La química del substrato

The substrate chemistry

En el substrato o en el suelo, la química con relación a la planta es muchísimo más compleja de lo que aquí se describe al nivel de los intereses que pueda tener un jardinero aficionado.

Para facilitar la comprensión, en las explicaciones se han introducido algunas simplificaciones que no afectan la realidad de los hechos finales. 

Either on the soil or on the substrate, chemistry related to the plant is much more complex than what is described here at the level of the interests that a hobby gardener may have.

To make comprehension easier, several simplifications not affecting reality have been introduced on the explanations contained on this page

Absorber y Adsorber

Absorber:

  • Célula: Aspirar materia externa en estado disuelto o gaseoso
  • Cuerpo sólido: Atraer un líquido de modo que éste penetre en el sólido
  • Consumir
  • Cautivar
  • Etc.

Adsorber

  • Atraer y retener en la superficie de un cuerpo iones o moléculas de otro

Absorption and Adsorption

Absorption

  • Cell: To sorb external matter, this being dissolved or in a gas state.
  • Solid body: To atract a liquid so this will penetarte the solid
  • To consume

Adsorption

  • To atract and retain on the surface of a body, ions or molecules of another one.
Fuente: RAE y otras.
En la página sobre los fertilizantes vemos una lista completa de todos los elementos que una planta necesita.

También vemos que podemos proveer las necesidades de la planta añadiendo al substrato determinados compuestos químicos que contengan estos elementos. Por ejemplo, podemos añadir nitrato potásico.

On the page about fertilizers we see a comprehensive list of all the elements being required for the plant growth.

We also see that we may provide the needs of the plant by adding to the substrate certain chemical compounds containing the required elements. For example, we may add Potassium Nitrate.

 

Cómo se absorben los nutrientes

Muy importante, la planta no absorbe moléculas enteras de los compuestos. La planta va tomando por separado los iones de los compuestos.

En el ejemplo del nitrato potásico la planta no tomará moléculas enteras de este compuesto sino que tomará por separado por una parte el ión nitrato y, probablemente por la otra, el ión potasio.

¿De dónde toma los iones? Del agua del substrato que los contiene en disolución.

How are nutrients absorbed

Very important, the plant does not absorb whole molecules from the compounds, it rather absorbs separately the ions of the compounds.

In the example of potassium nitrate, the plant will not take whole molecules from this compound, it will rather take separately the ion nitrate and, probably, the ion potassium.

Where does it take the ions from? From substrate water, where they are dissolved.

Refrescando la Química.

Recordaremos de la asignatura de Química estudiada tiempo atrás que los compuestos químicos son bastante estables, de modo que no se descomponen sin una causa que les fuerce a ello.

Tomemos como ejemplo dos posibles fertilizantes químicos:

(1) Nitrato potásico ( fórmula NO3K )

Su molécula está formada por dos iones:

(NO3)- y K+

La carga eléctrica negativa del primero y la positiva del segundo se atraen, por ello permanece normalmente estable y haría falta una fuerza enorme para separarlos.

 

(2) Nitrato amónico ( fórmula NO3NH4 )

Su molécula también contiene dos iones:

(NO3)- y (NH4)+

Igualmente, ambas cargas se atraen y el compuesto también es estable.

Los iones con carga negativa se denominan aniones y los que tienen carga positiva son los cationes.

 

Ahora bien, cuando un compuesto químico se disuelve en agua, la fuerza de atracción electrostática entre anión y catión se debilita enormemente, con lo que ahora una pequeña fuerza externa los puede separar. Este estado es lo que recibe el nombre de disociación

El compuesto original todavía es el mismo, lo que pasa es que ahora puede aparecer "algo" externo con una fuerza de atracción mayor que la fuerza debilitada que une los dos iones de nuestro compuesto y rompa su unión... 

Refreshing the Chemistry.

We may remember from Chemistry, studied years ago, that the chemical compounds are rather stable, so they do not decompose without a cause forcing them to break or change their composition.

We may take the example of two possible chemical fertilizers:

(1) Potassium nitrate ( formula KNO3 )

Its molecule contains two ions:

K+ and (NO3)-  

The positive electrical charge of the first and the negative charge of the second are attracted, the compound is stable, a huge external force being required to split it.

 

(2) Ammonium Nitrate ( formula NH4NO3)

Its molecule also contains two ions:

(NH4)+ and (NO3)-  

Also, both charges are attracted and the compound is also stable

The ions with a positive charge are called cations while the negatively charged ones are the anions.

 

Then, when a chemical compound is dissolved in water, the electrostatic attraction between anion and cation becomes very weakened, so now a smaller external force may separate them. This status is what receives the name of dissociation

The original compound is yet the same, what happens is that now "something" external with a higher force than the weakened force holding our two ions together may appear and break their union...

Hemos dicho, pues, que la planta toma sus nutrientes en forma de iones que están presentes en el agua del substrato.

Vamos a ver ahora la lista completa de los iones que entran en el juego, aunque no todos sean nutrientes. 

Recordemos que los que llevan el signo positivo son los cationes y los del signo negativo son los aniones. Las valencias químicas se expresan con el número de signos positivos o negativos.

We said above that the plant takes its nutrients in the form of ions being present in the substrate water.

We are now going to see the complete list of the ions present on this story, although a few are not nutrients.

Remember that the positive sign ones are the cations and the negative are the anions. The chemical valences are illustrated with a number accompanying the positive or negative signs.

Nombre Ión Observaciones
(ver texto)
El agua se disocia en H+ y (OH)-
Hidrógeno H+ Interviene activamente
Acido
Macroelementos
Nitrato (NO3)- Se lixivia
Amonio (NH4)+ Como todos los positivos se adsorbe en el substrato.
Potasio K+ Básico
Calcio Ca2+ Básico
Fosfato (PO4)3- Se lixivia
Magnesio Mg2+ Básico
Sulfato (SO4)2- Se lixivia pero es abundante
Microelementos
Cloruro Cl- Cloro libre malo
si >10 ppm
Hierro Fe2+ Se torna Fe3+ si no está quelado
Manganeso Mn2+  
Boro B(OH)3-  
Zinc Zn2+  
Cobre Cu2+ La planta lo puede absorber con las dos valencias
Cu+
Molibdato (MoO4)-  
Sodio Na+ No superar 80 ppm
Básico
Aluminio Al3+ Interviene cuando el pH<5,5 - Acido
Muchos fitosanitarios
Fitosanitarios + Son adsorbidos y puede interesar tenerlo en cuenta
Puede convenir imprimir este cuadro para seguir el texto.
Name Ion Remarks
(see text)
Water is dissociated in H+ and  (OH)-
Hydrogen H+ Very active
Acid
Macroelements
Nitrate (NO3)- May be leached
Ammonium (NH4)+ Like all positive,
it is adsorbed
by the substrate
Potassium K+ Basic
Calcium Ca2+ Basic
Phosphate (PO4)3- Leached
Magnesium Mg2+ Basic
Sulfate (SO4)2- Leached 
but abundant
Microelements
Chloride Cl- Free Chlorine bad
if >10 ppm
Iron Fe2+ Becomes Fe3+  
if it is not chelated
Manganese Mn2+  
Boron B(OH)3-  
Zinc Zn2+  
Copper Cu2+ The plant may absorb it with both valences.
Cu+
Molibdate (MoO4)-  
Sodium Na+ Do not exceed 80 ppm
Basic
Aluminum Al3+ Active when pH<5,5
Acid
Many phytosanitary products
Phytosanitary + They are adsorbed and it may be interesting to remember this.
You may want to print this table to better follow the text
Imaginemos que todos los iones anteriores están inicialmente en el agua del substrato. Si regáramos con abundante agua clara resultaría que el agua que contenía los nutrientes se iría (se lixivaría el substrato) y la planta quedaría de nuevo sin nutrientes.

Pero no sucede así. Lo que sucede en realidad es que los cationes quedan fijados temporalmente en el substrato (son adsorbidos por la materia coloidal: humus y arcilla) mientras que los aniones continúan en el agua, expuestos a una lixiviación.

Más adelante hablaremos de la materia coloidal.

En realidad, además de los iones disponibles por estar presentes en el agua o adsorbidos, existen iones no disponibles que pasan a estarlo cuando la materia del substrato se descompone, en cuyo momento pasan al agua de donde o son adsorbidos, o lixiviados o consumidos por la planta.

 

Hemos dicho que la absorción de la planta se hace siempre a través del agua.

Los aniones los absorbe del agua si es que los encuentra en ella porque todavía no han sido lixiviados.

Los cationes también los absorbe del agua. Pero la diferencia ahora es que si no encuentra cationes en el agua, la planta le entrega a ésta uno de los cationes Hidrógeno que estaban rodeando la raíz para que el agua vaya al "almacén" del substrato a trocar dicho catión Hidrógeno por otro catión nutriente, con lo que la planta ya podrá absorber el nutriente del agua.

Este trueque es lo que se denomina intercambio catiónico.

Let's imagine that all the above ions are initially present on the substrate water. If we would water abundantly with clear water, the water containing the ions would go away (the substrate would be leached) and the plant would be put into a situation of nutrient shortage.

But things do not happen in this way. What happens is that cations remain temporarily adsorbed on the substrate (they are adsorbed by colloidal matter: humus and clay) while the anions remain in the water, being subject to the danger of being leached.

We will discuss below colloidal matter with greater detail.

In reality, besides ions being available because of being dissolved or adsorbed, there are other unavailable ions becoming available when the substrate organic matter decomposes, moment at which they are dissolved into the water from where they are either adsorbed, leached or absorbed by the plant.

 

We said that absorption by the plant is always made through water.

Anions are absorbed directly from water, if they remain there because they have not yet been leached.

Cations are also absorbed from water. The difference here is that if water does not contain the required cations, the plant supplies to the water one of the Hydrogen cations that are surrounding its roots, to enable water to go to the "storehouse" of the substrate to swap said Hydrogen cation by a nutrient cation which will be useful for the plant as soon as it finds it in the water.

This swap is what receives the name of cation exchange.

Capacidad de Intercambio Catiónico

La Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC) representa la posibilidad que tienen los materiales del substrato de atraer y retener electrostáticamente los cationes, impidiendo que sean lixiviados y cediéndolos al agua del substrato cuando convenga, a través de un trueque o intercambio con otro catión que queda retenido.

La CIC se mide en miliequivalentes de carga por 100g de substrato seco (meq/100g) o en centimoles de carga por kg de substrato seco. Ambas expresiones son iguales numéricamente.

La medida en meq/100g es la expresión del número de miles de átomos de hidrógeno (o su carga eléctrica equivalente) que pueden ser retenidos por 100 g de substrato seco.

Cation Exchange Capacity

The CEC - Cation Exchange Capacity is the possibility of the substrate materials for electrostatically attracting and retaining the cations, avoiding them to be leached and supplying them to substrate water when required, by means of a swap or exchange by another cation which remains adsorbed.

CEC is measured in milliequivalents of charge in 100 g of dry substrate (meq/100g) or in centimoles of charge in one kg of dry substrate. Both numerical expressions are equal.

The measurement in meq/100g is the expression of the number of thousands of hydrogen atoms (or their equivalent electrostatic charge) that can be retained in 100 g of dry substrate.

La medición de la CIC:

Existen al menos tres métodos de resultados no coincidentes, por lo que hay que ir con cautela a la hora de comparar diferentes resultados procedentes de fuentes distintas. Los resultados siempre deben ir acompañados de la mención del método utilizado.

La medición está totalmente fuera del alcance de un aficionado y de algunos laboratorios poco preparados. 

CEC measurement

There are at least three methods of non coincident results, so it is advised to be careful when comparing different results coming from different sources. The results ought to be always accompanied by the mention of the procedure used for measurement.

Measurements are totally beyond the possibilities of a hobby gardener and also of poorly prepared laboratories.

Abonados excesivos y lixivación

Imaginemos que suministramos un exceso de cationes a un substrato. Éste adsorberá todos los que pueda y el resto quedarán en el agua del substrato, expuestos a una lixiviación. En el primer momento en que ésta se produzca quedará alrededor del 99% de cationes retenidos en el substrato y tan solo el 1% disuelto en el agua. 

Se podría decir que este 1% es la cantidad sobre la que trabaja la planta y si esta cifra disminuye debe ser compensada por el "almacén" de los cationes retenidos.

Es por lo tanto innecesario y contraproducente(*) suministrar al substrato más cationes de los que éste pueda retener.

(*) Contraproducente por dos motivos: Un abonado excesivo puede "quemar las raíces" debido a la alta concentración de sales en el substrato. De otra parte, es tirar el dinero y ensuciar las aguas subterráneas.

 

Resumiendo:

  • Iones no disponibles: Hay que esperar a la descomposición del substrato.
  • Iones disponibles: Se dividen en:
    - Retenidos por la CIC.
    - Libres
    en el agua.

Los libres son los que se pueden lixiviar. En este punto la CIC puede suministrar más cationes libres que se pueden lixiviar en una próxima ocasión.

Excessive fertilization and leaching

Let's imagine that we supply an excess of cations to a substrate. This will adsorb as many as possible and the remainder will be left in the substrate water, exposed to leaching. As soon as leaching happens, there will remain about 99% cations adsorbed by the substrate and about 1% will stay dissolved in water.

We could say that this 1% is the cations on which the plant operates and if this figure decreases it must be compensated by the "storehouse" of adsorbed cations.

It is therefore unnecessary and harmful (*) to supply to the substrate more cations than it is capable of retaining.

(*) Harmful because of two reasons: An excessive fertilization may "burn the roots" due to the high salts concentration on the substrate. On the other hand, it means to throw money away and to pollute underground waters.

 

We have:

  • Non available ions: Must wait for decomposition of substrate.
  • Available ions:
    - Adsorbed by the CEC
    - Free in water

Free ions are those that can be leached. At this moment the CEC may supply more free cations which may be leached on the next occasion.

La materia coloidal:

La materia coloidal se define por el pequeñísimo tamaño de sus partículas (<0,002 mm) y se caracteriza por adquirir un elevado potencial eléctrico negativo.

Aunque cualquier material de partículas mayores puede adquirir alguna carga negativa que atraiga a los cationes, la magnitud de dicha carga es insignificante y los únicos materiales que vale la pena considerar son la arcilla y el humus como luego se resumirá en una tabla al final de esta sección.

Arcillas:
Suelen estar constituídas por óxidos no solubles de silicio, aluminio y hierro. Las partículas de la arcilla tienen un tamaño máximo de 0,002 mm. Las partículas de la arcilla adquieren cargas negativas que atraen a los cationes. Hay diferentes tipos de arcillas con diferentes valores de CIC, generalmente en el entorno de 20-30 meq/100g, superiores por ejemplo a los bajos valores de 2 a 10 meq/100g que puede alcanzar la arena (partículas de 2,0 a 0,05mm).

Ciertas arcillas pueden también retener cargas negativas como las siguientes:

(NO3)-
(PO4)-
(SO4)2-
(SiO4)4-

Los substratos (para contenedores) no suelen llevar arcilla ya que causa una drástica disminución del volumen de aire (compactación por rellenando poros) que en un contenedor tiene mayor importancia que en el suelo por causa de la elevación del nivel de la tabla de agua (ver porosidad).

Humus:
Es una de las últimas etapas de la degradación de la materia orgánica. Es soluble. Los compuestos del humus tienen también la propiedad de intercambiar sus propios iones H para adsorber los cationes de los nutrientes. Lo normal, en humus puro, es obtener unos valores de CIC frecuentemente superiores a 100 meq/100g.

Hay dos formas de aportar humus, mediante materia orgánica que lo va generando lentamente mientras se va descomponiendo y mediante el riego con una formulación de extracto de humus que carece de las ventajas añadidas, respecto a la materia orgánica, de mejora de la porosidad y de la retención de agua.

Colloidal matter

Colloidal matter is defined by the very small size of its particles (<0.002mm), being characterized by their high negative electrical potential.

Though any material with larger particles may acquire some negative charge attracting cations, the magnitude of said charge is irrelevant and the only materials worth considering are clay and humus. Different materials are compared on a table at the end of this section.

 

Clays:
Clays usually consist of soluble silicon, aluminum and iron oxides. Clay particles have a maximum size of 0.002 mm. Clay particles acquire negative charges attracting cations. There are different types of clay with different CEC values, generally around 20-30 meq/100g, higher than, for example, the values of 2-10 meq/100g that sand may reach (particles from 2.0 to 0.05 mm).

Certain clays may also retain negative charges such as the following:

(NO3)-
(PO4)-
(SO4)2-
(SiO4)4-

Substrates (for containers) have no clay on their composition as this would cause a dramatic decrease in air volume (compactation because of pore filling with smaller particles) having a higher importance than on the soil because of the raise of the perched water table level (see porosity

Humus:
Humus is one of the last stages in the degradation of organic matter. It is soluble. The humus compounds have also the property of exchanging their own H ions to adsorb nutrient cations. The usual figures, when dealing with pure humus, is to obtain CEC values often a little higher than 100 meq/100g.

There are two ways to add humus. One is by adding organic matter that, because of its slow decomposition, keeps on generating fresh humus during some time. Another one is to add a solution of humus extract having the advantages of raising the CEC and bringing in some nutrients but without improving porosity, as in the case of organic matter.

Valores orientativos de la CIC
Material CIC
meq/100g
Observaciones
Valores considerados bajos
Perlita 1,5  
Arena 2 - 10 tam. 2,0-0,05 mm
Lodos 10 - 20 tam. 0,05-0,002 mm
Corteza pino 10 - 15  
Valores considerados satisfactorios o altos
Suelo fértil 10 - 30  
Arcilla 20 - 30 tam. <0,002
Ab. orgánico > 30 Corresponde a la parte de humus
Turba 50 - 100  
Vermiculita 50 - 150 A veces retiene demasiada agua
Humus > 100 Puro
CEC orientative values
Material CEC
meq/100g
Remarks
Values considered as low
Perlite 1,5  
Sand 2 - 10 size 2,0-0,05 mm
Silt 10 - 20 size 0,05-0,002 mm
Pine bark 10 - 15  
Values considered satisfactory or high
Fertile soil 10 - 30  
Clay 20 - 30 size <0.002
Manure > 30 Corresponding to
the part of humus
Peat 50 - 100  
Vermiculite 50 - 150 Sometimes it retains too much water
Humus > 100 Pure
Notas importantes:
La CIC disminuye en substratos o suelos ácidos y se recupera al corregir el pH.
La CIC también disminuye con el tiempo, debido a la degradación del humus.
Important remarks:
CEC goes lower in soils or substrates with acid pH and it raises after correcting the pH. CEC also decreases with time, due to humus degradation.
Podemos ya entender las causas de algunos fenómenos que solemos observar:

La arena tiene poca CIC por lo que se lixivia pronto. En la práctica, o es rematadamente pobre o hay que estar fertilizando continuamente. También retiene poca agua.

La materia orgánica es fuente del humus que es muy activo respecto a la CIC. Ésta es una de las causas por las que conviene aportar materia orgánica. Otras causas son el aumento de la aireación y de la retención de agua.

A efectos de la contabilidad general de la fertilidad, la materia orgánica la podemos considerar como un almacén que nos viene al principio parcialmente cargado (con no todos los elementos y en cantidades no equilibradas) pero que luego tendremos que ir recargando y equilibrando con las sucesivas fertilizaciones químicas. Puesto que este almacén se deteriora con el tiempo, deberemos reponer la materia orgánica periódicamente.

Por lo tanto, cuando aportamos materia orgánica estamos mejorando la CIC y, de paso, aportamos algunos nutrientes. Si únicamente se utiliza un solo tipo de materia orgánica pueden originarse deficiencias de algunos nutrientes. 

We may already understand the causes for some phenomenons we usually see:

Sand has a very low CEC, so it soon becomes leached. In practice, it is either very poor or it needs permanent fertilizations. It also retains very little water.

Organic matter is the source for humus, this being very active regarding CEC. This is one of the reasons why it is advisable to add organic matter to the soil or substrate. Other reasons are  higher aeration and water retention.

From the point of view of the overall soil or substrate input/output accounting, we may regard organic matter as a "storehouse" coming partially filled with some nutrients (not all nutrients and in unbalanced amounts), the storehouse having the potential of being refilled with our chemical fertilizations. As this storehouse becomes degraded with time, we will have to periodically add more organic matter to the soil or substrate.

When we add organic matter we are primarily increasing the CEC and, as a secondary effect, we are bringing in some nutrients. If we use only one type of organic matter, shortages of certain nutrients might arise.

Saturación porcentual básica

En la lista de cationes dada más arriba observaremos que el Hidrógeno y el Aluminio llevan la anotación de "Ácido" mientras que otros cationes están clasificados como "Básicos".

El substrato puede adsorber los cationes, tanto los ácidos como los básicos.

Un porcentaje de la CIC puede estar ocupado por cationes básicos mientras que el resto estará ocupado por los ácidos.

La saturación porcentual básica es el porcentaje de la capacidad total (CIC) que está ocupado por cationes básicos.

Si la saturación porcentual básica llegara a ser del 100%, ya no quedaría más lugar para fijar cationes ácidos.

Percentage base saturation

On the above list of cations we may note that Hydrogen and Aluminum have the remark "acid" while other cations are considered to be "basic".

The substrate may adsorb both acid and basic cations.

A percentage of the CEC may be occupied by basic cations while the remainder may be occupied by the acid ones.

The percentage base saturation is the percentage of the total CEC being occupied by basic cations.

If the percentage base saturation would reach 100%, there would remain no place to be occupied by the acid cations.

Saturación porcentual ácida
o acidez potencial

Es el porcentaje de la capacidad total (CIC) que contiene cationes ácidos (generalmente Hidrógeno).

Los cationes ácidos son el Hidrógeno y el Aluminio (ver cuadro más arriba).

La acidez activa viene dada por el número de cationes ácidos libres (no adsorbidos) y es lo que nos da la medida del pH.

La acidez activa y la potencial se equilibran. Cuando se neutraliza la acidez activa, la acidez potencial libera cationes ácidos intercambiables hasta equilibrarse de nuevo. Hasta el límite de que se haya agotado la acidez potencial en cuyo momento ya puede comenzar a subir el pH.

Percentage acid saturation or
potential acidity

It refers to the percentage of the total CEC being occupied by acid cations (generally Hydrogen).

The acid cations are Hydrogen and Aluminum (see table above).

The active acidity is given by the number of free acid cations (not adsorbed) and it is what gives the pH measurement.

Active acidity and potential acidity tend to be equal. When the active acidity is neutralized, potential acidity releases exchangeable acid cations until balance is again reached. Up to the limit when potential acidity is exhausted, then soil or substrate pH may begin to raise.

El pH

La relación entre la saturación porcentual básica y la ácida determinan el pH.

Recordemos que los cationes Hidrógeno (y Aluminio) son los responsables del pH.

Las correciones o ajustes de pH se suelen hacer:

Para bajar: con azufre micronizado o elemental, sulfato de aluminio (solo Hydrangea), sulfato de hierro y fertilizantes amónicos. También regando con agua acidulada.

Para subir: con dolomita (CO3CaMg), con carbonato cálcico, con cal viva, con hidróxido cálcico, con bicarbonato potásico disuelto en agua. También regando con agua que contiene carbonatos y bicarbonatos va subiendo lentamente el pH.

Los entornos de pH recomendado para cada planta pueden considerarse ampliados cuando se están añadiendo, con frecuencia y regularidad, nutrientes que pueden ser directamente absorbidos.

El tema del pH se trata con mayor amplitud en la página:

El pH del substrato y la calidad del agua

pH

The relationship between percentage basic and acid saturations determine the pH.

Remember that Hydrogen (and Aluminum) cations are the ones responsible for pH.

The pH corrections or adjustments are usually made in the following ways:

To lower: with micronized or elementary sulfur, aluminum sulfate (only Hydrangea), iron sulfate and ammonium fertilizers. Also watering with water to which an acid has been added.

To raise: with dolomite (CO3CaMg), with calcium carbonate, with calcium oxide or calcium hydroxide, also with potassium bicarbonate dissolved in water. Also watering with uncorrected water which carbonates and bicarbonates slowly raise the pH.

The recommended pH ranges for each plant may be considered to be wider when nutrients capable of being quickly absorbed are being added at frequent and regular intervals.

The pH is dealt with more details on the page:

The substrate pH and water quality.

Diferentes fuerzas de los cationes

Dentro de un substrato (naturalmente con agua) suceden unos desplazamientos entre diferentes cationes. Cationes más fuertes recién llegados pueden quitar el sitio de los más débiles.

El ión desplazado deja de estar retenido quedando libre en el agua, por lo que tiene el riesgo de ser lixiviado. Otro resultado de estos desplazamientos puede ser el de generar toxicidades para la planta, tanto directamente por una super-abundancia del propio ión liberado o porque esta abundancia desencadene fenómenos relacionados con terceros elementos. 

Los desplazamientos suceden siempre en mayor o menor grado. Tienen importancia real después de ciertas fertilizaciones o correcciones que, conjuntamente con el contenido del suelo o substrato, pueden originar resultados indeseables.

En las fuerzas de retención influyen el tamaño del catión, su valencia y el estado de hidratación del substrato.

Así, en general, las fuerzas de retención son mayores para los iones pequeños y para los que tienen una valencia elevada. También las fuerzas de retención de todos ellos aumentan cuando hay baja hidratación (que es cuando a la planta le cuesta más absorberlos).

Siguen algunos ejemplos de intercambios, desplazamientos e interacciones:

El catión Hidrógeno tiene mucha más fuerza que los cationes Calcio y Magnesio, los que a su vez tienen un poco más de fuerza que los cationes Potasio.

El Potasio, Calcio y Magnesio se desplazan mutuamente si uno de ellos se encuentra en exceso.

La aportación excesiva de Cloruro Potásico ClK (un fertilizante químico muy frecuente) origina el intercambio de los iones de Magnesio presentes en el substrato o suelo con los débiles de Potasio del fertilizante, con lo que se genera Cloruro de Magnesio que se lixivia muy fácilmente, ocasionando carencia de Magnesio.

El exceso de Potasio inhibe el Nítrico (NO3), el Calcio y el Magnesio.

El exceso de Calcio inhibe el Magnesio, Potasio, Hierro y Manganeso.

El exceso de Magnesio inhibe el Calcio y el Potasio.

El exceso de Sodio o de Amonio (NH4) inhibe el Calcio.

Encalar un suelo (para aumentar su pH) significa reemplazar sus iones Hidrógeno por iones de Calcio y Magnesio.

Con pH<5,5 aumenta la solubilidad del Aluminio y sus iones intercambiables afectan la disponibilidad de nutrientes ya que adquieren una fuerza similar a la del Hidrógeno. El Aluminio no suele estar presente en los substratos artificiales.

El Aluminio desplaza especialmente al Calcio y al Magnesio.

El aluminio, debido al bajo pH, suele aumentar la disponibilidad de Zinc y de Manganeso cuyos excesos pueden resultar tóxicos.

Vale la pena mencionar que el exceso de Aluminio inhibe la división celular en el meristemo apical de la raíz.

El Amonio (NH4), en ciertas condiciones desplaza a otros. También parte de él se nitrifica (se convierte en NO3), con lo que disminuye el pH debido a la liberación de los cationes Hidrógeno.

Aunque no esté relacionado directamente con la intercambiabilidad vale la pena mencionar que el Amonio consume más oxígeno en las raíces lo que puede influir en una deficiente respiración en un substrato mal aireado.

No hay que perder de vista que el estado de riego varía las fuerzas de retención y, por tanto, la disponibilidad para la planta.

Different forces of cations

In a substrate (obviously with water) there are displacements among different cations. Stronger recently arrived cations may take the place occupied by weaker ones. 

The displaced cation ceases to be adsorbed, remaining free in water, so it has the risk of being leached. Another important result of these displacements is that the displaced ions may generate toxicities for the plant, either because of an excess of the concerned ions themselves or because of the influence of this excess on third elements.

Displacements always happen with a higher or lower degree. They become really important after some fertilization or correction practices that together with the contents of the soil or substrate may originate undesirable results.

The retention forces are influenced by the size of the cation, its chemical valence and the hydration status of the substrate.

In general, retention forces are higher for small ions and for ions having a higher valence. Also, retention forces become much higher when there is a low hydration (low hydration becomes thus responsible of higher element absorption difficulties for the plant).

A few examples of exchanges, displacements and interactions follow:

Cation Hydrogen is much stronger than cations Calcium and Magnesium, which in turn are only a little stronger than Potassium cations.

Potassium, Calcium and Magnesium displace one each other if one of them is in excess.

The excess of Potassium Chloride KCl (a very common fertilizer) is responsible for the exchange of the Magnesium cations on the substrate by the weak Potassium cations of the fertilizer, generating Magnesium Chloride as a result. This compound is easily leached, producing Magnesium deficiency.

Excess Potassium inhibits Nitric (NO3), Calcium and Magnesium.

Excess Calcium inhibits Magnesium, Potassium, Iron and Manganese.

Excess Magnesium inhibits Calcium and Potassium.

Excess Sodium or Ammonium (NH4) inhibits Calcium.

To lime a soil (in order to increase its pH) means to replace its Hydrogen cations by Calcium and Magnesium cations.

At pH<5.5 solubility of Aluminum increases and its exchangeable ions having a force similar to Hydrogen will affect nutrient availability. Aluminum is not usually present on artificial substrates having no clay because of its particle size.

Aluminum displaces specially Calcium and Magnesium.

Aluminum, due to the low pH, usually increases Zinc and Manganese availability, which excess may become toxic for the plants.

It is worth mentioning that excess Aluminum inhibits cellular division at the apical meristem of the root.

Ammonium (NH4), under certain conditions will displace other elements. Also, a part becomes nitrified (converted into NO3), which will lower the pH due to liberation of Hydrogen cations.

Although not directly connected with exchangeability it is also worth mentioning that Ammonium will use more oxygen on the roots, something that may derive into a deficient respiration in a poorly aerated substrate.

We should not forget that the watering status will change all the retention forces and, consequently, nutrient availability.

El Sodio

Un exceso de sodio intercambiable es tóxico. El cociente entre la cantidad de cargas catiónicas aportadas por el Sodio y la cantidad de cargas catiónicas aportadas por el Calcio y Magnesio juntos se denomina "relación de absorción de sodio" que, en general, debería ser <13.

El límite de saturación porcentual básica de Sodio generalmente aceptado es del 15% de la CIC.

En casos de excesivo contenido de sodio se pueden aportar enmiendas que contengan Calcio. Las más frecuentes son el cloruro cálcico y el yeso (sulfato cálcico hidratado); este último tiene la ventaja de no desviar el pH. También existen formulados químicos más complejos destinados a "secuestrar" el exceso de sodio; en general están basados en el intercambio de Sodio por Calcio.

Visto de otra forma, el límite de sodio para muchas plantas está alrededor de 60 -80 ppm.

Sodium

An excess of exchangeable sodium is toxic for plants. The ration between the amount of cationic charges of Sodium to the charges of Calcium and Magnesium together receives the name of "sodium absorption ratio" (SAR) which, in general, ought to be lower than 13.

The upper limit of sodium percentage basic saturation of the CEC is 15%, according to many authors.

In case of excess sodium, amendments containing Calcium may be applied. The most frequent ones are Calcium Chloride and gypsum (hydrated Calcium Sulfate); the later having the advantage of not raising the pH. There are also several complex chemical formulas commercially available, all aimed to 'sequester' the excess sodium; in general they are based on the exchange of Sodium by Calcium.

Seen from another point of view, the limit for sodium for many plants is around 60-80 ppm.

Relación Carbono/Nitrógeno (C/N)

La cantidad de Carbono es un indicador de la cantidad de materia orgánica que contiene el suelo o substrato.

Si hay excesiva cantidad de materia orgánica activa, el Nitrógeno será utilizado por los microorganismos de la descomposición en competencia con la planta por lo que puede convenir un aumento de la fertilización con nitrógeno.

También hay que considerar la tendencia del substrato a descomponerse, disminuyendo su volumen y, consecuentemente, su aireación.

Se pueden citar un par de ejemplos orientativos de relaciones C/N:

Virutas y serrín sin compostar: 1000/1
Corteza compostada y turba: 100/1

Varios autores coinciden en que la relación ideal C/N sería de 20/1 para no tener que añadir más Nitrógeno.

Uno de los casos excepcionales es el de la turba que tiene una C/N muy alta pero se descompone muy lentamente por lo que influye poco o nada en la competencia por el Nitrógeno.

Este hecho da pie para mencionar que la C/N no es el mejor método para averiguar el comportamiento de un substrato. El método más fiable está basado en la medición del anhídrido carbónico desprendido por las bacterias durante su descomposición del substrato.

La medición de la relación C/N está fuera del alcance de un aficionado o de un jardinero.

Carbon to Nitrogen ratio (C/N)

The amount of carbon is an indicator of the amount of organic matter preset on the soil or substrate.

If there is an excess of active organic matter, much Nitrogen will be used by the decomposition organisms competing with the roots of the plant, so it may be advisable to increase the fertilization with nitrogen.

We should also consider that the tendency of the substrate to decompose will bring an apparent volume reduction implying an aeration decrease.

Two orientative examples of C/N may be cited:

Non composted sawdust, shavings: 1000/1
Composted bark, peat: 100/1

Several authors mention that the ideal C/N ratio is 20/1, for not having to add more nitrogen.

One of the exceptions happens with peat, having a very high C/N but decomposing very slowly so it has little or no influence on competence for nitrogen.

This fact arises the opportunity to mention that C/N is not the best method to predict the behaviour of a substrate. The most reliable method is based on measuring the carbon dioxide generated by the respiration of substrate bacteriae during their decomposition process.

Measurement of C/N is beyond the possibilities of a hobby gardener.

La concentración de sales

Este tema se encuentra desarrollado en otra página:

Concentración de sales en el substrato

Salts concentration

This subject is explained in another page:

Salts concentration on the substrate

Julio Guri
15 MAR 2002

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