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NOTAS DE AULA - SOL 250Constituição, Propriedades e Classificação de SolosQUÍMICA DO SOLOProfº Ivo Ribeiro da SilvaViçosa - MG2008-Ii INTRODUÇÃO .............................................................................................................................................. ÍNDICE COMPO...

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NOTAS DE AULA - SOL 250 Constituição, Propriedades e Classificação de Solos

QUÍMICA DO SOLO

Profº Ivo Ribeiro da Silva Viçosa - MG 2008-I

ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO ..............................................................................................................................................1 2. COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO SOLO..........................................................................................................3 3. FRAÇÕES GRANULOMÉTRICAS DO SOLO............................................................................................5 3.1. Composição mineralógica das frações granulométricas do solo.............................................................6 4. SISTEMA COLOIDAL DO SOLO ..............................................................................................................10 4.1. Propriedades de um Sistema Coloidal ....................................................................................................10 5. FRAÇÃO ARGILA DO SOLO ....................................................................................................................12 5.1. ARGILAS SILICATADAS ............................................................................................................................ 12 i. Argilas do tipo 2:1. .............................................................................................................................13 ii. Argilas do tipo 1:1 .............................................................................................................................16 5.2. ARGILAS NÃO SILICATADAS ..................................................................................................................... 17 6. MATÉRIA ORGÂNICA DO SOLO ............................................................................................................ 18 6.1. Compartimentos da matéria orgânica do solo (MOS) ........................................................................... 21 i. Matéria orgânica viva ..................................................................................................................... 21 ii. Matéria orgânica morta ................................................................................................................. 23 6.2. Rotas de formação e características das substâncias húmicas .............................................................. 27 6.3. Características químicas e estruturais das substâncias húmicas........................................................... 28 6.4. Mecanismos de estabilização da MOS ................................................................................................... 34 i. Estabilização química ou coloidal................................................................................................... 34 ii. Estabilização física......................................................................................................................... 36 iii. Estabilização bioquímica ..............................................................................................................38 6.5.Propriedades do solo influenciadas pela matéria orgânica do solo (MOS) ........................................... 39 a). Propriedades químicas ................................................................................................................... 39 i. Capacidade tampão ..................................................................................................................... 39 ii. Capacidade de troca catiônica ...................................................................................................41 iii. Complexação de metais ............................................................................................................. 41 b). Características físicas do solo........................................................................................................ 44 i. Agregação .................................................................................................................................... 44 ii. Retenção de água........................................................................................................................ 64 7. ORIGEM E FORMAÇÃO DAS CARGAS ELÉTRICAS DO SOLO .........................................................76 7.1. ORIGEM DAS CARGAS NEGATIVAS ..........................................................................................................77 7.2. CARGAS POSITIVAS .................................................................................................................................78 7.3. DENSIDADE DE CARGA ............................................................................................................................ 79 8. INTERAÇÕES COLÓIDE/SOLUÇÃO: FENÔMENOS DE ADSORÇÃO E TROCA DE ÂNIONS E CÁTIONS......................................................................................................................................................79 8.1. CAPACIDADE DE TROCA CATIÔNICA (CTC) ............................................................................................ 62 8.1.1. Características da CTC do solo ........................................................................................................ 63 i. Valor T ................................................................................................................................................ 64 ii. Soma de Bases (SB)............................................................................................................................ 66 iii. Saturação por Bases (V) ...................................................................................................................66 iv. Saturação por Alumínio (m).............................................................................................................. 66 v. Acidez Trocável .................................................................................................................................. 67 vi. Acidez Potencial ................................................................................................................................67 8.1.2. Fatores que afetam a capacidade de troca catiônica .........................................................................68 8.2. CAPACIDADE DE TROCA ANIÔNICA (CTA) .......................................................................................... 68 8.3. DUPLA CAMADA DIFUSA (DCD) ..................................................................................................... 70 8.4. PONTO DE CARGA ZERO (PCZ).................................................................................................................. 71 8.3. DISPERSÃO E FLOCULAÇÃO DAS PARTÍCULAS DO SOLO ............................................................................ 72

9. REAÇÃO DO SOLO ....................................................................................................................................72 9.1. ACIDEZ DO SOLO .....................................................................................................................................72

i

9.1.1. Fontes de Acidez do Solo............................................................................................................. 73

a) Minerais de Argila .......................................................................................................................................... 74 b) Matéria Orgânica............................................................................................................................................ 74 c) Ácidos Solúveis................................................................................................................................................ 74

9.1.2. Fontes de Alcalinidade no Solo.................................................................................................... 75 9.2. Capacidade Tampão da Acidez do Solo ..........................................................................................76 9.3. Causas da Acidificação Progressiva dos Solos................................................................................ 76 9.4. Problemas Causados pela Acidez do Solo.......................................................................................77 9.5. Calagem........................................................................................................................................... 77 10. REAÇÕES DE OXIDAÇÃO E REDUÇÃO NO SOLO ............................................................................78 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ..................................................................................................................79

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1. Introdução O solo é um corpo natural formado pela interação da atmosfera, hidrosfera e biosfera com os materiais da litosfera (Figura 1). Sua constituição química reflete, portanto, a contribuição de cada fator de formação (tempo, material de origem, clima, atividade biológica, relevo) variando quimicamente de acordo com a natureza desses fatores.

Solo = ∫ [T , MO, Cl , Org , R]

Influência da litosfera Influência da atmosfera/hidrosfera Influência da biosfera Figura 1. Influência dos fatores de formação do solo. As rochas situadas na superfície terrestres são vulneráveis a processos físicos, químicos e biológicos (intemperismo) que resultam na alteração e desintegração dos minerais originalmente presentes, resultando na formação de novos minerais e na liberação de íons (cátions e ânions). Esses processos que ocorrem na superfície terrestre são responsáveis pela formação do solo (Figura 2).

1

Figura 2. Avanço do intemperismo e formação do solo. O solo é um sistema trifásico composto pelas fases, sólida (minerais e material orgânico), líquida e gasosa. Um solo mineral, próximo à superfície apresenta, aproximadamente, a seguinte composição volumétrica: 50% de espaço poroso - ocupados por partes iguais de ar e de água; 45 a 48% de sólidos minerais e 2 a 5% de material orgânico. Têm-se, normalmente, então, 50 % constituídos pela fase sólida, 25% pela fase líquida e 25% pela fase gasosa (Figura 3).

Figura 3. Proporções das fases sólida, líquida e gasosa do solo (Murphy, 1980). A fase sólida é constituída por materiais minerais derivados das rochas ou sedimentos associados a compostos orgânicos. Encontrando-se partículas de tamanho e formas variáveis. A composição desta fase é relativamente estável num intervalo de tempo curto, mudando apenas pelas adições ou remoções por erosão e deposição hídrica e/ou eólica e pela atividade biológica. 2

A fase líquida, denominada solução do solo, é formada pela água proveniente da atmosfera ou corpos d’água e lençol freático, acrescida de minerais e compostos orgânicos dissolvidos. A fase gasosa ou atmosfera do solo é composta pelos gases presentes no espaço poroso. Apresenta composição diferente da atmosfera do ar em função dos gases produzidos pela atividade biológica (respiração microbiana e respiração de raízes) e reações químicas que ocorrem na solução do solo, podendo conter de 10 a 100 vezes mais CO2 que na atmosfera livre. A estrutura, textura e a porosidade do solo, assim como a presença de água, afetam as taxas de difusão destes gases para a atmosfera. 2. Composição química do solo A composição química da fase sólida é em grande medida determinada pelos materiais de origem do solo. A fase sólida é proveniente dos materiais derivados das rochas e /ou sedimentos, associados aos compostos de origem orgânica (Figura 4). A constituição química das rochas ou sedimentos é variável em função de sua origem e natureza, afetando as características do solo formado. Esta influência tende a se reduzir na medida em que o intemperismo atua, podendo levar solos derivados de materiais de origem diferentes a apresentarem feições e composição química similares.

Fragmentos do material de origem

Fração orgânica pronunciada.

Horizonte B com maior expressão de desenvolvimento pedogenético

Material de origem

Figura 4. Perfil do solo, evidenciando a fase sólida do solo com fragmentos do material de origem. O intemperismo provoca a desagregação física e a decomposição química dos minerais 3

primários das rochas e sua transformação em minerais secundários. Em condições de temperatura elevada associadas à intensa precipitação o intemperismo é acelerado. Isso pode ser bem verificado em solos de regiões tropicais e se, associado à alta atividade biológica o processo tende a ser ainda mais acelerado. Nestas condições os minerais primários de fácil intemperismo são destruídos, restando apenas aqueles de elevada resistência ao intemperismo. A figura 5 mostra a atuação do intemperismo e um resumo do ciclo dos nutrientes no solo.

Figura 5. Atuação do intemperismo e ciclo dos nutrientes no solo (CEFET, PR). Nos solos, em geral, há uma predominância de Si e Al devido a abundância destes elementos nas rochas da superfície terrestre e no Quadro 1 apresentamos os teores dos principais elementos químicos encontrados no solo. Os altos teores de ferro e alumínio em alguns solos são resultantes de materiais de origem mais ricos, nesses elementos, e da concentração residual após a perda gradativa por meio da lixiviação dos demais elementos do solo decorrente do processo de intemperismo. Os teores dos nutrientes essenciais (N, P, K, Ca, Mg, S) são geralmente baixos nos solos de regiões tropicais, seja pelos baixos teores verificados no material de origem ou pelo progressivo empobrecimento ocorrido por ação do intemperismo e conseqüente lixiviação. A maior fertilidade química está associada a materiais de origem mais ricos, solos pouco intemperizados ou condições locais que favoreçam a acumulação. 4

Quadro 1. Composição química dos solos. Adaptado de LINDSAY (1979).

Elemento Químico Alumínio Carbono Cálcio Ferro Potássio Magnésio Manganês Nitrogênio Oxigênio Fósforo Enxofre Silício Titânio

Peso atômico

Concentração na litosfera

...........g..........

................................g kg-1................................. 81,0 0,95 36,0 51,0 26,0 21,0 0,90 465,0 1,20 0,60 276,0 6,0

26,98 12,01 40,08 55,85 39,10 24,31 54,94 14,01 16,00 30,97 32,06 28,09 47,90

Faixa de Concentração comum nos solos

10– 300 – 7– 500 7– 550 0,40 – 30 0,60 – 6 0,02 – 3 0,20 – 4 – 0,20 – 5 0,03 – 10 230 – 350 1– 10

Como comentado anteriormente, a influência do material de origem na composição do solo decresce à medida que estes sofrem efeito do intemperismo. Solos pouco intemperizados preservam ainda minerais primários que servem como fontes de nutrientes para as plantas. Os solos tropicais muito intemperizados praticamente não contêm minerais primários facilmente intemperizáveis (MPFI), sendo constituídos quase exclusivamente por minerais secundários (argilas silicatadas, óxidos) e quartzo (Quadro 2). Quadro 2. Relação entre material de origem e minerais do solo. Presença nas frações do solo Baixo Intemperismo

Alto Intemperismo

Elementos Predominantes

Quartzo

Areia

Areia

Si, O

Feldspatos

Areia/silte

-

Si, O, Al, Ca/Na.

Micas

Areia, Silte e Argila

Argila

Si, O, Al, K, Mg, Fe, H.

Piroxênio

Areia/silte

-

Si, O, Al, (Mg, Fe)/Ca.

Olivina

Areia/silte

-

Si, O, Al, Mg, Fe.

Minerais Primários

3. Frações Granulométricas do Solo A fase sólida é constituída de agregados que se apresentam, até certo ponto, individualizados. Os agregados são formados de partículas unitárias, cimentadas entre si por matéria orgânica, óxidos de Fe e Al, sílica, entre outros. As partículas individuais são obtidas 5

após a dispersão dos agregados. Limites de tamanho definem as partículas como pertencentes a diferentes frações. Esses limites são estabelecidos pela classificação de Atterberg ou classificação internacional (Quadro 3 e Figura 6). Quadro 3. Limites dos tamanhos das partículas dos solos, considerando a classificação Brasileira. Terra Fina Argila

Silte

Areia Fina

Areia Grossa

Cascalho

................................................................ mm ........................................................................ ≤ 0,002 0,002 - 0,05 0,05 – 0,2 0,2 - 2,0 >2

Figura 6. Esquema representativo da diferença de tamanho entre as frações granulométricas do solo.

3.1. Composição mineralógica das frações granulométricas do solo A composição mineralógica das frações granulométricas está relacionada ao o grau de intemperismo do solo. O processo do intemperismo leva à fragmentação física e decomposição química do material de origem (Figura 7), dando origem a minerais secundários, mais estáveis no ambiente.

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(a)

(b)

(c) Fonte: Decifrando a Terra

Figura 7. Exemplos da ação do intemperismo físico (a e b) e químico (c). A fração areia pode conter minerais primários, originados do material de origem do solo, no caso dos solos pouco intemperizados. Com o avanço do intemperismo, apenas o quartzo se mantém nesta fração (Figura 8). Os minerais de menor resistência ao intemperismo, como os feldspatos, piroxênios, olivinas e biotita, se decompõem em minerais secundários. Na fração grosseira podem ser também encontrados nódulos e concreções formados pedogeneticamente pela cimentação por óxidos de ferro presentes nas frações mais finas. A fração silte é composta por fragmentos de minerais do material de origem e/ou microagregados formados por partículas de argila cimentadas. Nos solos altamente intemperizados, predomina a segunda situação, sendo freqüentemente observados teores significativos de silte nos resultados analíticos. Isto se deve à forte estabilidade dos microagregados, impossibilitando aos procedimentos de dispersão na análise textural uma perfeita separação das frações.

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a)

Fração areia: Solos pouco intemperizados: quartzo e fragmentos de materiais de origem (minerais primários)

Fração silte: Solos pouco intemperizados: fragmentos de materiais de origem (minerais primários) Solos muito intemperizados: microagregados

Fração argila: Solos pouco intemperizados: argilas 2:1, argilas1:1 e óxidos Solos muito intemperizados: argilas 1:1 e óxidos

b)

Figura 8. a) Fotomicrografia de secção fina de latossolo, observada em microscópio ótico, e; b) fotomicrografia de um grão de um mineral qualquer, coberto por cristais de quartzo e por argila, neste caso, a esmectita. A fração argila é composta por minerais secundários originados do intemperismo dos minerais primários. O processo de formação dos minerais secundários se dá pelo rompimento da rede cristalina destes e pela remoção dos íons pela água que atravessa as fraturas nas rochas. Em condições de intemperismo pouco acentuado, quando a remoção de cátions e sílica não é muito drástica, formam-se os minerais de argila silicatados do tipo 2:1. O ferro contido nos minerais primários pode se precipitar como óxido/hidróxido. O avanço do intemperismo proporciona progressiva perda de cátions e sílica, desestabilizando os minerais 2:1 e favorecendo a formação das argilas 1:1 (Figura 9).

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Figura 9. Este esquema ilustra o avanço do intemperismo e as transformações dos minerais. A transformação de minerais 2:1 em 1:1 também depende das condições locais de drenagem e da razão remoção/acumulação dos produtos de decomposição, podendo ocorrer reversão desse processo em locais de acúmulo, como depressões e áreas mal drenadas. No final do intemperismo ocorrem condições favoráveis à transformação das argilas 1:1 em hidróxidos de alumínio (gibbsita). ...