El pH del suelo es uno de los más importantes indicadores químicos de calidad, debido a que actúa como controlador de distintos procesos físicos, químicos y biológicos en el suelo, mientras estos mismos procesos lo afectan de manera directa o indirecta. Por ejemplo, el pH determina la CIC (Capacidad de Intercambio Catiónico) en suelos de carga variable, afecta la disponibilidad de nutrientes (Figura 1) y la actividad biológica, entre otros.  Por otra parte, la actividad biológica, en particular la mineralización de la materia orgánica, que incluye el aumento en las concentraciones de CO₂ y la posterior nitrificación del NH₄ pueden acidificar el suelo; además, un suelo con bajo CIC se acidifica más fácilmente que uno con mayor capacidad buffer.

pH DEL SUELO

Es una medida de la acidez o alcalinidad del suelo. Corresponde a la concentración (actividad) de protones (H⁺) en la solución del suelo. A mayor concentración, menor será el pH, ya que ambos se relacionan inversamente a través de la siguiente formula:

La escala de pH en sistemas acuosos varía de 0 a 14, siendo el pH=7 considerado neutro, donde las concentraciones de iones hidrógeno (H⁺) y de iones hidroxilos (OH^–) son iguales. Cuando la concentración de H⁺ aumenta, la de OH^– disminuye proporcionalmente.

Por ejemplo, un pH=6 indica una concentración de protones ([H⁺]) en la solución de suelo de 10^-6, es decir 1 x 10^-6 M, mientras que en el caso de pH=7, [H⁺]=1 x 10^-7 M, por lo que existe una concentración de protones 10 veces mayor. Del mismo modo, la concentración de OH^– será 10 veces mayor en el caso de pH=7.

El pH se mide normalmente en una solución o suspensión de suelo en agua desionizada. Se utiliza un extracto de pasta saturada o bien una suspensión obtenida con relaciones suelo: agua 1:1, 1:2 o 1:2,5.En el caso de materiales orgánicos (compost) suele utilizarse una suspensión 1:5.

El pH medido en agua desionizada corresponde a la acidez activa, es decir a la concentración de iones H⁺ en solución. Por otra parte, es posible medir la acidez potencial, es decir los protones (H⁺) o cationes ácidos (Al⁺³, Fe⁺³, Mn⁺²) presentes en al complejo de intercambio. Esta se mide a través de la determinación del pH utilizando una solución salina de KCl o CaCl₂.  En este caso, el catión de la solución salina reemplaza al H⁺ y los cationes ácidos del complejo, desplazándolos hacia la solución del suelo, donde los cationes se hidrolizan (absorben agua) y generan más protones. Así, por ejemplo, cuando el Al⁺³ es desplazado a la solución del suelo se hidroliza generando tres protones.

Al³⁺+ H₂O → AlOH²⁺ + H⁺

Al(OH)²⁺+ H₂O → Al(OH)₂⁺ + H⁺

Al(OH)₂⁺ + H₂O → Al(OH)₃ + H⁺

Normalmente, la acidez potencial es aproximadamente 10 veces más elevada que la acidez activa, por lo que un pH=6 medido al agua, equivaldría a un pH=5 medido al CaCl₂.

ORÍGENES DE LA ACIDEZ DEL SUELO

La acidez del suelo tiene varios orígenes incluyendo naturales y antrópicos.

1. NATURALES

• Roca madre: dependiendo del material parental, el suelo puede tener pH ácido o básico. Por ejemplo, si el material parental es cuarzo, granito o feldespatos, el suelo tendrá un pH ácido.  Ejemplo, suelos graníticos (alfisoles). Por el contrario, si el material parental es calcita (CaCO₃) naturalmente el suelo tendrá un pH básico.

• Clima: en climas de alta precipitación ocurre un lavado de bases (Ca, Mg, Na, K) y el suelo se acidifica, predominando los cationes ácidos (Al⁺³, Fe⁺³, Mn⁺²).

• Vegetación: existen especies de plantas que generan un pH ácido en el suelo. Por ejemplo, el pino acidifica el suelo producto de la descomposición de sus acículas (litter).

• Mineralización de la materia orgánica: la descomposición de la materia orgánica por parte de los microorganismos heterótrofos incrementa la concentración de CO₂ en el suelo, el cual es en promedio cinco veces más elevada (2500 ppm) que en el aire que respiramos (400 ppm). Este CO₂ acidifica la solución del suelo a través de la producción de ácido carbónico (H₂CO₃), el cual libera protones (H⁺) a la solución, que paulatinamente pueden acidificar el suelo.

CO₂+H₂ O↔H₂CO₃

H₂ CO₃↔H⁺+HCO₃^–

Cabe señalar que a presión de CO₂ atmosférico, el pH del agua destilada es de aproximadamente 5,5 y no 7 como normalmente se cree.

• Nitrificación: la nitrificación del amonio (NH₄⁺) proveniente de la mineralización de la materia orgánica libera protones al medio, produciéndose la acidificación del suelo.

2NH₄⁺ + 3O₂ –^nitrosomonas–> 2NO₂^–  + 2H₂O + 4H⁺

2NO₂^–  + O₂ –^nitrobacter–> 2NO₃^–

2. ANTRÓPICOS

• El laboreo del suelo: la inversión del suelo producto de la aradura y rastraje estimula la mineralización de la materia orgánica y, por lo tanto, la acidificación del suelo.

• Uso de fertilizantes de reacción ácida: el uso de fertilizantes amoniacales como urea, sulfato de amonio y nitrato de amonio acidifican el suelo, en el mediano plazo, producto de la liberación de protones derivada del proceso natural de nitrificación.

• Hidrólisis de la urea:

CO(NH₂)₂ + H₂O –^ureasa–> 2NH₃ + CO₂

2NH₃ + 2H₂O -> 2NH₄⁺ + 2OH^–

• Nitrificación:

2NH₄⁺ + 3O₂ –^nitrosomonas–> 2NO₂^–  + 2H₂O + 4H⁺

2NO₂^–  + O₂ –^nitrobacter–> 2NO₃^–

EFECTOS DEL pH

Para cada célula viva, existe un rango óptimo de pH para realizar adecuadamente sus funciones. Las plantas tienen distintos niveles de tolerancia a la acidez, con especies como lechuga, espinaca y remolacha, con bajo nivel de tolerancia, mientras en el otro extremo se encuentran especies como arándano, cranberry y azalea (Tabla 1). Por otra parte, el rango óptimo de pH para los procesos de nutrición de las plantas se encuentra entre 6 y 6,5, similar a aquel necesario para la mayoría de microorganismos, debido, en parte, a que a estos valores de pH la planta alcanza un metabolismo activo que favorece la producción de exudados radiculares como fuente de carbono para la sobrevivencia y multiplicación de los microorganismos asociados a la rizosfera (Graham et al., 1994).

El pH, ya sea por acidez o alcalinidad, afecta las características químicas y biológicas del suelo, incluyendo la disponibilidad de nutrientes y la toxicidad de metales, que a su vez afectan las comunidades microbianas. Estudios realizados en suelos de Norte y Sudamérica, representando un amplio rango de ecosistemas, postulan que existen grupos dominantes de bacterias cuya abundancia es independiente de la localización geográfica pero dependiente del pH, sugiriendo al pH del suelo como predictor de patrones microbianos biogeográficos (Lauber et al., 2009).

Recientes estudios demuestran que la regulación de Eh-pH (mantenimiento de estados redox extracelulares e intracelulares) es importante tanto para las interacciones planta-patógeno (bacterias, hongos, oomicetos y virus) como para las interacciones planta-invertebrado plaga (especialmente insectos) pues mantiene el desarrollo de barreras físicas (cerina, suberina, cutina) y la regulación de estomas, la producción de especies reactivas al oxígeno y el control de la Resistencia Sistémica Adquirida (SAR) y la Resistencia Sistémica Inducida (ISR) en una interacción compleja con hormonas vegetales (Srivastava et al. 2017). Ver Figura 2.

Efectos del pH bajo sobre microorganismos

• Cambios celulares y fisiológicos: Los iones hidrogeno (H⁺), que se encuentran en altas concentraciones cuando el pH es bajo, afectan la membrana celular, la conformación y estabilidad de proteínas y DNA, así como actividad de enzimas, al tiempo que limitan la reproducción de los organismos. Esto se traduce en la reducción de las funciones biológicas del suelo relacionadas con la salud y productividad (Birgander et al., 2014).

• Balance hongos/bacterias: se altera el balance entre hongos y bacterias, favoreciendo el dominio de hongos en el suelo (Rousk et al. 2010), lo que no solo hace referencia a hongos benéficos sino también fitopatógenos (Tabla 2).

• Inmovilización de C: a bajo pH se afecta la forma en la que se lleva a cabo la descomposición de la materia orgánica. Se favorecen los procesos fúngicos sobre los bacterianos y la inmovilización del carbono del suelo y los nutrientes, haciendo más lento el ciclaje de los mismos (Rousk et al. 2009).

• Fijación de N atmosférico: el proceso de asociación entre las bacterias tanto simbióticas, asociativas o de vida libre, y la planta se realiza de forma natural bajo condiciones de pH neutro a ligeramente alcalino. Cuando el pH se encuentra alrededor de 6 o menos, y se mantienen aplicaciones de fertilizantes amoniacales que, además de proveer N, reducen el pH, disminuye la eficiencia de la fijación biológica de N₂ (Weese et al., 2015). Adicionalmente, la disponibilidad de Ca⁺² y Mo, indispensables para el proceso biológico, se reduce a pH por debajo de 5 y el Al⁺³ y Mn⁺² incrementan, haciéndose tóxicos para las bacterias e inhibiendo la formación de nódulos.

Efectos del pH alto sobre microorganismos

El estrés por alcalinidad causa la inhibición de la respiración y crecimiento radicular debido a la presencia de altas concentraciones de HCO₃^– en la solución de suelo. Esta inhibición puede resultar en el incremento de ácidos orgánicos en las células radiculares que detienen la elongación o en el incremento de la producción de hormonas como el ácido abscísico (ABA). Igualmente, bajo condiciones de pH alcalino (pH >8,0), podría presentarse una disminución en el desarrollo de la planta por toxicidad de boro (B), deficiencias de hierro y manganeso.

Lógicamente, un menor desarrollo y actividad metabólica de las plantas afecta directamente la actividad de los microorganismos del suelo.

Estrategias de los microorganismos frente acidez o alcalinidad

• pH ácido:

Algunos microorganismos tienen la habilidad de alterar el pH del suelo por acidificación del ambiente a su alrededor, como una forma de excluir a otros microorganismos. La mayoría de las bacterias tienen óptimo de pH alrededor de la neutralidad; los hongos, por el contrario, se ven favorecidos a condiciones de pH ácido, lo que explica su dominio en suelos forestales comparados con suelos agrícolas o praderas de zonas áridas, donde predominan las bacterias (Zifcakova, 2020).

Algunos grupos de bacterias también han logrado adaptarse a pH ácido mediante producción de polisacáridos como el glutatión (presente en cianobacterias y bacterias donde juega un papel fundamental en la regulación de proteínas bajo condiciones de estrés oxidativo), biopelículas o biofilms o acumulación de K⁺ y PO₄^-3 en el citoplasma.  En condiciones de pH ácido, se ha encontrado predominio de Acidobacteria y Alphaproteobacteria (Shen et al., 2019). Asimismo, los hongos formadores de micorriza ofrecen protección al sistema radicular frente a estrés biótico y abiótico, incrementando el acceso a nutrientes limitados como el P, cuya disponibilidad se reduce a bajo pH.

• pH alcalino:

Por el contrario, a condiciones alcalinas, las plantas y los microorganismos asociados buscan mecanismos como la producción de fitosideróforos y sideróforos como la pioverdina (producida por la mayoría de cepas de Pseudomonas sp., fluorescentes) para formar quelatos de Fe, o acidificando la rizósfera por liberación de iones H⁺. En condiciones de pH alcalino, se ha reportado mayor abundancia de Actinobacteria (Jeanbille et al., 2016).

MANEJO INTEGRADO DEL SUELO Y LA NUTRICIÓN

El manejo del pH es un elemento esencial para alcanzar los beneficios esperados de manejo integrado del suelo y la nutrición. En general, dado que la rizósfera es un ambiente más bien ácido es necesario preocuparse del exceso de acidez en el suelo, más de que su alcalinidad.

La aplicación de cal debería ser una práctica permanente en suelos de pH < 6,5, especialmente aquellos que presentan altos niveles de metales como Cu y Mn. Dado que los suelos se acidifican producto de la mineralización de la materia orgánica y el uso de fertilizantes amoniacales, estos deberían encalarse permanentemente.

Si se tuviera un suelo con un pH adecuado, deberían aplicarse 2 kg CaCO₃ por cada kg de N-NH₄ aplicado (como urea u otro fertilizante amoniacal) o mineralizado desde la materia orgánica para neutralizar el efecto acidificante del proceso de nitrificación. Así, por ejemplo, en un suelo que tiene un 3% de materia orgánica, que mineralizaría alrededor de 90 kg N-NH₄ y donde se aplican además 50 kg N-NH₄ como urea (46% N), deberían aplicarse 2 kg Cal/kg N-NH₄ X (90+50 kg N-NH₄) =280 kg CaCO₃/ha/año, como mantención. En caso de que el suelo fuera deficiente en Mg, se podría utilizar Cal dolomítica. Durante la temporada es posible utilizar las llamadas cales líquidas, que corresponden a formulaciones floables de CaCO₃ o Ca(OH)₂, que pueden neutralizar el exceso de acidez a nivel rizosférico.

En el caso de suelos ya acidificados y que requieran enmiendas de Cal, es posible utilizar la siguiente fórmula para estimar la dosis de Cal:

DosisCaCO₃ (ton/ha) = [(pH_final-pH_inicial)/0.1]*capac.tampón

La capacidad tampón que corresponde a las toneladas de cal para subir 0,1 unidades de pH es suelo específico; sin embargo, es posible usar valores generales, si no se dispone de una curva de encalado. Por ejemplo: suelos graníticos (Alfisoles), 0,3; suelos aluviales (Inceptisoles), 0,5; y suelos volcánicos (Andisoles), 1.

Contrario a la creencia popular, el uso de inhibidores de nitrificación que permite mantener el amonio (NH₄⁺) disponible por más tiempo en el suelo, no reduce el pH del suelo, puesto que una lenta nitrificación (transformación de NH₄⁺ a NO₂^– y luego a NO₃^–) genera una menor cantidad de protones por unidad de tiempo, los que pueden ser tamponados por el suelo. Sin embargo, cuando la planta absorbe NH₄⁺ libera H⁺ a la rizósfera, lo que favorece la absorción de otros elementos, en particular fósforo y micronutrientes.

En el caso de ser necesario acidificar el suelo, es posible realizarlo a través del uso de enmiendas formadoras de ácido, como el azufre elemental o bien de tiosulfatos, que corresponden a formas de azufre parcialmente oxidadas. Por acción microbiana, el S elemental (o reducido) se oxida a sulfato generando protones.

S + 1,5O₂ + H₂O –^{oxidación microbiana}–> H₂SO₄

Cuando se trabaja con microorganismos PGPR no se recomienda el uso de ácidos fuertes (sulfúrico, nítrico, fosfórico) ya que estos oxidan la materia orgánica y reducen la actividad biológica. Las aplicaciones de materia orgánica y el uso de microorganismos PGPR, vía aumento de la actividad biológica, pueden reducir el pH de la rizósfera en suelos alcalinos.