM @ 1 % level (20 t ha-1)

• T3 : Sandy soil + Bentonite @ 1 % level (20 t ha-1)

• T4 : Sandy soil + Vermiculite @ 1 % level (20 t ha-1)

• T5 : Sandy soil + Tank silt @ 1 % level (20 t ha-1)

• T6 : Sandy soil + Termite mound @ 1 % level (20 t ha-1)

• T7 : Sandy soil + Humic acid @ 20 kg ha-1

Percent increase in soil moisture content over control as influenced by soil additives

T2 T3 T4 T5 T6 T7 Treatments

1 DAI 3 DAI 5 DAI 7 DAI

AUMENTO DE LA CIC POR SILICATOS MINERALES

Effect of P and Si amendment on the charge characteristics and management of a Geric soil

Chon Quang Nguyen, Chris Guppy and Phil Moody

Los silicatos de magnesio dejan en el suelo, por los procesos de solubilización, ácido silícico que reacciona con el aluminio soluble para

producir zeolitas.

Este mecanismo permite aumentar la CIC y al mismo tiempo aportar magnesio.

Se ha encontrado que si el silicato de magnesio se acidula primero tiene un efecto mucho más rápido. Este proceso se conoce como activación

ácida de la serpentinita y está bien documentado en la literatura.

AUMENTO DE LA CIC POR SILICATOS MINERALES

Aumento de la CIC por aplicación de varias fuentes de silicatos.

Incubación de 7 días.

Fosfato de Magnesio Fundido.

LAS ENMIENDAS DEBEN INCLUIR NO SOLO MATERIAL ALCALINIZANTE Y NUTRIENTES SINO

TAMBIEN MEJORADORES DE LA CIC

CONCLUSION

Peso requerido para lograr concentración deseable en meq/100 g

de 25 cm de profundidad de suelo

meq/100g meq/100g meq/100g

Deseable Actual g/meq Kg/Ha

K 0,3 0,0391 282

Ca 1,8 0,02 864

Mg 0,9 0,01215 262

REFERENCIAS

• Fundamentals of Soil Cation Exchange Capacity (CEC)

• http://www.microsoil.com/CEC.htm

• http://farmingsweetbay.wordpress.com/2011/02/28/increasing-capacity-for-soil-minerals/

• Moisture Retention and Cation Exchange Capacity of Sandy Soil as Influenced by Soil Additives. S. Suganya, and R. Sivasamy

• http://ag.udel.edu/extension/agnr/pdf/soiltesting/CHAP9-95.pdf