Concentración de sales en un substrato

Salts concentration on a substrate
La palabra "sales" o "salinidad" no se refiere a la sal común de mesa o cloruro sódico sino a la concentración de diversos compuestos químicos (solubles). El cloruro sódico, sin embargo, podría ser una de estas sales. The term "salts" or "salinity" does not refer to common table salt or sodium chloride. It refers to the concentration of several chemical compounds (always in soluble form). Sodium chloride, however,  could be one of these salts.

Conceptos básicos

Por contenido de sales o salinidad de un substrato se entiende la cantidad total de sales solubles que se encuentran en el substrato.

Las causas más frecuentes de excesiva concentración de sales son:

Basic concepts

Salts contents or salinity of a substrate is the total amount of dissolved salts found on the substrate.

The most frequent causes for excessive concentration of salts are:
Se ha aplicado más fertilizante del necesario. Las necesidades de las plantas son muy variables. Mientras que unas necesitan más cantidad de fertilizante, otras se verán perjudicadas por un excesivo nivel. De otra parte, cuando la planta está en período de crecimiento necesita más nutrientes que cuando está en floración, período en el que puede que incluso convenga suspender las fertilizaciones nitrogenadas para lograr mayor longevidad de las flores.
La aplicación prolongada de abonos químicos (que se recombinan y acumulan en forma de sales no aprovechables por la planta) consigue, a la larga, crear las condiciones descritas de alta concentración de sales en el suelo. Algunos abonos orgánicos también son causantes de altas concentraciones de sales.
Las mismas plantas y los microorganismos contribuyen también a concentrar sales en el suelo, ya que extraen una parte de los compuestos y dejan el resto.
El agua de riego contiene un nivel elevado de sales en disolución, como bicarbonatos, cloruros, calcio, magnesio, sodio o sulfatos.
Insuficiente lixivado en las operaciones de riego. Conviene que salga un 10% - 20% del volumen de agua aportada.
We have applied more fertilizer than necessary. The requirements of plants are very variable. While some are heavy feeders, other would be harmed by the same amounts. Besides, when the plant is on its growing stage it requires more nutrients than when it is on the flowering period. At this moment it may even become advisable to reduce or suspend the nitrogen fertilization program in order to obtain flowers not ripening so quickly.
The regular application of fertilizers (which are recombined amongst themselves in the form of salts that the plant cannot use) creates, in long term, the harmful conditions of high concentration of salts on the substrate. Some organic fertilizers also contribute to salts buildup on the soil or substrate.
The plants themselves and soil microorganisms also contribute to salts concentration as they extract some elements leaving the unused ones.
Water used for watering the plants contains, generally, a high level of dissolved salts, such as bicarbonates, chlorides, calcium, magnesium or sulfates.
Not enough leaching in the regular watering operations. It is advisable that 10%-20% of the volume of water to leach away through the lower container holes.

La ósmosis

La ósmosis es un fenómeno físico que está presente en las raíces. Se trata de la circulación de disoluciones a través de una membrana semipermeable.

Se origina ósmosis cuando a cada lado de una membrana semipermeable existen disoluciones con concentraciones diferentes. Una disolución concentrada tiene una presión hídrica menor que una diluída. Por lo tanto, la mayor fuerza que genera la presión mayor (la menos concentrada) vence a la menor (la más concentrada) y hay ósmosis. 

Es decir, agua de la disolución diluída circula hacia la concentrada, tendiendo a igualar las concentraciones.

Normalmente, la ósmosis se estudia cuando ambas disoluciones estás sometidas a la presión atmosférica. Pero si una de las dos disoluciones está sometida a una presión externa mayor o menor que la otra, entonces la circulación dependerá de las sumas, en cada lado, de las respectivas presión hídrica de la concentración más la presión externa.

 

Las raíces, para absorber el agua, deben ejercer una succión o depresión cuya fuerza sea capaz de hacer entrar agua  en su interior.

En el lado del substrato, las fuerzas se deben a:

  1. La originada por la presión hídrica debida a la concentración de la disolución del substrato.
  2. La cohesión molecular que hay que vencer para "arrancar" y mover el agua que se encuentra en los poros del substrato (mayor fuerza cuanta menos agua haya).

En el interior de la raíz, las fuerzas se deben a:

  1. La creada por la succión debida a la evapo-transpiración en las hojas, que se transmite hasta las raíces por medio del sistema vascular de la planta.
  2. La originada por la presión hídrica debida a la concentración de la disolución dentro de la raíz.

Osmosis

Osmosis is a physical phenomenon taking place on the roots. It is about the circulation of solutions through a semipervious membrane.

Osmosis arises when there are solutions with different concentrations at each side of a semipervious membrane. A concentrated solution has a lower hydric pressure than a diluted one. Then, the greater force generated by the higher pressure (the less concentrated) wins the weaker force on the other side of the membrane (the more concentrated) and there is osmosis.

This means that water of the diluted solution circulates towards the concentrated one, tending to make both solutions equal.

Usually osmosis is studied when both solutions are subject to atmospheric pressure. But if one of the solutions is subject to a higher or lower pressure than the other one, then circulation will depend on the additions, on each side of the membrane, of the external pressure and the hydric pressure caused by the concentration of the solution.

 

The roots, in order to absorb water, must exert a suction or depression which force has to be able to cause the entrance of water.

On the substrate side, the forces are due to:

  1. The force originated by the hydric pressure due to the concentration of the substrate solution.
  2. The molecular cohesion that has to be overcome to "detach" and move water molecules being inside the substrate pores (higher force for lesser water content).

On the inside of the root, the forces are due to:

  1. The force originated by the suction due to evapo-transpiration on the leaves, which is transmitted towards the roots by the vascular system of the plant.
  2. The force originated by the hydric pressure due to the concentration of the solution inside the root.
En la figura siguiente se aprecia como las dos depresiones o succiones se pueden sumar o restar según el valor de la concentración de sales en el substrato. In the next figure it can be seen how the two depressions or suctions may be added or subtracted according the salts concentration of the substrate.
Translation into English
Succión evapo-transpiración
Succión ósmosis
Más concentrado
Menos concentrado
Menor presión osmótica
Mayor presión osmótica
Raíz
Substrato con baja concentración de sales
Substrato con excesiva concentración de sales		 Evapo-transpiration suction
Osmosis suction
More concentrated
Less concentrated
Less osmotic pressure
More osmotic pressure
Root
Substrate with a low salts concentration
Substrate with an excessive salts concentration

La planta funciona con normalidad si la presión hídrica del substrato no es demasiado baja (si no hay una concentración elevada de sales) 

Si la concentración de sales en el substrato es demasiado elevada, ello disminuye la presión hídrica del mismo, tendiendo a ser menor que la presión total dentro de la raíz.

En este caso, la planta se marchita porque no consigue entrar agua y las raíces sufren desecaciones o quemaduras por toxicidad de los elementos que se encuentran concentrados en exceso.

 The plant operates with normality if the hydric pressure on the substrate is not too low (if the concentration of salts is not too high).

If the salts concentration on the substrate becomes too high, then its hydric pressure becomes lower, tending to be lower than the total pressure inside the root.

In this case the plant wilts as water cannot penetrate the roots, these becoming dried or burned because of the toxicity of elements being concentrated in excess.

Medición de la concentración

La evaluación de la concentración de sales disueltas en el substrato se realiza midiendo su conductividad eléctrica. Este proceso se basa en una conocida propiedad del agua cuya conductividad eléctrica (CE) aumenta proporcionalmente a la concentración de sales. El agua absolutamente pura es un mal conductor.

Los medidores de CE dan un valor expresado en milimho por centímetro (mmho/cm) o en miliSiemens por centímetro (mS/cm). Ambos valores son iguales. Algunos aparatos expresan directamente el contenido total de sales disueltas en ppm (ppm = mg/l) (multiplicando internamente los mS/cm por una constante de valor comprendido entre 640 y 700 según el tipo de sales* - generalmente se toma el valor intermedio de 670).

Concentration measurement

The evaluation of salts concentration on a substrate is done by measuring its electrical conductivity. This process is based on a known property of water which electrical conductivity (EC) raises proportionally to the concentration of dissolved salts. Absolutely pure water is a poor electrical conductor.

The EC meters will give a value in millimho per centimeter (mmho/cm) or in milliSiemens per centimeter (mS/cm). Both values are equal. Some meters will give a direct reading of the total dissolved salts in parts per million (ppm=mg/l). They obtain this by internally multiplying the measured mmho/cm by a constant of value between 640 and 700, according to the type of salts* - an intermediate value of 640 is usually taken.

* Desconozco el cálculo de este valor. He visto autores empleando un valor de 550.

Diferentes sales producen conductividades diferentes.

* I do not know how to compute this value. I have seen authors using a value of 550.

Different salts produce different conductivity increases.
Es importante calibrar el instrumento con una disolución patrón, a la temperatura que vayamos a efectuar la medición. Las disoluciones patrón suelen llevar una tabla que indica su conductividad a cada temperatura. ¡Puede haber una variación de hasta el 50% entre 15 y 30 grados C!

Hay medidores de conductividad compensados en temperatura.

 It is important to calibrate the instrument with a conductivity standard solution, at the temperature of the measurement. The standard solutions usually carry a table showing their conductivity values at each temperature. There may be measurement variations up to 50% in the temperature range 15-30 deg. Celsius!

There are temperature compensated conductivity metters.

Medidor de conductividad práctico y económico

Practical and inexpensive conductivity meter
Por menos de 60 euros/$ se puede tener un práctico medidor de conductividad (incluída disolución patrón) diseñado para agricultura.
- Escala: Digital, hasta 19,99 mS/cm
- Precisión: 2%

Compensado en temperatura
Simple to use yet inexpensive, this conductivity meter designed for agricultural applications costs less than 60 euro/$, (including the standard solution)
- Scale: Digital, up to 19,99 mS/cm
- Precision: 2%

Temperature compensated
El límite superior recomendado para muchos cultivos está entre 1 y 2 mS/cm (mmho/cm) lo que equivale a 670 - 1340 ppm de sales totales disueltas. El cultivo de plantas en tacos exige niveles inferiores. Un nivel de 4 mS/cm (mmho/cm) es considerado como el umbral de peligro para muchas plantas (mediciones a 20 grados C)
The recommended upper limit for many plants is between 1 and 2 mS/cm (mmho/cm),  equivalent to 670 - 1340 ppm of total dissolved salts. Growing in plugs requires lower levels of total dissolved salts. A level of 4 mS/cm (mmho/cm) is considered to be the threshold of danger for many plants
(measurements at 20 deg. C).

En general, no conviene efectuar la medición directamente sobre el substrato porque ésta dependerá del grado de humedad del mismo. También las mediciones del pH y de la CE dependen de la temperatura. Hay que extraer una muestra del agua del substrato y medir sobre la misma en condiciones siempre homogéneas. Existen varios métodos de extracción de muestras, cada uno con sus ventajas e inconvenientes. Cada uno puede proporcionar diferentes lecturas.

Sigue una breve descripción de los métodos de extracción más usuales:

Método de extracción 1:2
Es uno de los métodos con mayor difusión. En él se emplea 1 parte de substrato y una de agua destilada para medir el pH y luego se añade otra parte de agua para medir la CE.

Métodos 1:5 y 1:1,5
Son similares al anterior

Método de extracción SME (Saturated Media Extract)
En él se satura el substrato con agua destilada y luego se extrae para medirla. La extración se puede efectuar por vacío o por compresión.

Método  por percolación
Es el más moderno y es respetuoso con los gránulos de fertilizante del substrato. Con los otros métodos es más fácil que se rompa uno de estos gránulos y nos afecte las mediciones. Este método se describe someramente aquí.

Método de exprimido
Se utiliza en los cultivos en tacos, dada la dificultad de emplear los otros métodos. Se exprime el substrato de los tacos de muestra, para obtener el agua sobre la que se efectuarán las mediciones. Es destructivo

In general, measurements cannot be made directly on the substrate as the reading will depend on its moisture content. Also, the pH and EC measurements are temperature dependant. A sample of the water of the substrate has to be extracted and measured always in consistent conditions. There are several extraction methods, each with its advantages and disadvantages. Also, each may produce slightly different readings.

Here is a brief description of the most used methods of extraction:

1:2 Extraction method
This has been widely used since many years. One part of substrate is taken and is mixed with 1 part of distilled water to measure the pH. Then another part of distilled water is added and the EC is measured.

1:5 and 1:1.5 Methods
They are similar to above.

SME Extraction method 
(Saturated Media Extract)
The substrate is saturated with distilled water and then this is extracted for the measurement. Extraction can be made by compression or with a vacuum pump.

Pour-Thru method
This method is very modern and it is respectful with the fertilizer granules. With other methods it is easier to break a granule and this will affect measurements. The Pour-Thru method is further explained here

Squeeze method
This can be used with plugs, as it is easier to use than other methods. The plugs are squeezed in order to obtain some of their water to be used for the measurements. A destructive test.

Los problemas

El síntoma visible de acumulación de sales en el substrato es el cerco blanco que queda a veces en la parte superior de las macetas.

Si la CE es demasiado alta se darán casos de menor crecimiento en los brotes y raíces, con clorosis en las hojas más bajas y necrosis en extremos y bordes de hojas. Si el substrato ha pasado por una sequía, la planta mostrará síntomas de marchitamiento debido a la muerte de los extremos de las raíces. A veces un alto valor de CE favorece el desarrollo del Pythium.

Volviendo a lo básico: la concentración es la cantidad de sales que contiene un volumen de agua. Si el agua se evapora, las sales quedan y la concentración aumenta. Por lo tanto, un período de sequía significa un aumento de concentración que puede sobrepasar el límite tolerable para la planta. En zonas de elevada salinidad hay que regar las plantas con mayor regularidad, evitando que el substrato se seque. Ésto es especialmente relevante en los casos en que el agua de riego contenga cloruro sódico.

Por otra parte, si la CE es demasiado baja, el crecimiento de la planta queda afectado y se pueden producir coloraciones en las hojas por falta de nutrientes. Generalmente falta el nitrógeno (hojas inferiores amarillas) pero también puede haber una deficiencia de fósforo (hojas inferiores púrpura), clorosis entre las nerviaciones de las hojas bajas (deficiencia de magnesio) y si esta última se acompaña de necrosis de los bordes puede haber una deficiencia de potasio.

Pueden existir, además, problemas concretos de toxicidades de ciertos elementos aún sin alcanzar un índice de contenido total superior al recomendado. 

Así niveles de sodio, por encima de 3 meq/l (69 ppm o mg/l) aumentan la salinidad total y suelen interferir en la absorción de magnesio o calcio; pueden producirse quemaduras foliares asociadas con la escasa absorción de agua y la acumulación de sodio en los tejidos. Aunque necesario, puede resultar perjudicial si la relación de absorción de sodio es elevada. La relación de absorción de sodio es un valor calculado que indica su concentración relativa a la de calcio y magnesio. Si resulta elevada se puede corregir añadiendo calcio en forma de carbonato si hace falta subir el pH o en forma de sulfato (yeso) si se desea que el pH permanezca estable. Si hace falta bajar el pH, añadir azufre que se convierte en ácido sulfúrico por la acción de los microorganismos. Entonces el carbonato sódico se convierte en sulfato sódico, que se lixivia.

El cloro, a menudo asociado al sodio, suele resultar tóxico por encima 3 meq/l (100 ppm o mg/l). En forma de ión cloruro es necesario en pequeñas cantidades. El exceso disminuye la presión osmótica del substrato que reduce la disponibilidad de agua produciendo marchitamiento. También puede producir fitotoxicidades en forma de quemaduras en los bordes o incluso defoliaciones en plantas como camelias, azaleas o rosas.

Los niveles máximos aceptables de cloro y de sodio varian substancialmente entre tipos de plantas (halófitas = tolerantes y glicófitas = no tolerantes al cloruro sódico).

El flúor puede perjudicar a ciertas plantas en niveles mayores que 1 ppm aunque la pequeña cantidad de flúor que se añade a las aguas de ciertas poblaciones para evitar problemas dentales está por debajo de este límite. Algunas plantas sensibles son Chamaedorea, Chlorophytum, Ctenanthe, Dracaena, Marantha y Spatiphyllum.

El boro, por encima de 0,6 ppm o mgr/l puede también ser tóxico para las plantas aunque sea necesario en pequeñas cantidades.

The problems

The visible symptom of accumulation of salts in the substrate is the white ring appearing some times on the upper part of the pots.

If EC is too high, reduced growth cases will, arise on the shoots and roots of the plants. Also chlorosis on the lower leaves and necrosis on leave edges and tips will surely happen. If the substrate has been through a dry period, the plant will be wilted because of the death of the root tips. Sometimes a high EC value will enable the development of Pythium diseases.

Back to basics: concentration is the amount of salts present on a certain volume of water. If water evaporates, the salts remain and concentration raises. Thus, a drought period means a raise of concentration which may go beyond the tolerance threshold of the plant. In areas with high salinity plants should be watered more regularly, avoiding the substrate to become dry. This has a special relevance on the cases where water contains sodium chloride, which tends to build up on the substrate.

On the other hand, if EC is too low, plant's growth will also be stunted and discolorations on the leaves will appear due to nutrient deficiencies. In general there is a shortage of nitrogen (yellow lower leaves) but there also may be a phosphorous deficiency (purple lower leaves), chlorosis between the leave nerves (magnesium deficiency) and if this is accompanied of necrosis it may be due to a potassium deficiency.

There may be, besides, certain toxicity problems caused by individual elements which paradoxically may not reach the maximum specified quantities. This is called "nutrient unbalance".

High levels of sodium, above 3 meq/l (69 ppm or mg/l) will raise salinity and will usually interfere with the absorption of magnesium and calcium; leave burns associated with water shortage and too much sodium on leaves may appear. Tough sodium is necessary, it may become harmful if the sodium absorption ratio is too high. The sodium absorption ratio is a value calculated from the ratio between the sodium level and the calcium plus magnesium level. If it is too high it may be corrected with the addition of calcium in the form of carbonate (liming) if the pH needs to be raised or in the form of sulfate (gypsum) if the pH was already right and we do not want its variation. If a pH raise is required then add sulfur which will be converted into sulfuric acid and, in turn, will convert the sodium carbonate into sodium sulfate, the later can be leached.

Chlorine, often associated with sodium, becomes toxic usually when the level is above 3 meq/l (100 ppm or mg/l). In the form of ion chloride it is necessary in small quantities. The excess decreases the osmotic pressure of the substrate, decreasing water availability which in turn produces plant wilting. It may also originate phytotoxicities in the form of edge burns or even lower leaf defoliations in plants such as camellias, azaleas or roses.

Acceptable maximums of chlorine and sodium vary substantially among types of plants (halophite = tolerant and glycophite = not tolerant to sodium chloride).

Fluor may be harmful for certain plants in amounts higher than 1 ppm, although the small fluor quantities added to water in certain cities to avoid dental problems are well under the harmful limits. Plants sensitive to fluor are: Chamaedorea, Chlorophytum, Ctenanthe, Dracaena, Marantha and Spatiphyllum.

Boron, above 0.6 ppm or mg/l may also become toxic for plants, although it is necessary in very small quantities.

Los remedios

Algunos remedios se han apuntado más arriba. 

En primer lugar, se hace necesario comprobar regularmente el contenido de sales mediante la medición de la conductividad eléctrica. En el caso de un jardinero aficionado que no disponga de medidor, generalmente le bastará con ser consciente de los conceptos descritos y ajustar su conducta en consonancia.

Hay que ser escrupuloso en las fertilizaciones. Muchas veces actuamos por exceso. Hay que seguir las indicaciones del fabricante pero teniendo en cuenta que demasiado a menudo los fabricantes recomiendan dosis excesivas.

Enterarse, por lo menos una vez, del contenido y clase de sales de su agua y efectuar las correcciones necesarias.

Regar en un ligero exceso del 10-20% de forma que se lixivie el substrato. No sobrepasar este límite. En muchos casos el jardinero ha adquirido malos hábitos y el exceso alcanza el 40%-50%.

Efectuar cambios de contenedor regularmente que aporten nuevo substrato al desarrollo de nuevas raíces. Los cambios de maceta son de dos clases: Al final del invierno quitar parte del substrato viejo y plantar en una maceta menor. Durante la temporada, en crecimiento, cambiar a maceta mayor sin deshacer el cepellón. Un número contado de plantas soporta mal los cambios de contenedor.

Si el conteneder ha sido regado desde abajo se suele acumular una mayor concentración de sales en el tercio superior del substrato, lo que no sucede cuando se riega por encima. 

Si sabemos o sospechamos de un aumento excesivo de sales tenemos el recurso de efectuar lixiviados fuertes del substrato. En el caso de un contenedor de pequeñas dimensiones lo sumergiremos en agua, dejándolo hasta que no burbujee, sacándolo inmediatamente para que escurra. Repetiremos la operación cinco o seis veces. El consejo de regar por "inmersión" viene de esta práctica que no hay que realizar regularmente, sino en casos de necesidad. 

En caso de grandes contenedores o plantas en el suelo, deberemos efectuar varios riegos copiosos, dejando reposos intermedios para que las raíces respiren.

Una vez lixiviado el substrato, posiblemente haya que reponer los fertilizantes que pueda necesitar la planta.

Saturar con agua el substrato es perjudicial para la respiraciòn de las raíces. Los métodos de "lavado" intenso deben ser ocasionales.

Respecto al agua de riego, si bien los carbonatos y bicarbonatos se pueden neutralizar con un ácido como se explica en la página "El pH del substrato y la calidad del agua", los cloruros y en especial el cloruro sódico no se pueden compensar de ninguna manera y se hace necesario adoptar medidas de difícil ejecución como regar con regularidad o cultivar plantas tolerantes a la sal. 

Aunque se haya corregido escrupulosamente el pH del agua mediante la adición de un ácido hay que pensar que no por ello estamos dejando de aportar sales y, por tanto, la concentración aumenta en cada riego

The remedies

Some remedies have been described above.

In the first place, it is advisable to regularly check the salinity by means of electrical conductivity measurements. In the case of the hobby gardener, it is very likely that he will not have any EC meter but it will be enough if he knows the theory behind and adjusts his behaviour accordingly.

He should be very precise with fertilizations. Many times we tend to over fertilize. The instructions from the manufacturer are to be followed bearing in mind, however, that manufacturers often recommend too high doses.

He should request, at least once, a report on the level and kind of salts contained on his water and to make the necessary corrections.

To water his plants in an excess of 10%-20% in volume, so the substrate will be leached. In many cases the gardener has acquired bad habits and the excess is over 40%.

To regularly change the pots so new substrate for the development of new roots is added. The change of pots are of two kinds: At the end of winter we remove part of the old substrate and put the plant on a smaller pot. This is called "repotting". During the season, the pot is replaced by a slightly larger one, without interfering with the root ball. This is called "potting up" or "potting on". A few plants dislike container changes.

If the container has been bubirrigated it is likely taht a higer concentration of salts will appear in the upper third of the substrate. This does not happen if it is watered from the top.

If we know or suspect an excessive salinity raise we may proceed to heavy leachings of the substrate. In the case of a small container we may immerse it in water, leaving it immersed until bubbling stops, then leaving it to drain and repeating the operation after a few minutes. Five or six cycles. The advice of "watering by immersion" comes from a poor understanding of this practice which is to be performed only as an emergency.

In the case of large containers or plants on the soil, we will water them generously several times, with resting periods so respiration of roots will not be impaired.

Once the substrate is leached. we possibly ought to consider replacing the fertilizers that the plant might require.

To saturate the substrate is harmful for the respiration of roots. The method of heavy leaching is to be used only occasionally.

With respect to water, whereas carbonates and bicarbonates may be neutralized by an acid as explained on the page "The pH of the substrate and water quality", chlorides and specially sodium chloride cannot be compensated and measures of difficult execution have to be adopted, such as watering regularly or growing salt tolerant plants.

Even thgough we have carefully corrected the water pH with the addition of an acid, we are still bringing in soluble salts in each watering and, consequently, the concentration increases a little for every watering.
Julio Guri

7 FEB 2001: Primera versión / First version
11FEB 2001: Quito la explicación de ósmosis de aquí para dar una idea más exacta en otra parte / Osmosis has been removed from here in order to give a better explanation in another page.
7 MAR: Añadida "mayor concentración en la parte superior". Añadida foto medidor. / Added "higher concentration in the upper part". Added picture of meter.
5 ABR 2001: Revisado / Revision
24 MAR 2002: Añadido ósmosis / Added osmosis.
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