EVOLUCIÓN DEL SUELO

desde una perspectiva sistémica y energética.

TODA REFERENCIA a HUMUS o HUMIFICACIÓN: NO ES VÁLIDA

Actuales conocimientos reformulan la teoría de la materia orgánica del suelo

Listado TEMÁTICO

1 - Introducción

2 – Aspectos estructurales.

3 – Aspectos Dinámicos
3.1 –Flujos en el sistema suelo
3.2 – Flujos, procesos y trayectoria evolutiva del suelo
3.3 - Flujos de energía y entropía.
3.4 – Cuantificación de los flujos de energía.
3.4.1 – Modelo Volobuyev.
3.4.1 – Modelo Rasmussen.
3.5 – Valoración cualitativa de la entropía.
3.6 – Valoración cuantitativa de entropía.
3.7 – Entropía e información.
3.8 – Condición de estado: evolución y estado homeostático.
3.9 – Resiliencia.
3.10 Equifinalidad.
Bibliografía

1 - Introducción

Desde el enfoque analítico, los suelos son objetos de la naturaleza que los reconocemos por sus partes mediante la observación e identificación de un conjunto de propiedades morfológicas (horizontes, textura, estructura, color, etc.) y analíticas (granulometría, bases de cambio, pH, etc.) que se expresan ante nuestros sentido. Desde el enfoque sistémico los suelos tienen por función acumular y reciclar energía y materia que posibilitan el crecimiento y desarrollo de organismos vivos, función que han adquirido a través de su evolución o pedogénesis.

La Pedología es la ciencia que estudia el origen, organización y distribución geográfica de los suelos, y explica el inicio la trayectoria evolutiva aunque no avizora cuál es el final de dicha trayectoria. En tal sentido, con la ayuda del pensamiento sistémico y las leyes de la termodinámica trataremos de trataremos de profundizar acerca del estado futuro de los suelos.

Antes de intentar responder esta incógnita debemos acordar una definición de lo que es el suelo. No es sencillo desde el enfoque sintético o sistémico. Parafraseando al filósofo español J. Ortega y Gasset, cuando un objeto tiene muchas utilidades más difícil es su definición. En efecto, el suelo como cuerpo natural a pesar de todas las utilidades reconocidas y valoradas al servicio de la humanidad, estas parecen resignificarse: cada vez se le reconoce a los suelos nuevas funciones y servicios. Por ello resulta difícil con una definición conceptualizarlo. En su artículo A New Worldview of Soils el Prof. Henry Lin ubica a los suelos en el ecosistema terrestre como cuerpos semivivos (Fig. 1): frontera difusa entre lo no vivo y próximo al mundo mecánico Newtoniano y lo vivo próximo al mundo evolutivo Darwiniano. (Ver apartado Funciones y Servicios ecosistémicos del Sistema Suelo en este blog)

Figura 1: Los suelos en el contexto del ecosistema terrestre (Traducido y adaptado de Lin, 2014)

En consecuencia, los suelos son cuerpos naturales que poseen en su estructura y funciones en componentes vivos y no vivos, son entes continuos, es decir sin un límite claro que separa a los individuos en espacio y discretos a la vez, pues significa que individuos o partes son separables en algún punto del espacio pero siempre interdependientes. A su vez, dichos cuerpos están sometidos a fuerzas externas motoras que impulsan movimiento y disipación, de energía mecánica a calor bajo los principio de conservación de masa y energía, como también están sometidos a fuerzas internas bioquímicas, químicas y mecánicas que son de naturaleza creadoras y organizadoras, que impulsan cambios en estructura del cuerpo y en el nivel de información. Los suelos, en este contexto son cuerpos "semivivos" del ecosistema terrestre que funcionan como un puente entre el mundo biótico y abiótico y que están regidos tanto por las leyes deterministas como las leyes evolutivas.

Ahora bien, si los suelos son cuerpos en constante evolución ¿existe un final en la trayectoria evolutiva de los mismos al igual que todo ser viviente? Según la 2º ley de la termodinámica todo lo que existe en el Universo comenzó con una estructura y calidad y está desplazándose irrevocablemente hacia otra estructura de muy baja calidad, de desorden absoluto, de muerte. Por tanto, los suelos como todo lo que existe en el universo estarían destinados a sucumbir como tales. Sin embargo, por ser objetos semivivos o vivos contradicen aparentemente esta ley porque se han originado a partir de estructuras simples y avanzaron hacia estados de mayor organización y orden, con acumulación de energía de calidad e información. Esta evolución operó en el tiempo hasta un determinado momento donde el tiempo se hizo independiente y el suelo permanece constante en forma y composición y es independiente de las condiciones iniciales. La Figura 2 ilustra este concepto.

Figura 2: Esquema de la trayectoria evolutiva del suelo (Fte: Adaptado de http://www.madrimasd.org)

El suelo a lo largo de su historia evolutiva el suelo ha incorporado y acumulado energía de calidad o energía útil bajo la forma de nuevos compuestos (pe. humus, arcillas, sesquióxidos, etc.) o de nuevas organizaciones (horizontes, agregados, microagregados) con respecto a su material originario. Por otra parte ha exportado permanentemente deshechos, residuos, energía de baja calidad (CO₂, sales, calor, etc.) al entorno circundante. Este complejo proceso evolutivo se sintetiza en la PEDOGÉNESIS, conjunto de procesos en su mayoría irreversibles y permanentes en el tiempo. Para que esta trayectoria evolutiva continúe en el tiempo, se requiere del consumo constante energía y materia para mantener su organización. Este influjo de materia y energía al cuerpo del suelo, por un lado es degradada en su calidad de manera irreversible y por otro, exportada como desechos al entorno a través de procesos disipativos. Otra parte de dicho influjo es transformado y acumulado en energía útil para que el suelo se diferencie de sus estados iniciales, se ordene, aumente su nivel de heterogeneidad, de información, de energía libre y de su capacidad de realizar trabajo.

Los trabajos que realiza el suelo durante la pedogénesis son variados: mecánico (pe. desplazamiento), químico (transformación de sustancia -reactivos y productos), termodinámicos (pe cambios entalpía o entropía) entre otros. En general se resume el trabajo de la pedogénesis los cuatro procesos generales que son: adición al cuerpo del suelo, transformación, translocación adentro de los límites del cuerpo del suelo y transferencias o pérdidas afuera de los límites del cuerpo (Figura 3). Las principales fuentes de energía para dinamizar estos procesos son la radiación solar y la gravedad.

Figura 3: Procesos generales de la génesis

Ahora bien, si los trabajos de estos procesos son permanentes en el tiempo, se trataría de una trayectoria evolutiva de diferenciación perpetua, sin final. Sin embargo, este proceso tiene un momento donde las relaciones entre partes y el intercambio de energía y materia se hacen constante por lo que deja de diferenciarse. Ello ocurre cuando alcanza un balance cero de materia y energía. En ese momento, el suelo alcanza un estado homeostático, que es estacionario y dinámico en simultáneo (representado por el estado IV – Fig. 2). Este estado implica que algunos proceso se detienen definitivamente, por ejemplo el movimiento de solidos a través de adiciones o translocaciones (parte estacionaria del estado). Sin embargo hay procesos permanentes como por ejemplo intercambio de gases, soluciones, biomasa o transformaciones químicas lo que le dan el carácter dinámico a este estado.

En el estado homeostático el suelo se hace independiente del tiempo (como factor de génesis) y alcanza una determinada configuración individual expresada en una organización morfológica que le confiere identidad como individuo suelo o pedon y una determinada capacidad para realizar trabajo, de funcionar, de hacer fluir energía y materia a través de su masa. Cuando el suelo alcanza este estado homeostático se encuentra alejado del equilibrio termodinámico ya que alcanza una baja entropía y alta energía libre. En otras palabras, el suelo se aleja de su final termodinámico. No obstante, el estado homeostático puede ser alterado por el ingreso de fuerzas externas naturales o antrópicas. En la medida que dichas perturbaciones no sobrepasen la resiliencia del suelo, es decir su capacidad de auto regulación o auto organización, la condición de estado homeostático se mantiene relativamente invariante y el suelo permanece con iguales capacidades para el trabajo, con iguales funciones. Empero, cuando la magnitud de la fuerza sobrepasa la capacidad de auto regulación hay un cambio de estado hacia niveles diferentes de organización o de capacidad de realizar trabajo. Por ejemplo, cuando un suelo recupera stock de C se gana mayor energía libre, se organiza, gana información y por tanto aumenta su capacidad de realizar trabajo. En cambio, cuando un suelo pierde C en valores inferiores a un determinado umbral, se desorganiza, se homogeniza, pierde energía libre y por tanto pierde capacidad de realizar trabajo o de cumplir ciertas funciones en el ecosistema.

En síntesis, la impronta de cada proceso de pedogénesis en particular y del conjunto en general se materializa en la formación de un cuerpo tridimensional, constituido por elementos inertes y vivientes que interactúan entre sí y están constantemente perturbados por fuerzas internas y externas. Como cuerpo, el suelo incorpora y exporta materia y energía desde su entorno, se diferencia de su condición de origen (material originario o roca madre), acumula energía útil, se organiza morfológicamente, alcanza un estado homeostático con determinada energía libre o capacidad de realizar trabajo (mecánico, químico, termodinámico) dinamizando los flujos a través su masa en el tiempo. En consecuencia, el suelo es sistema abierto y dinámico puesto que posee una estructura organizada que alcanza un estado homeostático, intercambia materia y energía con su entorno lo que induce a cambios permanentes (dinámica), acumula información y cumple con un determinado propósito o función que discutiremos más adelante. En tal sentido, la interpretación del suelo bajo el enfoque sistémico puede abordarse desde dos aspectos interdependientes entre sí aunque separable a los efectos de facilitar la comprensión:

1 – Aspectos estructurales: hacen referencia a lo estático, a la estructura, la organización vertical y horizontal de los suelos. Las unidades de medida son la masa, la longitud, el volumen, la molaridad, la normalidad y se rigen más por los principios de la física clásica de la conservación de la masa y la energía.

2 – Aspectos dinámicos: hacen referencia a los cambios que ocurren en su estructura por efecto de los flujos de intercambios adentro y afuera del suelo, cambios en el stock y velocidades de flujos. Las unidades de medida de las variables de flujos son entre otras: caudal, velocidad, energía, entropía. Estos procesos dinámicos que también se rigen por la conservación de la masa y la energía al tener trayectorias evolutivas con cambios de masa, organización e información, no puede ser totalmente explicada y anticipados por la física clásica. Lin (2014) sostiene que es necesario el desarrollo de nuevas leyes físicas y métodos numéricos para el estudio y la predicción de comportamientos de los aspectos dinámicos en objetos como los suelos. No obstante, es imprescindible recalcar que separar aspectos estructurales de los dinámicos de un sistema es solo a los fines didácticos comprensivos. Es muy frecuente en la ciencia del suelo el estudio de estos aspectos por separado, induciendo a una visión más reduccionista que sistémica.

2 – Aspectos estructurales

El suelo desde el enfoque analítico es un cuerpo natural organizado en niveles creciente de complejidad. Desde el enfoque sistémico el suelo es un “todo” configurado por elementos y conjuntos de elementos interdependientes entre sí y con funciones derivadas de su trayectoria evolutiva. Para organizar este todo es preciso identificar fronteras o límites es necesario para establecer que aspectos dinámicos (flujos, procesos) ocurren adentro del cuerpo y entre sus partes o elementos y cuáles ocurren entre el cuerpo y su entorno. Oij Kerman (1974) propuso una clasificación jerárquica de los niveles de organización del sistema suelo sobre una base morfo - pedológica (Tabla 1) y a los fines descriptivos y cartográficos.

Tabla 1: Niveles jerárquicos del Sistema Suelo

NIVEL	SISTEMA	DEFINICIÓN
1	PROVINCIA PEDOLÓGICA	Parte de una región definida por su clima y topografía y caracterizada por un grupo particular de suelos.
2	UNIDAD DE PAISAJE COMPUESTA o CUENCA	Área cuya distribución espacial corresponde a una cuenca natural o una subcuenca y contiene cursos de primero a enésimo orden.
3	UNIDAD DE PAISAJE SIMPLE o CATENA o TOSECUENCIA	Una repetición regular de una secuencia de suelos en asociación con topografía.
4	POLIPEDÓN / PEDÓN	Pedón: menor unidad tridimensional de la corteza terrestre que puede considerarse un individuo suelo. Polipedón: grupo continuo de pedones similares.
5	HORIZONTE	Capa de suelo mineral u orgánico, aproximadamente paralela a la superficie que tiene características originadas por procesos pedogenéticos.
6	PED - AGREGADO (Macroestura)	Agrupamiento particular primario de microagregados o partículas individuales que se separan de los peds vecinos por superficie de debilidad que se reconocen como vacíos naturales o por la presencia de barnices.
7	MICROESTRUCTURA	Microagregados (< 5 mm) formados por dominios de coloides y partículas individuales de arenas y limos.
8	FASES	Sólida (mineral – orgánica), gaseosa, líquida.

El nivel jerárquico central es el pedón – polipepedón por ser la expresión elemental de la génesis, donde se concentra la información del resultado de la acción pedogenética No obstante, la identificación y análisis de cada nivel jerárquico dependerá del objeto de estudio. Por ejemplo, si interesa analizar el drenaje externo en relación a un área determinada, el nivel jerárquico de relevancia es la cuenca (unidad de paisaje compuesta). En cambio, si interesa hacer un cálculo de reposición de nutriente el análisis se focaliza a nivel de fases. En consecuencia, las propiedades más importantes para describir e interpretar un nivel del sistema dependen de la escala de observación y pueden ser irrelevantes a niveles superiores o inferiores.

Wagenet et al., (1994) propusieron un orden jerárquico de la organización estructural del sistema suelo con fines de modelar la formación del mismo a partir de los flujos de agua, partículas y solutos como la principal fuerza conductora de la pedogénesis (Tabla 2). La actividad de estos procesos en el tiempo y en el espacio redistribuye los productos de la mineralización y de la actividad biológica a través del material de origen, conduciendo a la diferenciación del suelo tanto, en la dimensión vertical como en la horizontal. El nivel central de esta clasificación también lo constituye el pedón (i).

Tabla 2: Niveles jerárquicos del Sistema Suelo (Wagenet et al., 1994)

N J	Sistema
i + 6	Mundo
i + 5	Continentes
i + 4	Países, provincias
i + 3	Regiones de suelos, cuencas
i + 2	Catena o cuenca
i + 1	Polipedón
i	Pedón
i – 1	Perfil, horizontes
i – 2	Estructura secundaria: peds
i – 3	Estructura básica: dominios
i – 4	Molecular: poros, partículas

El siguiente esquema (Figura 4) es una clásica representación de la organización vertical y horizontal de los suelos, tomando como nivel central de la jerarquía el Pedón o Individuo Suelo

Figura 4: Representación esquemática de algunos niveles jerárquicos del suelo.

La organización estructural del sistema suelo indefectiblemente se vincula a una dimensión temporal. La relación espacio – tiempo puede ser representada en un esquema simple (Figura 5) como el propuesto por Delcourt y Delcourt (1983).

Esta gráfica espacio – tiempo representa y explica la asociación entre el espacio bidimensional (superficie) y el tiempo (años) donde se desarrollan los eventos o sucesos físicos o biológicos -por ejemplo la pedogénesis- y establece diferentes escalas de percepción. En la mega-escala predominan los procesos que explican el origen y la estructura del universo. En la macro-escala predominan los procesos geológicos, particularmente los que dan origen a las formas del paisaje terrestre (pe. el relieve primario y rocas) y en la meso-escala predominan los procesos pedogenéticos que dan origen a los suelos. Por último en la micro-escala es el espacio tiempo donde transcurre la vida de la mayoría de nosotros.

Figura 5: Representación de la relación espacio-tiempo (adaptado de Delcourt y Delcourt, 1988)

Lin (2010) propone una relación entre los niveles jerárquicos de las estructuras y los procesos subyacentes para diferentes escalas: macro, meso y microscópica. También define al pedón (i) como el nivel central de observación y monitoreo (Figura 6).

Figura 6: Estructura jerárquica del sistema suelo (Traducido y adaptado de Lin, 2010).

Durante la pedogénesis (trayectoria evolutiva), los procesos inherentes a los diferentes niveles jerárquicos se pueden diferenciar entre los que conducen a la organización del individuo suelo y los opuestos. Entre los primeros, se destacan la formación de arcillas, la humificación y formación de agregados entre los más importantes. Estos operan en los niveles jerárquicos de pedón, horizonte (perfil), agregado y complejo órgano mineral (Tabla 1) o en niveles i-1; i-2; i-3 de la escala meso y microscopica superior (Figura 6). En cambio, los procesos que conducen a un aumento del desorden o a la homogeinización del perfil del suelo son la respiración, mineralización de la materia orgánica, degradación de los agregados (pe. compactación), dispersión, mezclado físico, meteorización, acumulación de sales o materia orgánica no transformada, oxido-reducción entre otros. Estos procesos operan en espacios más reducidos, es decir en los niveles jerárquicos más bajos: macroestructura, microestructura y fases (Tabla 1) o en i-2, i-3, i-4 en la escala microscópica (Figura 6). En las escalas mesoscópica superior y macroscópica operan los procesos de modelización del paisaje. En el estado homeostático o actual los procesos si bien están presentes en toda la estructura del sistema, estos poseen diferente magnitud y acciones tal como se discutirá más adelante.

3 – Aspectos Dinámicos

3.1 –Flujos en el sistema suelo:

Los flujos de energía externa que dinamizan los procesos formadores y mantienen el estado estacionario - dinámico del sistema suelo son derivados de la energía interna de la tierra, la radiación solar y la gravedad.

La energía interna de la tierra se expresa como un conjunto de procesos endógenos que ocurren en la corteza de la misma y son los que dan origen a la roca madre de los suelos y a las formas de la superficie terrestre. Tales procesos son: los magmáticos (plutonismo, filonianismo y vulcanismo) que dan origen a las rocas ígneas, los metamórficos que originan las rocas metamórficas y los tectónicos (pliegues, diaclasas y fallas) que dan origen a las formas de la superficie terrestre, propiedad de los suelos que se llama relieve primario. Las rocas constituyen el material de origen de los suelos y en su gran mayoría (80%) son de tipo sedimentarias producto de rocas ígneas o metamórficas meteorizadas y transportadas por acción de agentes exógenos tales como el agua o el viento. Ej. loess.

La energía solar interviene activamente en los trabajos de balance térmico, fotosíntesis y del movimiento del agua y solutos en el suelo. El balance térmico de los suelos (calentamiento – enfriamiento) es regulado por el balance de radiación solar.

R_n = (1-A) (I· sen h + i) + (Ez - Ea) [1]

Donde; R_n: radiación neta de onda corta y larga incidente en la superficie del suelo, A: albedo, proporción de la radiación de onda corta que se refleja; (1-A): radiación de onda corta absorbida por la superficie, I: intensidad de la radiación solar directa que llega a la superficie horizontal; h: altitud solar; i: intensidad de la radiación solar difusa, Ez: radiación de onda larga de la tierra (calor emitido desde la superficie a la atmósfera); Ea: radiación de onda larga de la atmósfera emitido a la superficie de la tierra (calor emitido por la atmósfera)

Los términos de la ecuación [1] son:

(I · sen h + i) = radiación global de onda corta

(Ez - Ea) = radiación efectiva; calor transferido desde la tierra al espacio

El valor del balance R_n puede ser positivo o negativo. En el primer caso, llega más energía a la superficie de la tierra que la que se emite durante el día. En este estado, los objetos terrestres aumentan su valor térmico, se aceleran las reacciones y los procesos de intercambio. En caso de un balance negativo, los objetos pierdem más energía de la que ganan. Esto ocurre p.e. durante la noche. El suelo se enfría, los procesos se enlentecen y llegan a detenerse si el enfriamiento es continuo en el tiempo (pe. en el orden de suelos Gelisoles).

La energía solar también es la dinamizadora del proceso de fotosíntesis. Este proceso captura energía radiante que se acumula en energía química en los tejidos vegetales. La ecuación general de la fotosíntesis se puede expresar de la siguiente manera:

6 moles CO₂ + 6 moles H₂O + 686 kcal = 1 mol C₆ H₁₂ O₆ + 6 moles de O₂

Esta reacción es endotérmica ya que consume 686 kcal proveniente de la radiación solar para producir un mol de glucosa. Este proceso posee una eficiencia global del 30%. La reacción inversa, es decir la combustión de un mol de glucosa libera 686 kcal.

Cuando los tejidos vegetales mueren y retornan al suelo algunas estructuras quedan como residuos (ligninas, taninos) y otras pasan a estar disponible para los microorganismos del suelo (polisacáridos, proteínas) que, mediante procesos de resíntesis y/o recombinaciones producen la materia orgánica del suelo (MOS), con composición química diferente a sus precursores. En síntesis, la materia orgánica del suelo es energía solar transformada y acumulada en energía química a través del proceso fotosintético de organismos autótrofos.

La energía solar produce también la movilidad del agua a través del proceso de evaporación. Este ocurre directamente desde el suelo a la atmósfera o a través de la estructura vegetal, proceso denominado transpiración. El paso de agua líquida a gaseosa se puede representar de manera simplificada por la siguiente ecuación:

donde, E_r: evaporación (m), l_v : calor latente de vaporización (2.257 kJ kg^-1 o 539 kcal kg^-1), p_w: densidad del agua (kg m^-3), R_n : Radiación Neta (kJ m²).

La movilidad del agua produce la translocación ascendente de iones en solución vía raíz debido a la transpiración o vía poros a través de la evaporación directa (hay que considerar la capilaridad como proceso coadyuvante). El resultado de este proceso es una redistribución de elementos desde la profundidad del perfil a la superficie. Esto ocurre cuando los tejidos vegetales retornan a la superficie una vez muertos (aporte de materia orgánica fresca) o por precipitación de los materiales solubles (salinización) en superficie.

Por último, con baja energía radiante no hay transferencia de calor al agua, el suelo pierde calor, se enfría y puede llegar al congelamiento. En tanto, una elevada incidencia de radiación solar intensifica la pedogénesis debido al elevado suministro energético. Esto se manifiesta en algunos suelos tropicales por alto grado de meteorización y la subsiguiente acumulación de compuestos residuales más resistentes a la transformación.

La gravedad es la fuerza que dinamiza los movimientos en superficie tales como coluviación, solifluxión, flujos de lodo y escurrimiento superficial de sedimentos, engrosamientos por sedimentación, etc. y los movimientos en el interior del suelo: percolación, lixiviación y eluviación. Todos estos procesos son respuesta a la atracción gravitacional de la masa y provocan cambios en la organización espacial del sistema suelo.

Los flujos externos inducen a cambios en las forma de la superficie del suelo: decapitación o denudan la parte superficial en situaciones topográficas inestables por movimientos en masa (desprendimientos, deslizamientos, erosión). En contraste, producen la adición de materia por deposición o sedimentación del material transportado por el viento y el agua en zonas de acumulación del paisaje.

Los flujos internos, producidos por la atracción gravitacional tienen fuerte significancia sobre la diferenciación de horizontes y ocurren como resultado del movimiento del agua desde la superficie hacia capas más profunda del suelo a contenidos de humedad mayores que la capacidad de campo. Para que este proceso tenga lugar es necesario el ingreso de agua como flujo externo de entrada al sistema suelo. Si la precipitación excede la evaporación hay un movimiento de neto de agua y elementos solubles o en suspensión (lixiviación y lavado respectivamente) que son desplazados hacia abajo por efecto gravitatorio a través del perfil.

Si bien la cantidad de agua disponible para lixiviar o lavar a través del perfil está condicionada por la posición topográfica y el balance lluvia/evaporación, la cantidad de material lixiviado o lavado está determinado por características internas tales como permeabilidad (matriz porosa), la profundidad de la zona no saturada o vadose, la presencia de capas cementadas o de material rocoso impermeable. No obstante, la percolación de agua es el principal flujo de energía responsable de la translocación y remoción de los constituyentes del suelo.

La translocación de arcilla, materia orgánica y aluminio tienen como consecuencia la formación de la mayoría de los horizontes más diferenciados en los suelos: argílico, álbico y spódico. El lixiviado de componentes solubles, promueve el desarrollo en casi todos los suelos y es una de los procesos de exportación de desecho (entropía) fuera de las fronteras del sistema suelo. Por último, es interesante hacer notar, que mientras la radiación solar tiende a concentrar los elementos en la superficie, la gravedad tiende a moverlos hacia adentro (abajo) o afuera. La siguiente figura esquematiza los tipos de flujos verticales y horizontales adentro del suelo como los flujos de intercambio con el entorno (Figura 7).

Figura 7: Representación esquemática de flujos en suelo y algunas unidades (adaptado de Smeck et al., 1983).

3.2 – Flujos, procesos y trayectoria evolutiva del suelo.

El trabajo del fluir de materia y energía en el suelo, al inicio de la trayectoria evolutiva posee una función prevalente: impulsar el cambio en el material de origen del suelo hacia un estado más organizado, con mayor energía libre e información. No obstante esta dinámica adquiere durante el tiempo de génesis un carácter diferencial. Por un lado se desarrollan procesos, flujos y cambios de tipo cíclicos (reversibles) y relativamente rápidos (∆t diarios o estacionales). Esta dinámica, por un lado crece en magnitud conforme transcurre el tiempo de génesis y por otro interacciona y retroalimenta a los procesos lineales (irreversibles) y más lentos (∆t centurias, milenios) que van cambiando de estado, organización por formación de masa, energía e información en el suelo (Figura 7). El primer grupo de procesos de carácter reversible y alta dinámica temporal se denominan Procesos Funcionales del Suelo (SFPs), mientras que el segundo grupo de carácter irreversible y lenta dinámica temporal se denominan Procesos Específicos de la Pedogénesis (SPPs) (Tabla 3) .

Figura 8: Flujos, procesos y evolución del suelo (traducido y adaptado de Lin 2014).

Tabla 3: Detalle de los SFPs y SPPs

3.3 - Flujos de energía y entropía

El suelo como sistema abierto acumula e intercambia materia y energía con su entorno. El flujo energético a través del cuerpo del suelo es el que dinamiza los procesos de acumulación y ordenamiento de materia durante su evolución genética (SPPs – Figura 8) y es el que mantiene los flujos funcionales (SFPs – Figura 8) operando y los flujos de disipación de energía no útil (entropía). Vale recordar para que fluya energía es necesario la existencia de gradiente o diferencia de energía potencial entre una fuente y un sumidero.

El grado de organización que alcanza un suelo está directamente relacionado con el balance entre los procesos lineales (SPPs – Figura 8) y con los procesos de disipación de energía no útil. En otras palabras, el grado de organización espacial y temporal que alcanza un suelo es proporcional al flujo energético que circula a través de su masa.

Durante la etapa de formación de un suelo, este incorpora y almacena más energía que la que cede al entorno. Esta característica hace que disminuya su entropía interna (desorden) o aumente su entropía negativa y adquiera, de esta manera, una determinada capacidad de realizar trabajo (energía libre). Este proceso es contínuo en el tiempo y avanza hasta que se alcanza un estado de no-equilibrio energético, cuasi-estacionario o estado estacionario-dinámico u homeostático: el sistema no crece, no se diferencia, no se degrada sino que permanece dinámico en sus flujos pero estacionario en sus cantidades y cualidades. En este punto de la historia evolutiva de un suelo, se puede considerar que los flujos de materia y energía que circulan a través de su masa -principalmente calor, agua, carbono y elementos químicos en solución o suspensión, se hacen relativamente constantes.

Estas características, propias de un sistema abierto, hacen que cada suelo alcance un determinada capacidad de realizar trabajo, de movilizar energía y materia (SFPs – Figura 8) y que se expresa a través de la calidad de sus propiedades morfológicas, físicas y químicas, en la velocidad de los flujos que circulan a través de su masa y en la capacidad de auto – equilibrio o auto – regulación, propiedad de los sistemas abierto denominada resilencia.

En el estado de no-equilibrio[1] termodinámico, los flujos energéticos que circulan son dos: el flujo de energía cuyo balance se deduce de la 1º Ley y el de entropía que obedece al enunciado de la 2º Ley de la termodinámica (Steinborn and Svirezhev, 2000). Ambos ocurren en forma simultánea para mantener el sistema alejado del equilibrio termodinámico. La Figura 9 sintetiza ambos flujos en el sistema suelo.

[1] Los suelos no cumplen con la 2º Ley. De cumplirse, todo conduciría en dirección hacia la azarosidad completa del sistema. En algún momento los minerales se destruirían, no existirían gradientes de presión y ni de temperatura y los paisajes no solo se nivelarían completamente, sino que seria imposible distinguirlos debido a la inexistencia de interfases entre la tierra, el agua y el aire. Todos los procesos se detendrían ya que toda la energía se ha disipado al espacio intersideral y se habría alcanzado el equilibrio universal con el máximo desorden, homogeneidad o entropía. Pero como el suelo acumula entropía negativa o energía útil, la segunda Ley explica solo los procesos disipativos de carácter irreversibles donde siempre ΔS > 0.

Figura 9: Flujos de materia, energía y entropía y trabajo en el sistema suelo (Traducido y adaptado de Lin, 2010)

*Entradas*	*Salidas*	Procesos Organizativos	*Procesos* *Disipadores*
Radiación Solar Gravedad Energía interna Tierra Lluvia y Calor Producción Primaria Neta	Evapotranspiración Erosión Percolación / Lixiviación Emisión de gases Exportación de nutrientes	Fotosíntesis Humificación Agregación Floculación Horizonación Ilimerización	Meteorización Mineralización Respiración/combustión Dispersión Mezclado físico Pérdida de agregación

Explicación del diagrama Figura 9: La energía que fluye a través del suelo tiene sus orígenes en tres fuentes: la radiación solar, la gravedad y la energía interna de la tierra. Por su parte, la masa tiene su origen en la lluvia y la productividad primaria neta (sin considerar la influencia acción humana). Esta masa y energía dinamizada por los procesos atmosféricos y geológicos transfieren al suelo calor (Q_in) y materia (m_in). Esta transferencia impulsa trabajo (W) que junto al calor y materia incorporada al sistema, cambian la energía interna del suelo (∆U). Por otra parte, durante la evolución del suelo el ingreso de calor y materia dinamizan los procesos pedogenéticos que impulsan cambios en cantidad y calidad el suelo, lo diferencia de su material de origen y lo organizan vertical y horizontalmente. Paralelamente a este fluir de energía se establece, por imperio de la 2º Ley de la termodinámica, un flujo de entropía producto del balance entre procesos disipativos que generan desorden, desestructuración y homogeinización y procesos organizativos que generan orden, estructura y heterogeneidad. La entropía total (ΔS_total) es la suma de la entropía de los procesos disipativos internos e irreversibles (ΔS_interna) que es siempre positiva y del cambio de entropía con el entorno (ΔS_intercambio) que puede ser positiva o negativa. El resultado final de este balance de entropía total (ΔS_total), si es negativo la entropía fluye hacia el sumidero como calor (Q_out) y materia de desecho, no útil (m_out). De lo contrario, si es positivo se acumula adentro de los límites del sistema suelo y cambia su condición de estado (∆U) pudiendo incluso, acercar el sistema al equilibrio termodinámico impuesto por la 2° Ley: la muerte. Por último, el destinatario de todo este trabajo (W) es el establecimiento y evolución de la vida en el suelo y la estabilización de las formas de los paisajes. Ambos subsistemas vuelven a influir o retroalimentar el balance de materia, energía y entropía de manera cíclica manteniendo el sistema en estado alejado del equilibrio termodinámico.

En términos de balance, la energía fluyendo desde la fuente al sumidero y pasando por el suelo se expresa como:

∆U = Q_net – W + (mh)_net[3]

Donde, ∆U cambio de energía interna del suelo, Q_net cantidad neta de calor adicionado (Q_inp – Q_out); W: trabajo, (mh)_net: plus energético por ingreso de materia donde h: entalpía (calor contenida en la masa de la materia) y m cantidad de materia adicionada: m_net = (m_inp – m_out).

En términos de balance de entropía, correspondiente a una serie de procesos de carácter disipativos se expresa como:

ΔS_total = ΔS_interna + ΔS_intercambio[4]

El término ΔS_interna se refiere a los cambios de entropía en el suelo relacionados a los procesos disipativos, generalmente de carácter irreversible que impactan fundamentalmente a nivel de microestructura, fases (i-3, i-4) de los niveles jerárquicos (Tabla 1) e involucra partículas o moléculas relativamente simples. De acuerdo a la 2ª Ley este cambio de entropía es siempre positivo y se corresponde con la entropía interna de Prigogine (ΔS_i).

El término ΔS_intercambiorepresenta el cambio de la entropía del suelo en relación al intercambio con el entorno. El resultado del intercambio puede ser positivo negativo y se corresponde al término (ΔS_e) de Prigogine (1961). Si es negativo se exporta entropía afuera de los límites del sistema alejando el mismo del equilibrio termodinámico. Por el contrario, si es positivo la entropía se acumula adentro del sistema y acercando el mismo a su equilibrio termodinámico.

Durante la pedogénesis, el cambio ∆U se expresa en términos termodinámicos de la siguiente manera:

∆U = T ∆S_total – P ∆V + ∆G [5]

Donde, T y P son temperatura y presión promedio del sistema, ∆V cambios de volumen del sistema (es el espacio que ocupa el mismo) y ∆G cambio en la energía libre Gibb. Esta expresión nos indica que un sistema suelo alcanza al final de su trayectoria evolutiva, un determinado nivel energético que tiene relación directa con su capacidad de realizar trabajo (energía libre de Gibbs) y entropía.

Finalizada la pedogénesis y dado que en condiciones estables de P y V, U ≈ H (entalpía), reemplazando en la expresión anterior:

∆G = H - T ∆S_total [6]

Donde ∆G la energía libre de Gibbs tiene relación directa con la entropía. Si ∆S_total > 0 el sistema pierde energía libre: [H – (+ ∆S)]. Por el contrario si Si ∆S_total < 0 el sistema gana energía libre [H – (– ∆S)]. Si el valor final de ∆G = 0 el sistema se encuentra en equilibrio termodinámico, ∆G > 0 en el sistema no ocurre ningún trabajo de forma espontánea y si ∆G < 0 en el sistema el trabajo ocurre de manera espontánea y cuando más negativa sea dicho valor más capacidad de realizar trabajo.

La Figura 10 relaciona estados de S y G de tres suelos calculados a partir de la composición química y reactancia de sus minerales según Volobuyev and Ponomarev (1977) y modificado a los fines de este análisis.

Figura 7: Energía libre de Gibbs (ΔG) y entropía (S) para diferentes suelos y minerales asociados a su composición mineralógica (extraido de Lin 2011).

La construcción de de esta gráfica se realizó a partir del cálculo de S y G de los minerales fueron calculados sobre la base de la termodinámica de sus reacciones químicas. Por tanto los valores de S y G para los suelos y rocas se calcularon asociando los valores de S y G de los minerales con la composición mineralógica de cada suelo. Por su parte, S corresponde a entropía que se no se exporta al entorno (ΔS_matrizo ΔS_i) y por tanto se acumula en el suelo.

De la relación encontrada se deduce que:

- G < 0 para todos los suelos indican que se encuentran lejos del equilibrio termodinámico desde el punto de vista mineralógico y los de mayor nivel energético son los Oxisoles, seguido de los Molisoles y por último los Vertisoles.

- S > 0 para todos los suelos indican la acumulación de entropía interna por el proceso de meteorización, siendo los suelos con mayor nivel de desorden mineralógico los Oxisoles, seguido de los Molisoles y por último los Vertisoles.

- Oxisoles son los suelos que acumulan la mayor entropía dado los intensos procesos de meteorización a lo que están sometidos. En el estado estacionario los minerales predominantes de la matriz son los más estables a la meteorización ya que son óxidos residuales de Fe y Al y cuarzo. En el otro extremo de la gráfica se encuentran los Vertisoles, suelos que desde el punto de vista mineralógico mantienen estructuras organizadas por tanto su entropía interna es menor. Molisoles se localizan en la escala media de la relación.

3.3 – Cuantificación de los flujos de energía:

Se presentan dos metodologías para el cálculo del balance energético en términos de flujo de energía sin considerar el stock o acumulación de la misma en el suelo.

3.3.1 – Modelo de Volobuyev

Este modelo consiste en calcular la energía necesaria para dinamizar los procesos generales de la génesis: adiciones, pérdidas, transformaciones y translocaciones. Estos procesos conceptualizados por Simonson (1959) a escala de pedón, utilizan como fuente de energía casi exclusiva la radiación solar y en menor medida la gravedad (Chadwick & Graham 2000, Hoosbeek et al. 2000). Un importante aporte metodológico en esta línea lo realiza Volobuyev (1964). Este autor, al estudiar la distribución geográfica de los suelos en el mundo encontró que los diferentes tipos genéticos se desarrollan dentro de determinados intervalos de radiación solar y precipitación. En tal sentido, al procesar numerosos datos de temperatura, lluvia, evapotranspiración y productividad de la fitomasa nativa para diferentes tipos genéticos de suelos, encontró una relación exponencial entre el consumo o gasto de energía solar para la formación del suelo (Qfs) y la radiación solar neta para zonas con el mismo rango de temperatura –a las que denominó Termosecuencias y con distinto rangos de un índice de humedecimiento (Kn)–denominadas Hidrosecuencias. La expresión gráfica del modelo se presenta en la Figura 11

Figura 11: Relación entre energía de formación del suelo (kcal cm-2 año-1), radiación solar neta, rangos de temperatura y rangos de índice de humedecimiento (Volobuyev 1964)

A partir de relaciones empíricas desarrolló un modelo matemático que cuantifica el flujo anual de energía de formación del suelo y estableció en que proporción dicha energía es utilizada en diferentes procesos pedogenéticos.

El procedimiento de cálculo de la energía dinamizada durante la formación del suelo es necesario contar con datos medios anuales de:

Ø radiación global a nivel de suelo,

Ø temperatura del aire

Ø precipitación

Ø evapotranspiración potencial.

Con las variables enumeradas precedentemente, se calculan diferentes parámetros energéticos para estimar finalmente la energía dinamizada en la formación del suelo. El primer parámetro energético que se calcula es el Índice de Humedecimiento (Kn) que surge de la relación entre el flujo anual de ingreso y de egreso de agua al que está expuesto cada suelo (valor adimensional). Este índice permite clasificar ambientes pedogéneticos desde el punto de vista de la disponibilidad hídrica por el clima. El cálculo se realiza con la ecuación [1]:

[7]

Donde: P y E₀ son los valores medios anuales (mm año^-1) de precipitación efectiva y evapotranspiración potencial respectivamente.

El segundo parámetro energético a calcular es la radiación solar neta a nivel del suelo (Rn) que surge del balance entre la radiación de onda corta que llega a la superficie del suelo y la radiación de onda larga emitida por la tierra. Contando con el dato de radiación solar global de cartas solarimétricas (Grossi Gallegos, 1998) o radiómetros, se procede a convertirlo en radiación neta mediante la ecuación [2]:

Rn = Rg (1 - α) + Re – Rs [8]

Donde:

Rn = radiación solar neta (kcal cm^-² año^-1 ó kJ m^-² año^-1 ó W m^-²)

Rg = radiación global a nivel del suelo (kcal cm^-² año^-1 ó kJ m^-² año^-1 ó W m^-²)

a = albedo cuyo valor para praderas es 0,2 y para bosques 0,15.

Re = radiación de onda larga entrante que surge del producto entre la constante de Stefan Boltzmann (5.7x10^-8 W m^-2 K^-4) y la cuarta potencia de la temperatura media anual del aire expresada en grados K.

Rs = radiación de onda larga saliente que surge del producto entre Re y el coeficiente de emisividad de la tierra medio anual (0,805).

El tercer parámetro energético a calcular es el Índice Hidrotérmico (IHT). Este índice representa la magnitud relativa de los flujos de energía externa que ingresan al suelo por radiación solar y precipitación, es adimensional y se calcula con la ecuación [3].

[9]

Donde
IHT: índice hidrotérmico

Rn: radiación neta media anual (kcal cm^-2 año^-1)
L: calor latente de evaporación del agua (0,591 Kcal g^-1)
P: precipitación media anual (g cm^-2 año^-1)
S = escurrimiento superficial medio anual (g cm^-2 año^-1). Este parámetro puede desestimarse áreas de extensas planicies con pendientes menores al 1%.

Por último, el cuarto parámetro energético a calcular es la energía de formación del suelo. Esta representa, durante la etapa de formación, el gasto de energía solar para dinamizar los procesos de génesis. La energía de formación se calcula con la ecuación [4]

[10]

Donde:

Qfs = energía olar que anualmente participa en los procesos de formación del suelo o del mantenimiento de su organización pedológica (kcal cm^-² año^-1 ó kJ m^-² año^-1)

Rn = radiación solar neta media anual (kcal cm^-² año^-1 ó kJ m^-² año^-1)

e = 2,718 (base del logaritmo natural o neperiano)

IHT: índice hidrotérmico (ecuación [3])

La productividad primaria neta de fitomasa nativa también depende de las condiciones de temperatura y humedad. Como ambas variables climáticas se correlacionan con la formación de suelo, es lógico esperar una correlación también con la productividad. En tal sentido, Volobuyev (1974) determinó empíricamente la siguiente ecuación [5]:

[11]

Donde: Yppn: productividad primaria neta en (Mg ha^-1 año^-1)

Qfs: energía de formación de suelo en (kcal cm² año) (ecuación [4])

n = 1,38

Aplicación del modelo para suelos de Argentina

3.3.2 – Modelo Rasmussen

En la misma línea de evaluación energética que el modelo precedente, Rasmussen (2005) tomando como modelo conceptual el propuesto por Jenny (1961) que establece que el estado de un suelo (S) es función de un factor estado inicial (L), un factor de flujo externo (P) y la edad del sistema (t); desarrolló un modelo matemático que permite calcular en unidades de energía el aporte que realiza la precipitación efectiva y la productividad primaria neta (factor P) y un índice de meteorización (PMI) basado en las características químicas y físicas de la roca madre (factor L) El factor edad en este modelo (t) es desestimado.

Para el cálculo de la energía proveniente de la lluvia se determina en primer lugar la precipitación efectiva. El autor establece que sólo en aquellos ambientes donde la lluvia es mayor o igual a la evapotranspiración potencial (P ≥ ET) hay un excedente al que denomina precipitación efectiva (Pe) que es la que fluye a través del cuerpo del suelo y tiene un potencial meteorizante. Como la energía del agua está asociada a la temperatura, el modelo asume que el agua fue acondicionada desde los 0 ºC (temperatura de cristales del hielo) a la temperatura del aire (MAT) durante la licuefacción de la misma. Cuando el agua ingresa al suelo mantendría una temperatura similar a la del aire ya que la temperatura del suelo es similar a aquella. En consecuencia, la temperatura del aire puede ser utilizada como una aproximación de la energía contenida en el agua por temperatura de la Pe. Por otra parte, la energía cinética del flujo de agua a través del suelo es desestimada. En consecuencia, el valor energético del flujo de agua a través del suelo que proviene de la precipitación efectiva se calcula con ecuación:

[12]

Donde: E_P = flujo energía por lluvia (J m^-2 año^-1)

c = calor latente de evaporación (4.18 J g^-1 K^-1),

P_i = masa de agua media mensual precipitada (g m^-2) si P ≥ ET

MAT_i = temperatura media mensual (K)

Para cuantificar el ingreso de energía biológica al sistema suelo el modelo utiliza el modelo propuesto por Lieth (1975) que relaciona la productividad primaria neta con la temperatura media anual mediante la ecuación [7]:

[13]

Donde PPN = Productividad Primaria Neta (g m^-2 año^-1)

MAT_i = temperatura media del aire (ºC) para los meses que P ≥ ET

Para transformar la masa producida a unidades energéticas:

[14]

Donde E_PPN = flujo energía por materia orgánica (J m^-2 año^-1)

PPN = Productividad Primaria Neta (g m^-2 año^-1)

fe = unidad de conversión energética (22.200 J g^-1)

Por consiguiente el flujo final de energía que ingresa al sistema E_in suelo es:

[15]

3.4 –Valoración cualitativa de la entropía

La diferenciación y organización del material originario de los suelos en pedones se debe a la acumulación de materia y energía durante la génesis, por tanto la entropía del sistema disminuye por exportación de entropía hacia los sistemas circundantes. Entonces, la génesis del suelo permite alcanzar un ordenamiento del mismo con mayores niveles energéticos e informativos, conducidos por los flujos de energía y materia y por el balance de entropía.

La categorización del tipo de entropía resultante de la pedogénesis puede ser valorada cualitativamente para cada nivel jerárquico del sistema suelo y en un determinado tiempo. Por ejemplo, la meteorización mineral incrementa el desorden porque produce minerales desorganizados por lo que la entropía es positiva. Sin embargo, cuando los productos de la meteorización mineral restablecen la concentración de la solución del suelo o cuando precipitan para formar minerales secundarios (coloides) la entropía es negativa a pesar de que son procesos de velocidades muy diferentes. La ganancia de materia orgánica del suelo implica entropía negativa mientras que la mineralización de la misma entropía positiva. La eluviación - iluviación, se refiere a la remoción preferencial de constituyentes tales como arcillas, quelatos orgánicos y óxidos de una zona del perfil y la subsiguiente acumulación a otra. Dado que estos procesos tienden a clasificar los constituyentes del suelo, incrementan el orden dentro del mismo y por tanto se le asigna un valor negativo a la entropía. La lixiviación remueve o elimina productos de reacciones irreversibles, por tanto incrementa el orden y también implica entropía negativa. El mezclado físico (P.ej. argiloturbación en los Vertisoles) es un proceso pedogenético donde la entropía es positiva.

En la Tabla 5 se enumera algunos de los procesos pedogenéticos mencionados y su relación con el balance de entropía.

Tabla 5: Relación entre proceso pedogenético y entropía

Proceso Pedogenético	Tipo	Entropía
Adición	materia orgánica minerales	negativa positiva
Remoción	lixiviación erosión	negativa positiva
Transformación	minerales materia orgánica	positiva negativa
Translocaciones	lavado	negativa

En situaciones con capas freáticas conectadas capilarmente a la superficie, la evaporación puede trasladar a los horizontes superficiales iones desde el freático. Esto iones son productos de la entropía eliminada de sistemas circundantes, mientras que en situaciones de suelos sin vegetación, la energía radiante acelera el ascenso de solutos por capilaridad, redistribuyendo en el perfil la entropía de otros sistemas y aumentando el nivel de desorden del mismo (entropía positiva). La misma situación pero con la superficie del suelo cubierta de vegetación viva o muerta, neutraliza esta tendencia y por tanto el balance de entropía puede ser negativo.

La evaporación de agua en suelos en laderas con peligro de deslizamiento en masa, en suelos con posibilidad de congelamiento, en suelos con freática alta sin sales es un proceso de entropía negativa. Los procesos vinculados a la gravedad (coluviación, solifluxión y deslizamientos en masa) implican entropía positiva.

El balance de entropía durante la formación de suelos es analizado cualitativamente por Smeck et. al. (1983). Dicho balance es debido a distintos procesos pedogenéticos y por orden de suelo se indican en la Figura 9. Se asigna un valor positivo o negativo a cada proceso en función de una evaluación conceptual sobre el cambio en la azarosidad o desorden que producen durante la evolución del perfil.

a) El mezclado físico debido a las presiones de expansión - contracción, a la actividad biológica u otros procesos como el congelamiento - descongelamiento, incrementan la distribución azarosa de los componentes del suelo y por tanto, se le asigna un DS positivo.

b) La meteorización mineral involucra la ruptura de enlaces químicos que resulta en liberación de energía y en un incremento en el desorden porque produce minerales desorganizados por lo que la entropía es positiva. Sin embargo, cuando los minerales meteorizados precipitan para la formación minerales secundarios (coloides) la entropía es negativa.

c) La acumulación de materia orgánica es un proceso que disipa, reorganiza, traslada y acumula energía por lo que se arroja un balance de entropía negativo.

d) La lixiviación disminuye la entropía. Sin embargo se puede argumentar que una vez que el lixiviado dejó el solum, la azarosidad del suelo lixiviado se incrementó debido a la remoción total o parcial de los componentes solubles. Pero para la finalidad del balance propuesto se acepta la primera hipótesis y se asigna, un valor negativo.

En la Figura 9 se estima el cambio neto de entropía para cada Orden de suelo sumando los cambios de entropías individuales para los procesos indicados. El cambio de entropía de cada proceso es ponderado por su contribución relativa en la formación del suelo.

Debido a que la mayoría de los procesos producen cambios de entropía negativos, el cambio neto de entropía para la mayoría de los órdenes es negativo. Sin embargo si el mezclado físico y la meteorización de minerales primarios fueron mucho más importantes en el desarrollo de los suelos que los otros procesos, el cambio de entropía neta pasa a ser positivo.

Según Smeck et. al. (1983) el balance de entropía es conceptualmente razonable, por lo que se sugiere que la pedogénesis resulta en una disminución de entropía para la mayoría de los órdenes de suelo. Solo en la formación del Vertisol resulta un cambio de entropía positivo debido al movimiento interno de materiales que sufre. Para los otros ordenes el balance arroja cambios de entropía negativos al desarrollar sus respectivos perfiles. Por último las consideraciones generales que los autores asumen para esquematizar el balance son:

- Los procesos seleccionados son los más relevantes y no son mutuamente excluyentes.

- La longitud de la flecha es directamente proporcional a la importancia de cada proceso en cada orden.

Figura 12: Representación esquemática del balance de entropía cualitativo en diez órdenes de suelos (Smeck et al, 1983)

3.5 – Valoración cuantitativa de entropía

En este epígrafe se presenta un modelo para cuantificar el balance de entropía en un agroecosistema. Un agroecosistema es un “transformador” de energía natural y artificial en energía de valor económico. El incremento en la producción de un agroecosistema se correlaciona positivamente con el incremento en el flujo de energía artificial (maquinaria, combustible, pesticidas, fertilizantes). Sin embargo, hay un límite a este crecimiento y el mismo queda establecido por la capacidad del sistema de exportar entropía a su entorno o de acumular entropía negativa. Recordemos que la incorporación de energía y materia al sistema suelo (Made-man input – Figura 6) no solo impacta en el balance de energía total del sistema (∆U = Q_net – W + (mh)_net) sino también en el balance de entropía (ΔS = ΔS_i + ΔS_e). Si el sistema no es capaz de exportar entropía esta se acumula internamente y hace disminuir la energía libre decayendo su capacidad de realizar trabajo (DG = DH - T DS).

En un agroecosistema se extrae solo una porción de la energía de valor económico que se produce. El resto queda adentro del propio sistema. Supongamos un agroecosistema de maíz: una parte de la energía dinamizada se convierte en granos y la otra parte en rastrojo. El rastrojo una vez generado ingresa en el flujo de entropía por tanto, de alguna manera debe reciclarse, sino su acumulación es permanente (en ciclos productivos sucesivos) introduciría tal desorden en la superficie del suelo que bloquearía los flujos de intercambio con el entorno por tanto su capacidad de realizar trabajo en el agroecosistema.

En tal sentido, el rastrojo debe “degradarse” mediante el proceso biológico de la “respiración”. Para que el producto de la respiración (entropía) pueda fluir hacia afuera de los límites del agroecosistema debe establecerse un gradiente de entropía entre el sistema y su entorno. Este gradiente ha sido denominado como “bomba de entropía” (Svirezhev 1996). La BE es la capacidad del agroecosistema de exportar entropía (ΔS_e) y depende de la cantidad de energía artificial incorporada (W), de la producción del agroecosistema (P₁) y de la producción del sistema en el estado estacionario (P₀) post-pedogénesis. El modelo conceptual desarrollado por Svirezhev (1996) es:

DS_T = W + (1-k) (1-r) P₁ + rP₁ – P₀[16]

DS_T: flujo entropía a una determinada temperatura (ºK)

W: energía externa (insumos y herramientas)

P₁: energía producida anualmente por el agroecosistema.

P₀: energía producida anualmente en el bioma vegetal en un suelo en estado estacionario post - pedogénesis.

(1-k)(1-r)P₁: entropía remanente en el agroecosistema (ΔS_i) donde k: proporción de energía extraída del ecosistema o índice de cosecha y r: coeficiente de respiración del bioma vegetal)

rP₁: entropía disipada por respiración (ΔS_e)

El flujo de entropía en un agroecosistema se puede calcular matemáticamente con la siguiente ecuación:

[17]

DS: flujo entropía anual

T: temperatura media en ºK

P₀: producción de energía del bioma vegetal nativo

y : producción energía del agroecosistema

n = y / W eficiencia de uso de la energía externa

s = k (1 – r) entropía interna (ΔS_i)

Si DS > 0 en el sistema acumula entropía interna (material vegetal que no se degrada) y por tanto decae su energía libre. Por el contrario si DS < 0 el sistema exporta entropía a su entorno y mantiene su energía libre.

Este modelo explica claramente que “el hacer fluir energía en un sistema suelo para obtener bienes económicos indefectiblemente por imposición de la 2º Ley debe aumentar la entropía del entorno por la exportación de entropía que tiene efectuar el sistema suelo para mantener su capacidad de realizar trabajo”.

El fluir de la entropía de un agroecosistema parte se hace como calor hacia el espacio pero otra parte se acumula en los ecosistemas terrestres (pe. atmósfera CO₂ , en la hidrósfera N-NO₃^-) por tanto va incrementando el desorden en el entorno con consecuencias negativas para la supervivencia humana. Este proceso se conoce como pasivos ambientales que entre los más vinculados a la actividad agropecuaria se destacan el calentamiento global (por emisión GEI por combustión de materia orgánica, combustibles fósiles, emisiones de metano por rumiantes, etc.), la contaminación con nitrógeno del agua (por lixiviación de nitratos por la ineficiencia en el uso de fertilizantes, fijación biológica, etc.) y la contaminación con fósforo del agua (por escurrimiento superficial y lixiviación) (Rockstron et al., 2009).

3.7 – Entropía e información

La entropía también se usa para medir la cantidad de información promedio que contiene un sistema. La entropía de la información valora el grado de ordenamiento de un sistema (más diferenciado, más ordenado → menos entropía y viceversa) por lo que permite conectar los patrones de organización del sistema suelo con la entropía termodinámica (Quijano y Lin, 2014)

La entropía de la información se puede aplicar a la composición química total del suelo en función del contenido de óxidos totales (Zapata 2006). De acuerdo a la 2º Ley, cuando mayor homogeneidad en la composición mayor es la entropía pues se acerca al equilibrio termodinámico. En tal sentido, la relación entre el contenido individual de óxidos (Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, Mn) y el total de óxidos en el perfil del suelo es una información que en términos entrópicos se puede calcular con la siguiente ecuación:

[18]

Donde, S (negativa) es la entropía informativa, Xi es el contenido porcentual de iésimo óxido, G es la suma porcentual de todos los óxidos en el suelo y N es el número de óxidos contabilizados en la masa del suelo. Los valores máximos y mínimos de entropía, calculados con la ecuación [18] dependen del número N. En tal sentido, el valor mínimo de S, cercano a cero, se obtendrá cuando prevalezca un solo óxido en toda la masa del suelo. Por el contrario, el valor máximo de entropía (S<0 10="" 3="" a="" contabilizados="" contabilizan="" contenido="" contenidos="" cuando="" de="" el="" en="" entrop="" es="" igual="" iguales.="" los="" m="" n="" nbsp="" p="" pe.="" porcentual="" presenten="" se="" si="" valor="" xidos="" ximo="">

La Tabla 6 da cuenta de la proporción de óxidos (Xi de la ecuación [18]) en un Fluvaquent, Distropept y Paleudult en una toposecuencia.

Tabla 6: Contenido de óxidos en tres suelos

En función de las proporciones y aplicando la fórmula [18] la entropía relativa para los tres suelos resulta:

Figura 13: Entropía informativa de un Fluvaquent (1), Distropept (2) y Paleudult (3)

En términos comparativos, los suelos de los órdenes Entisol e Inceptisol poseen un mayor nivel de diferenciación a nivel de la fase mineral que el Ultisol. En este suelo hay más predominio de un tipo de óxido mientras que en los otros dos hay mas variabilidad en el contenido de óxidos. Otra información que se deduce es que al metro de profundidad el Paleudult típico y el Distropept oxico (emparentado con el orden Oxisol) presentan valores de entropía aproximado de -1 mientras que el Fluvaquent de -2. Al relacionar con la entropía termodinámica esto significa que los dos primeros suelos han evolucionado mas en su trayectoria pedogenética. De hecho, Ultisol y Oxisol son los suelos mas “viejos” y mas desarrollados (Figura 18). A nivel de horizontes, se observa que en los horizontes eluviales (Apg, Ap, Ah) son removidos elementos solubles y se acumulan elementos insolubles. Como resultado, se generan horizontes con pocos óxidos y por tanto la entropía es mayor (mas próxima a 0). En la medida que aumenta la diversidad y proporción relativa de cada óxido, sea por iluviación (Bt), meteorización in situ (Bw) o procesos redoximorficos (Ahg, ABg) el contenido de la mayoría de los óxidos se incrementa por tanto la entropía es menor (S<<0 div="">

3.8 – Condición de estado: evolución y estado homeostático

La condición de estado de cualquier sistema se caracteriza por un conjunto de propiedades o variables: las variables de stock representan la condición estacionaria del sistema y variables de flujo representan la condición dinámica del sistema en un determinado momento de la trayectoria o al final de la misma. En otras palabras, cada condición de estado del sistema se puede definir por los valores de sus variables de stock y de flujo. La Figura 14 – Tabla 7 ejemplifica diferentes condiciones de estado de un sistema suelo durante una posible trayectoria evolutiva.

Figura 14: Esquema de la condición de estado de diferentes suelos (traducido y adaptado de Lin, 2010)

Tabla 7: Variables stock y flujo para la condición de estado de diferentes suelos (traducido y adaptado de Lin, 2010)

		Entisol	Inceptisol	Alfisol	Ultisol
	Edad (años)	10⁰ - 10²	10² – 10⁴	10³ – 10⁵	10⁴ – 10⁶
Variables de Stock	Espesor del solum¹ (m)	0,01 – 0,5	0,1 - 2	0,5 – 5	1 - > 10
Variables de Stock	Horizontes	Sin B	Con B	Con Bt + 35 % Sat Bases	Con B kandico < 35% Sat Bases
Variables de Stock y Flujo	Propiedades hidrológicas	Almacenaje y percolación restringida a < 0,5 m	Moderado almacenaje y percolación	Alto almacenaje y percolación profunda	Percolación restringida por el horizonte B
Variables de Flujo	Conductividad hidráulica del solum	Baja	Moderada	Alta	Alta
	Conductividad hidráulica subsuelo	Baja	Moderada	Alta	Baja
	Dirección preferencial de los flujos	Vertical y lateral	Principalmente vertical	Principalmente vertical	Vertical y lateral

¹Solum: volumen de suelo cuyas propiedades han sido definidas por los procesos de génesis.

Los cambios de estado implican trabajo. En el diagrama de la Figura 15 se esquematiza los principales procesos.

Fig. 15: Funcionamiento del sistema suelo para evolucionar (Traducido y adaptado de Targulian y Sokolova, 1996)

El esquema representa la estructura y dinámica del suelo que impulsa los cambios. La condición de estado del suelo se representa a través de las 4 variables de stock más importantes: contenidos de gases, agua, biota y sólidos. A su vez, el sistema permanentemente está sometido al influjo de materia y energía de fuentes externas provenientes del sol, atmósfera, litósfera, biosfera, hidrosfera y de la actividad humana. Este ingreso de materia y energía impulsa trabajos que generan los productos con ritmos de renovación diferente y con bucles retroalimentación. La fase sólida es la que realimenta el sistema en un bucle continuo por lo que hace crecer el sistema en materia, energía e información: se diferencia.

Para que el sistema avance, evolucione, debe ingresar más energía que la que consumen los trabajos internos y debe exportar entropía a su entorno. En principio cuando este balance input – ouput es cero el sistema alcanza su condición de estado homostático: se mantiene estacionario en el movimiento de sólidos y por tanto se detienen los trabajos que implican translocaciones o transferencias o remociones laterales o verticales adentro y afuera de los límites del sistema. Lo que permanece dinámicos son los flujos de salida que exportan entropía al medio circundantes. La Figura 16 representa el estado estacionario – dinámico.

Fig. 16: Estado homeostático (Traducido y adaptado de Targulian y Sokolova,

Ahora bien: ¿en cuando la condición de estado pueden cambiar? En general esta condición es de alta estabilidad dado la lentitud con la que algunas propiedades son afectadas por las fuerzas de los procesos. Por ejemplo, la formación de un horizonte argílico que limita la percolación de agua debido a una disminución de la permeabilidad del horizonte, y este, a su vez, retarda ulteriores lavados de arcilla y lixiviado de iones, estabilizan el horizonte casi permanentemente y aseguran su funcionalidad en el tiempo. Por otro lado, si el sistema se desvía de la condición de estado debido a cambios en los flujos de ingreso, tienen lugar cambios internos espontáneos para retornar al estado estacionario (Resiliencia). Esto explica, de alguna manera la estabilidad de los sistemas suelos a pesar de la variación de flujos, tales como la variación estacional de la radiación solar o la lluvia que prácticamente no produce cambios importantes en la fase sólida. No obstante si las perturbaciones son intensas por cambios en los factores de génesis o por acción del hombre -pe decapitación del horizonte superficial por erosión, el sistema reinicia el camino evolutivo hacia un nuevo estado estacionario. Figura 17

Figura 17: Trayectorias evolutivas no lineales (traducido y adaptado de Targulian y Krasilnikov, 2007)

Las líneas evolutivas no siempre son predecibles dado que la relación flujo - trabajo por lo general no es lineal. Por lo tanto la evolución o los cambios son poco predecibles y muy especialmente cuando empieza a ser relevante la intervención antrópica. Además, relaciones no lineales pueden significar que pequeños cambios en los flujos y pueden llevar a grandes cambios en las fuerzas y en la condición de estado homeostático (Addiscott, 2009). Sin embargo la Pedología ha estudiado y modelado las trayectorias evolutivas de los suelos, tal como se analiza a continuación.

En principio, y en condiciones naturales cualquier suelo puede alcanzar cualquier condición de estado a partir de la interacción de los factores de la pedogénesis. Sin embargo hay trayectorias preferenciales que predicen alguna línea evolutiva específica. Por otra parte, y desde el punto de vista termodinámico, cada estado alcanza un determinado nivel de energía libre o entropía. Recordamos que a mayor entropía negativa mayor energía libre y por consiguiente mayor capacidad de realizar trabajo. En la Figura 18 se esquematizan diferentes trayectorias evolutivas sin la acción del hombre.

En este diagrama se sintetizan trayectorias evolutivas y los factores de genésis que direccionan las mismas hacia diferentes condiciones de estado. El factor material de origen impulsa la formación de dos órdenes de suelos minerales: Vertisol y Andisol y uno orgánico: Histosol. Por su parte la trayectoria con dominio del factor climático impulsa la formación del orden Gelisol, Aridisol y Molisol, que a este último además del factor clima es definitorio en su condición de estado el factor la biota, vegetación tipo pastizal. En la línea evolutiva con dominio del factor tiempo los órdenes que resultan son Entisol e Inceptisol (suelos jóvenes). Cuando se combina, factor tiempo + clima + vegetación se forman los órdenes Spodosol y Alfisol. Por último, y en condiciones netamente direccionada por el factor clima se forman los órdenes Ultisol y Oxisol.

Por otra parte, cada condición de estado alcanza un determinado nivel de entropía negativa. En primer lugar, esta variable de estado extensiva es una medida del nivel de orden del sistema y por consiguiente del grado de desarrollo o evolución del sistema. Por otra parte, como a mayor ganancia de entropía negativa mayor energía libre del sistema y por tanto mayor capacidad para movilizar flujos y realizar trabajos (Ecuación 6).

Figura 18. Diferentes trayectorias evolutivas del suelo (Traducido y adaptado de Lin 2011).

En la Figura 18 se observa que la condición de estado de partida es el material de origen y tiene la máxima entropía (0). A medida que el sistema se diferencia, acumula materia y energía y se organiza (gana información) por tanto mayor es su entropía negativa. El orden Ultisol es el de mayor valor en la escala de valoración entrópica asignada. Los órdenes Oxisol y Spodosol son los que siguen en grado de entropía negativa acumulada siendo los suelos jóvenes Entisol el menos ordenado y desarrollado (se sugiere analizar los otros ordenes). Sin embargo hay autores (Cline 1961; Foss et al., 1983, Novak et al., 1971) que sostienen que no todos los suelos han alcanzado un estado homeostático, sino que sólo se aproximan a éste. Se ha sugerido, p.ej. que los Entisoles son un estado infantil de los Inceptisoles y estos a su vez de los Alfisoles y estos de los Ultisoles (Figura 14).

Rode, (1961) y Chesworth, (1973), sugieren que el tiempo es la única variable independiente en la formación del suelo y que todos los suelos están en estado de evolución continua, situación que se representa en la Figura 19.

Figura 19: Evolución de los suelos (adaptado de Smeck et. al., 1983)

El gradiente de mayor energía libre y menor entropía en esta línea evolutiva es similar a la planteada por Lin (2011) Figura 18. Un caso particular es el orden Oxisol que es el suelo de mayor evolución pero no el de mayor energía libre. Estos suelos que tienen una alta desorganización minerales por ser suelos de zonas tropicales sujetos a intensos flujos externos (alta entropía interna). Sin embargo para adaptarse a estas condiciones fluye una gran caudal de materia y energía por su masa por lo que les confieren una alta capacidad de realizar trabajo en términos de movilizar agua, gases y materia orgánica. De hecho los bosques y selvas tropicales de estos suelos son los de mayor rendimiento de biomasa por unidad de superficie. Pe. la selva misionera argentina tiene un rendimiento medio 1,7 kg m^-2 año^-1 mientras que un pastizal pampeano dicho valor es de 1 kg m^-2 año^-1 (Garbulsky, 1996).

3.9 – Resiliencia

Conceptualmente, por resiliencia se define la capacidad de “cicatrizar” de un sistema. Trasladar este concepto al sistema suelo no es tan sencillo dado la heterogeneidad, dinámica y variabilidad de los suelos. Blanco y Lal (2008) recopilan siete definiciones de resiliencia para el suelo:

a. La capacidad del suelo para recuperar su integridad estructural y funcional después de una perturbación.

b. La capacidad del suelo para volver al equilibrio dinámico después de la perturbación.

c. La capacidad del suelo para resistir o recuperarse de una perturbación antrópica o natural.

d. La capacidad del suelo para volver a su rendimiento o estado anterior a la perturbación o cerca de este.

e. La capacidad del suelo para resistir el cambio causado por una perturbación.

f. Procesos que permiten a los suelos contrarrestar las alteraciones.

El común denominador en estas definiciones es a) la existencia de una perturbación, b) una condición inicial y c) una condición posterior igual o similar a la inicial. Como podrá advertirse, se trata un proceso dinámico que inicia con el impacto de un disturbio que puede alterar ciertas funciones y si esto ocurre[2] y finaliza cuando estas funciones se recuperan. La siguiente figura sintetiza estos conceptos.

Figura 20: Esquema conceptual de resiliencia. A trayectoria de la función de un suelo que resiste el disturbio, B trayectoria de la función de un suelo que no resiste el disturbio y no se recupera más (resiliencia nula), C trayectoria de la función de un suelo que no resiste el disturbio y se recupera a su nivel inicial (resiliencia máxima)

La aplicación del concepto de Resiliencia permite estudiar la estabilidad y eficiencia de las funciones del sistema suelo en el tiempo. Esto depende del nivel de organización pedogenético (entropía interna y energía libre) de cada suelo y del tipo (magnitud, tiempo) de disturbio aplicado al mismo. Una clasificación cualitativa para diferentes suelos en relación al uso agrícola según Lal y Miller (1993), se presenta a continuación.

Tabla 8: Resiliencia de diferentes órdenes de suelos al disturbio agrícola

Máxima Resiliencia	Molisoles, Histosoles, Andisoles.
Moderada Resiliencia	Oxisoles, Ultisoles, Alfisoles, Entisoles, Aridisoles.
Pobre Resiliencia	Vertisoles, Spodosoles, Inceptisoles, Suelos en relieves complejos.
Nula Resiliencia	Suelos hidromorfos (pobre drenaje, napa salina somera), Suelos someros (contacto lítico), Psamentes.

Una lista de disturbios naturales o antropogénicos que desencadenan mecanismos de resiliencia de un suelo son tomados de Blanco y Lal (1998)

Tabla 9: Disturbios desencadenantes de mecanismos de Resiliencia

Disturbios Naturales	Disturbios Antrópicos
Deslizamientos en masa, Terremotos, Sequias, Inundaciones, Huracanes, Lluvias muy intensas.	Deforestación, Cultivos agrícolas, Cultivos forrajeros, Fertilización, Biocidas, Riego, Salinización, Trafico, Pastoreo, Urbanización.

Diversos relaciones matemáticas se han propuestos para cuantificar la Resiliencia. En general todos apuntan a determinar la cantidad de tiempo que tomaría un suelo para alcanzar el estado de equilibrio y que nivel de recuperación se alcanza post-disturbio. Por ejemplo, Herrick and Wanderm (1998) propusieron un modelo simple para calcular la tasa de recuperación (R_r) anual de una propiedad o función del suelo:

[19]

Donde A es el valor de la propiedad o función previo al disturbio, B es el valor logrado en el equilibrio una vez recuperada la propiedad o función y C es el valor antes del inicio de la recuperación. Este modelo muestra que la resiliencia es un promedio de la tasa de cambio de la propiedad o función con respecto al tiempo. Por ejemplo, la siguiente gráfica muestra los valores de velocidad de infiltración durante una etapa de deterioro y recuperación de la función (tomado de Blanco y Lal 2008):

Fig. 21: Evolución de la infiltración antes y después del disturbio por cambios en los cultivos. (Traducido y adaptado de Blanco y Lal, 2008)

Aplicando ecuación [19] A =150 mm; B= 200 mm y C= 10 mm, por lo tanto Rr = 0,17 mm año^-1

El intervalo de tiempo en el cual la propiedad se recupera es una información crítica para medir la resiliencia. La Tabla 10 muestra datos empíricos de valores en la recuperación de propiedades y el tiempo insumido midiendo el impacto del cambio de uso.

Tabla 10: Cambios en propiedades de horizontes A (0-20cm) (traducido de Blanco y Lal 2008)

Textura del suelo	Usos	Función o Propiedad del horizonte A	Valores antes y posterior al cambio de uso
Textura del suelo	Usos	Función o Propiedad del horizonte A	Antes	Después
Franco arcillo arenoso	2 años en barbecho	Agregados estable al agua (%)	44	66
	2 años en barbecho	Infiltración (cm h^-1)	13	32
	5 años de pasturas con gramínea perenne	Conductividad hidráulica saturada (mm d^-1)	0,04	56
		Densidad aparente (Mg m^-3)	1,7	1,5
		Porosidad (mm³ mm^-3)	0,4	0,4
		Retención hídrica (kg kg^-1)	0,1	0,2
Franco arenoso	6 años en barbecho	Densidad aparente (Mg m^-3)	1,4	1,2
Franco arenoso	6 años en barbecho	Resistencia a la penetración (kPa)	295	132

A excepción de la propiedad Porosidad que no muestra cambios en el período de tiempo medido, el resto de propiedades y funciones muestran cambios para diferentes texturas de suelo, uso y tiempo de recuperación. Las funciones vinculadas a los flujos (conductividad hidraúlica, infiltración y resistencia a la penetración) son las que se recuperan en mayor magnitud. También son notables la recuperación de las propiedades agregados estable al agua y densidad aparente. En la Tabla 11 se presenta una lista de indicadores que se utilizan para medir la resiliencia.

Tabla 11: Propiedades y funciones para medir resiliencia (traducido de Blanco y Lal 2008)

	Físicas	Químicas	Biológica
Propiedad	Horizonación, color, profundidad del solum, contenido de arcilla, densidad, porosidad, estabilidad de agregados, capacidad de retención de agua	pH, stock de maco y micronutrientes, stock de C, relación C/N, materia orgánica estable y particulada, relación de bases de cambio.	Biomasa microbiana, población meso y micro fauna, biomasa radicular, biodiversidad.
Función	Infiltración, permeabilidad, capilaridad, intercambio térmico, intercambio gaseoso.	Lixiviación, intercambio catiónico, acidificación, alcalinización, oxido-reducción.	Respiración, profundidad de enraizado, pedoturbacion biológica, crecimiento vegetal.

3.10 Equifinalidad

Esta característica propia de los sistemas abiertos, se define como posibilidad de llegar a un mismo resultado por caminos o vías diferentes. El siguiente ejemplo ilustra el concepto.

- Dados dos caminos A y B donde, el camino A parte de los elementos 4, 3 y 6 y el camino B de los elementos 2, 5 y 8 pero mantienen iguales relaciones entre elementos:
A= 4 * 3 + 6 y B: 2 * 5 + 8
el resultado al que se arriba es igual en ambas vías: 18.

Es una propiedad de los sistemas fundamental para la formulación de alternativas de funcionamiento del sistema. En el suelo este concepto se ilustra por ejemplo en la nutrición vegetal: un mol de P puede ser dispuesto para el vegetal de la mineralización de la materia orgánica o la solubilización de un mineral fosfatado.

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sábado, 3 de abril de 2021