Contenido y reactividad de los minerales de carga variable en dos secuencias topográficas de suelos volcánicos: implicaciones en el comportamiento de adsorción de fósforo

Abstract

Los Andisoles son suelos formados a partir de diversos materiales volcánicos como depósitos de caída tipo tefra (ceniza volcánica), material volcaniclástico y lavas. En Costa Rica, aproximadamente una sexta parte del teriitorio nacional se encuentra cubierto por Andisoles. En ellos se desarrollan diversas actividades agrícolas de gran importancia económica y productiva para el país entre ellas la producción de cultivos hortícolas, cultivo de flores ornamentals, ganadería lechera y una parte importante del cultivo de café. A nivel mundial estos suelos volcánicos son muy importantes tanto para la agricultura como para el medio ambiente debido a que tienen propiedades mineralógicas únicas, en particular la abundancia de minerales de orden de corto alcance (SRO), que influyen tanto en la estabilización del carbono orgánico como en la retención de fósforo (P). Su alta capacidad de retención de fósforo (P), asociada principalmente a la presencia de fracciones minerales altamente reactivas de carga variable (minerales SRO) limitan la disponibilidad y recuperación de este nutriente por parte de las plantas. Por ello, en los sistemas agrícolas intensivos establecidos sobre estos suelos es común la aplicación de cantidades elevadas de fertilizantes fosfatados para mantener rendimientos adecuados. Sin embargo, aún con aportes significativos de fósforo, una fracción considerable de este nutriente queda retenida por componentes minerales reactivos, lo que representa un desafío agronómico y un costo económico importante para los productores. Esta investigación se llevó a cabo en la ladera sur del volcán Irazú, en Costa Rica, con el fin de estudiar dos aspectos clave: (i) la variación en el contenido y la composición de los minerales SRO a lo largo de los gradientes altitudinales y la profundidad, y (ii) el papel del área superficial reactiva (RSA) y su asociación con estos minerales en la modulación de la adsorción de P en dos toposecuencias de suelo con condiciones de humedad contrastantes. Las dos toposecuencias del suelo se definieron a lo largo de un rango altitudinal de 1734 a 2853 m s. n. m. para la toposecuencia Este-Sur (ES) con un régimen de humedad Údico constante, y de 1724 a 3178 m s. n. m. para la toposecuencia Oeste-Sur (WS) con una transición del régimen de humedad Údico a Ústico. Se utilizaron extracciones químicas del suelo con soluciones de oxalato de amonio (AO), ditionito-citrato (DC) y pirofosfato de sodio (Py) para definir operativamente el contenido de Fe, Al y Si presentes en los suelos como minerales SRO y para analizar los cambios en la intensidad de la meteorización a lo largo de los gradientes altitudinales. Se evaluó la influencia de los minerales SRO en el comportamiento de P mediante técnicas de extracción como el P extraíble con oxalato (Pox) para todas las muestras de suelo, la extracción de Olsen (P-Olsen) y la capacidad de retención de P (CRP) para los dos primeros horizontes de los perfiles de suelo. Adicionalmente, se realizaron isotermas de adsorción de fosfato (PO43-) en muestras de horizontes superficiales, cuyos datos fueron interpretados utilizando un enfoque de Langmuir. También, se realizaron isotermas de adsorción de PO43- con adición de calcio (Ca2+), en muestras de suelo seleccionadas con características de reactividad contrastantes, con el fin de determinar el efecto de Ca2+ en la adsorción de PO43-. La estimación del RSA se determinó mediante la aplicación de un método que utiliza el fosfato del suelo como ion sonda, seguido de la interpretación con el Modelo de Complejación Superficial (SCM). Los resultados mostraron que los suelos de la toposecuencia ES presentan un mayor contenido de aluminosilicatos SRO, RSA, Pox y capacidad de sorción PO43- (Qmax) en comparación con los suelos de la toposecuencia WS. Además, la toposecuencia ES, con un régimen de humedad Údico constante, mostró un aumento descendente en el contenido de minerales SRO, el contenido total de carbono, el RSA, el Pox y la capacidad de sorción de PO43- (Qmax). Estas tendencias de aumento con la altitud están asociadas a cambios en las condiciones ambientales como el aumento de la temperatura que promueve una mayor meteorización de los minerales primarios y la formación de minerales SRO. Además, la formación y persistencia de minerales SRO en la toposecuencia ES es el resultado de condiciones de humedad Údicas estables que se mantienen a lo largo del gradiente altitudinal, lo que favorece su preservación e inhibe su transformación a minerales más cristalinos menos reactivos. Por el contrario, la toposecuencia WS no mostró una tendencia altitudinal constante en relación con las variables mencionadas anteriormente, probablemente debido a una transición de regímenes Údico a Ústico que facilitó la transformación de las fases minerales SRO en formas más cristalinas. Además, en ambas toposecuencias, el P disponible para las plantas (P-Olsen) se mantuvo bajo en todas las muestras (<10 % de Pox), lo que pone de relieve la fuerte fijación de P por los minerales SRO. Adicionalmente, se demostró que la adición de Ca2+ en general aumentó la adsorción de PO43- en los suelos a través de la formación de complejos ternarios. Dicho efecto fue mayor en suelos caracterizados por tener un menor contenido mineral SRO y por ende una menor reactividad, por el contrario, fue menor en el suelo más reactivo (E3-1) del grupo de muestras seleccionadas. En general, los resultados demuestran que tanto la altitud como el régimen de humedad influyen significativamente en la formación y preservación de minerales SRO, la RSA, la adsorción y disponibilidad de P en los suelos volcánicos. En resumen, esta investigación amplía nuestro conocimiento sobre las complejas interacciones entre la mineralogía del suelo, los regímenes de humedad del suelo, la posición del paisaje y el comportamiento de adsorción de P en los suelos volcánicos. Las claras diferencias en la capacidad de sorción de PO43- y la disponibilidad de P entre las dos toposecuencias ponen de relieve la necesidad de prácticas de gestión del suelo diferenciadas para mejorar la eficiencia del uso del P en las actividades agrícolas. Futuro estudios deberían explorar el impacto de las prácticas agrícolas, como la fertilización intensiva y el encalado, en condiciones de campo para optimizar la gestión del P en estos suelos, teniendo en cuenta las condiciones de los regímenes de humedad del suelo, la mineralogía y la reactividad, con el fin de alcanzar los objetivos agrícolas y medioambientales en las regiones volcánicas.Volcanic soils are globally significant for agriculture and environmental purposes due to their unique mineralogical properties, particularly the abundance of short-range order (SRO) minerals, which influence both organic carbon stabilization and phosphorus (P) retention. This research was conducted on the southern flank of Irazú Volcano, Costa Rica, to investigate two key aspects: (i) the variation in SRO mineral content and composition along altitudinal gradients and depth, and (ii) the role of the reactive surface area (RSA) and associated to these minerals in modulating P adsorption in two soil toposequences with contrasting soil moisture conditions. The two soil toposequences were defined along an altitudinal range from 1734 to 2853 m asl for the East-South (ES) toposequence with a consistent Udic moisture regime, and from 1724 to 3178 m asl for the West-South (WS) toposequence with a transition from Udic to Ustic moisture regime. Soil chemical extractions using ammonium oxalate (AO), dithionite-citrate (DC) and sodium pyrophosphate (Py) solutions were used to define operationally the content of Fe, Al, and Si present in soils as SRO minerals and to analyze changes in weathering intensity along the altitudinal gradients. The influence of SRO minerals on P behavior was assessed through extraction techniques such as oxalate-extractable phosphorus (Pox) and Olsen extraction (P-Olsen), phosphate (PO43-) and adsorption isotherms. The estimation of the RSA was determinate by implementing a method that uses soil phosphate as probe ion, followed by interpretation with Surface Complexation Model (SCM). The results shown that soils from the ES toposequence exhibit higher content of SRO aluminosilicates, RSA, Pox and PO43- sorption capacity (Qmax) compared with soils from the WS toposequence. Additionally, the ES toposequence with a consistent Udic moisture regime, showed an increasing downslope in SRO content, total carbon content, RSA, Pox, and PO43- sorption capacity (Qmax), associated with enhanced weathering with increasing temperature. Additionally, the formation and persistence of SRO minerals in the ES toposequence result from stable Udic moisture conditions maintained along the altitudinal gradient. In contrast, the WS toposequence exhibited no consistent altitudinal trend regarding the variables mentioned above, likely due to a transition from Udic to Ustic regimes that facilitated the transformation of SRO phases into more crystalline forms. Furthermore, for both toposequences, the plant-available P (P-Olsen) remained low across all samples (<10% of Pox), highlighting strong P fixation by SRO minerals. Calcium additions further enhanced P sorption, particularly in soils with low content of SRO and RSA. Overall, the findings demonstrate that both altitude and moisture regime significantly shape SRO formation, surface reactivity, and P availability in volcanic soils. In summary, this research advances our understanding of the complex interactions between soil mineralogy, soil moisture regimes, landscape position, and P behavior in volcanic soils. The clear differences in PO43- sorption capacity and P availability between the two toposequences highlight the need for differentiated land management practices to improve P use efficiency in agricultural activities. Future studies should explore the impact of agricultural practices, such as intensive fertilization and liming, under field conditions to optimize P management in these soils, considering the conditions in soil moisture regimes, mineralogy and reactivity, to accomplish agricultural and environmental objectives in volcanic regions.