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Arcillas identificadas en suelos de Costa Rica a nivel generalizado durante el periodo 1931-2014: I. Historia, metodologia de analisis y mineralogia de arcillas en suelos derivados de cenizas volcanicas.

Clay minerals identified in soils of Costa Rica from 1931 to 2014: I. History, methods of analyses, and mayor clay types found in volcanic ash derived soils

INTRODUCCION

1. Conceptos basicos

Las arcillas son constituyentes esenciales de gran parte de los suelos y sedimentos del mundo y representan el producto final de la meteorizacion principalmente de silicatos. La arcilla del suelo junto con las fracciones limo y arena definen su textura y su cantidad y propiedades afectan la gran mayoria de las reacciones fisicas, quimicas y biologicas que ocurren en el suelo y poseen una alta superficie especifica y fenomenos electricos superficiales que explican gran parte de los comportamientos que tiene el suelo.

En la ciencia del suelo el termino arcilla tiene 2 significados: 1) toda particula del que tenga un tamano menor de 2 pm independientemente de su composicion quimica, a veces incluyendo la fraccion limo entre 50 y 2 pm y 2) aquel mineral que esta formado por la union de 1 o 2 laminas tetraedricas con un lamina octaedrica. Hoy en dia tambien se consideran como arcillas los oxidos y oxi-hidroxidos, abundantes en suelos fuertemente meteorizados y los materiales "amorfos" conocidos como minerales de corto rango de cristalinidad y que pueden tener varias formas: las alofanas son esferas y las imogolitas son tubos, pero no dan senal en los difractogramas de rayos X.

Las arcillas dominan en los minerales secundarios y representan el producto de la neoformacion formandose en el suelo y el subsuelo por los procesos de meteorizacion de los minerales primarios; son un reflejo de las condiciones de formacion del suelo, de manera que las arcillas encontradas en suelos muy evolucionados son diferentes a aquellas encontradas en suelos con poca pedogenesis (Buol et al. 1981, Birkeland 1984). Las arcillas del suelo estan formadas por distintos arreglos de laminas de tetraedros y octaedros, las cuales forman capas. Estas capas son unidas por cationes en unos casos y en otros por una lamina de octaedros. Estas uniones de capas producen una gran diversidad de arcillas con propiedades especificas que las caracterizan. Comunmente, las arcillas se asocian a oxidos e hidroxidos de hierro y aluminio y compuestos organicos de origen secundario que pueden agruparse de varias maneras (Figura 1).

El termino arcilla se usa con diferentes significados: (1) desde el punto de vista mineralogico-pedologico, agrupa principalmente una serie de filosilicatos y otros compuestos de diametro inferior a 2 pm asociados a otras fracciones de oxidos e hidroxidos de Fe y Al o materia organica, cuyas propiedades fisico-quimicas dependen de su estructura que incluye otros silicatos como el cuarzo y los feldespatos si no superan las 2 _pm, (2) desde el punto de vista petrologico la arcilla es una roca sedimentaria de origen detritico, (3) para un ceramista es un material natural que cuando se mezcla con agua en la cantidad adecuada se convierte en una pasta plastica y (4) desde el punto de vista economico son un grupo de minerales industriales con diferentes caracteristicas mineralogicas y geneticas y con distintas aplicaciones tecnologicas.

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En estudios edafologicos, las arcillas se consideran por su importancia sobre las propiedades fisico-quimicas y biologicas de los suelos. Entre ellas Besoain (1985) menciona que las arcillas son "condicionadoras de la fertilidad del suelo", pues al presentar cargas negativas y algunas positivas, pueden adsorber cationes y en menor cantidad aniones y retener agua entre sus laminas. Asi, al retener elementos como fosforo, nitrogeno y potasio definen la fertilidad potencial de los suelos en relacion con la capacidad de intercambio cationico (CIC) y anionico (CIA) y la alta o baja saturacion de bases. La fertilidad potencial de los suelos tambien se ha relacionado con la presencia de minerales primarios de facil alteracion (Malagon 1975) aunque otros autores en Costa Rica han demostrado que esta disponibilidad de nutrimentos liberados al suelo por este proceso no son suficientes para llenar las necesidades nutricionales de cultivos como el tomate a nivel de invernadero (Hardy y Bazan 1963a, 1963b). Su importancia radica en que constituyen el asiento donde ocurren la mayoria de los procesos quimicos de adsorcion y retencion de nutrimentos y pesticidas y su posterior liberacion a la solucion del suelo. Las arcillas, tambien influyen en importantes propiedades fisicas de los suelos, como la capacidad de retencion de agua, velocidad de infiltracion, conductividad hidraulica, adhesividad, plasticidad, contraccion, expansion y los procesos de intercambio gaseoso que ocurren a nivel radicular.

Pedologicamente, los suelos que tienen horizontes Bw por acumulacion de arcilla translocada del horizonte suprayacente representan los suelos de mayor grado evolutivo y normalmente se encuentran dominados por caolinita, gibbsita y oxidos e hidroxidos de hierro y aluminio, proceso que puede verse acelerado en ambientes de alteracion hidrotermal o neomatolitica relacionadas con fuentes de calor de origen volcanico o por cizallamiento de falla como sucede en areas alrededor de los volcanes Rincon de la Vieja, Miravalles, Tenorio, Irazu y Turrialba. Phillips et al. (2014) mencionan el caso de la colonizacion preferencial de anortoclasa con inclusiones de oxidos de Fe y apatita en el sistema de aguas calientes Las Pailas, volcan Rincon de la Vieja, donde se identifico que la meteorizacion de dichos minerales es causada por efectos quimicos del agua pero tambien por la colonizacion temprana de microorganismos que se hipotetiza disuelven el P no disponible en la solucion alrededor de los minerales primarios.

2. Aspectos historicos de mineralogia de arcillas en suelos de Costa Rica

Aun antes de que se escribiera la historia a partir de la conquista y colonizacion de Costa Rica, los grupos indigenas regionales y de culturas mesoamericanas o colombianas ya conocian, a su practico entender, las propiedades de las diferentes arcillas con que se fabricaron los instrumentos y ceramica utilitaria y ceremonial. Igualmente utilitario desde la conquista hasta la actualidad han sido reconocidas las propiedades de las arcillas en la fabricacion de tejas, ladrillos y utiles de ceramica para el uso cotidiano y ornamental, cuyos sitios y procesamiento aun se retienen en lugares como Aguacaliente de Cartago, Guatil en Guanacaste y La Uruca en San Jose, donde aun se hace uso de estos materiales, presentes en todas las etapas de la evolucion de la humanidad y aun en sus exploraciones en el espacio.

La literatura sobre la mineralogia de las arcillas de Costa Rica es escasa y de dificil acceso. Se inicia con Anderson y Byers en 1931 y comprende un total de 84 trabajos con 510 observaciones lo que representa el 2,2% del total de referencias sobre suelos del pais hasta el ano 2014, de las cuales el 77%, 15% y 8% corresponden a horizontes A, B y C respectivamente. Al considerar solamente la informacion disponible para los horizontes A (394 observaciones) se encuentra que el 45%, 23%, 26% y 6% corresponden a arcillas amorfas, esmectitas, kanditas y oxidos e hidroxidos, respectivamente (Figura 2).

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Periodo 1931-1979: Bornemisza (1969) resume el conocimiento sobre mineralogia de arcillas en suelos de Centroamerica y Panama (solamente 5 trabajos para Costa Rica) y reconoce la importancia que tienen: (1) las arcillas de corto rango de cristalizacion, asociadas con halloysita y en algunos casos con arcillas 2:1 en suelos derivados de cenizas volcanicas (Andisoles) y en otros suelos; (2) la gran variabilidad en los suelos aluviales y (3) la presencia de alofana, caolinita, halloysita y oxidos e hidroxidos de Fe y Al en Latosoles (actualmente clasificados como Oxisoles, Ultisoles, Alfisoles e Inceptisoles muy desarrollados). Despues del trabajo de Anderson y Byers (1931) donde se caracteriza la arcilla de la serie de suelos Colombiana en la Zona Atlantica del pais, el conocimiento de la mineralogia de suelos de Costa Rica se retoma a principios de la decada de 1950 con fines agricolas (Drosdorff y Pearson 1951, Fiskel e Iley 1961, Lopez 1963, Stotzky y Martin 1963, Krezdorn et al. 1967) o geo-agronomicos (Dondoli 1943, 1950, Saenz 1949, 1951, Soto y Gonzalez 1956, Staff of the Cacao Program 1963, Hardy y Bazan 1963a,b) y se continua en decadas subsecuentes a un ritmo mas acelerado. Los trabajos de esta epoca describen de forma puntual los minerales secundarios presentes en los suelos en terrenos agricolas planos y posteriormente en catenas a su alrededor (Besoain 1972, Alvarado y Buol 1975).

A partir de 1970 aparecen los primeros trabajos sobre genesis y mineralogia de arcillas de Costa Rica (Bornemisza e Igue 1967, Besoain 1972, Gonzalez et al. 1972, Colmet-Daage et al. 1973, Andriesse y Muller 1973, Alvarado 1974, Tan et al. 1975, Andriesse et al. 1976) y otro de Holdridge et al. (1971) en el que se relaciona por primera vez las propiedades mineralogicas de los suelos con el crecimiento y distribucion de los bosques de Costa Rica.

Periodo 1980-2014: Durante los anos de 1980 al 2014 la mineralogia de arcillas en Costa Rica se enfoca principalmente a suelos derivados de ceniza volcanica en las laderas del Valle Central, con una contribucion importante por parte de la Universidad de Wageningen en suelos de la costa Caribe. A partir del ano 2000 aparecen varios trabajos dedicados exclusivamente al estudio de la mineralogia de arcilla en otras partes del pais (Jongmans et al. 2000, Kautz y Ryan 2003, Meijer y Buurman 2003, Sak et al. 2004, Fisher y Ryan 2006, Lewis et al. 2006, Herre et al. 2007, Scheucher et al. 2008, Pelt et al. 2008, Ryan y Huertas 2009, Mata et al. 2009) o bien de proyectos hidroelectricos y estudios ecologicos (Chinchilla 2000, Wilke et al. 2000, Gomez y Chinchilla 2005, Kleber et al. 2007, Winowiecki 2008, Arias et al. 2010b, 2010c, Hardmand et al. 2010, Salazar 2012).

Mineralogia de arcillas en estudios geologicos: Desde la perspectiva de vista geologica, tambien existen trabajos importantes sobre el tema (Laguna 1983,1985, Kesel y Spicer 1985, Bertholani y Loschi-Ghittoni 1986, Rochelle et al. 1989, Berrange et al. 1990, Mathers et al. 1991, Chiesa 1991, Luijckx y Zunnenberg 1992, Sanchez 1994, Nieuwenhuyse 1996, Knoblich et al. 1996, Cardenes 2003b, Vega 2004, Sak et al. 2004, Gaudin et al. 2005, Lewis et al. 2006, Reeves et al. 2007, Pelt et al. 2008, Scheucher et al. 2008, Schembre 2009, Ryan y Huertas 2009, Charpantier et al. 2011). Desde el punto de vista geologico-comercial destacan las arcillas que sirven como materia prima industrial, tanto por el volumen que se explota como por su valor en la cadena de produccion. En este campo un 90% de la arcilla se dedica a la fabricacion de materiales de construccion, cemento, ladrillos y azulejos en menor proporcion y un 10% como arcillas especiales, entre ellas caolines, bentonitas, sepiolita y paligorskita, para industrias como la fabricacion de papel, caucho, pinturas, absorbentes, decolorantes, arenas de moldeo, productos quimicos y farmaceuticos y a la alimentacion animal. En el pais son importantes para uso artesanal en varios yacimientos distribuidos en el pais (p.ej. en las localidades de Guaitil y Santa Ana).

En Costa Rica han llamado y recibido atencion algunos materiales arcillosos originalmente descritos como caolin, luego como laterita, bauxita y posteriormente como plintita, cuyos procesos de formacion se han discutido en detalle en eventos a nivel mundial (Barto-Kyriakidis 1989) y en libros de geomorfologia tropical (Thomas 1994). Se define un caolin como un material que contiene una cierta proporcion de minerales del grupo de las kanditas, que puede ser economicamente extraida y concentrada; se trata de una arcosa o arena caolinifera, granito o gneis caolinitizado que es necesario procesar para enriquecer el material en minerales del grupo del caolin. Las lateritas son el producto de una meteorizacion subaerea intensa cuyos contenidos de Fe y Al son mayores y los de Si menores a los encontrados en las rocas parentales originales pero caolinizadas; normalmente consisten predominantemente de caolinita, goethita, hematita, gibbsita y cuarzo (Schellmann 1981). Los depositos de bauxita se originan por meteorizacion en el proceso de formacion de suelos que culmina con un enriquecimiento de aluminio, pero no de alcalis, materiales alcalinos o silice; por deposito bauxitico se entiende aquel que contiene no menos de 45-50% [Al.sub.2][O.sub.3] y no mas de 20% [Fe.sub.2][O.sub.3] y 9-5% Si[O.sub.2] combinados (Valenton 1972). Se entiende por plintita (Gr. plinthos, ladrillo) una mezcla de arcilla con cuarzo y otros diluyentes, rica en hierro y pobre en humus que se presenta como concentraciones redox rojo oscuras en patrones laminares, poligonales o reticulares y cambia irreversiblemente a un pan endurecido ferrico o a agregados irregulares al exponerla a humedecimientos y secados repetidos. Saenz (1983) y Castillo (1997) mencionan que los principales recursos de aluminio de Costa Rica se encuentran en los valles de El General y Coto Brus (Figura 3), donde los depositos de bauxita o laterita-bauxitica son el producto del proceso de laterizacion que afecto las terrazas fanglomeraticas del Pleistoceno (coluvios-aluvionales derivados de los flancos de la cordillera de Talamanca), correspondientes a los abanicos aluviales segun Kesel y Spicer (1985). En esta region, Castillo (1997) menciona espesores de suelo de entre 2,6 y 3,0 m con contenidos de 31,7-34,1% [Al.sub.2][O.sub.3] y de 4,8-5,3% Si[O.sub.2], notandose que el Al tiende a acumularse en el subsuelo aqui y en otras regiones de Costa Rica (Harmand et al. 2010, Wilke et al. 2000). La presencia de bauxitas implica una meteorizacion muy intensa y antigua para toda la region y esta en concordancia con lo encontrado por Winowiecki (2008) en Baja Talamanca.

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Otro tipo de arcilla de consideracion geologica es la bentonita, entendiendose por tal una roca sedimentaria compuesta esencialmente por minerales del grupo de las esmectitas, que en funcion de su capacidad de hinchamiento en agua se las separa como: (1) altamente hinchables o sodicas, (2) poco hinchables o calcicas y (3) moderadamente hinchables o intermedias. Las sepiolitas y paligorskitas son materiales arcillosos de habito fibroso con un contenido de estas arcillas superior al 50%, con una enorme area superficial debida a su pequeno tamano de particula y porosidad estructural calculada alrededor de 900 [m.sup.2] [g.sup.-1], aunque la superficie accesible es muy inferior.

3. Metodologias de analisis

Los metodos empleados en los estudios de meteorizacion de suelos y en la caracterizacion y formacion de arcillas en Costa Rica han variado con el tiempo, de manera que para la epoca en que se hicieron algunos de ellos no se consideraban el avance actual sobre secuencias de alteracion desde el punto de vista de la termodinamica descritos en varios textos (por ej. Lindsay 1979, Sposito 1989) ni los estudios de las secuencias de alteracion de las tefras, por lo que algunas secuencias de alteracion y la presencia de algunos minerales arcillosos discutidas sobre Andisoles de Costa Rica hoy son cuestionadas de acuerdo con los criterios descritos por Shoji et al. (1993).

Los primeros estudios se basaban en el analisis petrografico (p.e. Dondoli y Torres 1954) para identificar los minerales primarios en muestras de suelo colocadas sobre un porta-objetos y observadas en un microscopio petrografico de luz polarizada. Asi se identificaban los contenidos de oxidos de Fe, caolin y oxidos de Al, plagioclasas, piroxenos y cuarzo. En el Cuadro 1 se nota el poco grado de desarrollo edafico de los suelos de la region oriental de la Meseta Central (Dondoli y Torres 1954) ya que los contenidos de plagioclasas (0 y 23%) y piroxenos (0 y 17,4%) son mucho mayores que los oxidos de Fe (0,1 y 6,1%), el caolin y los oxidos de Al (0,2 y 9,3%) resultado de su meteorizacion.

Posteriormente, se incorporo el analisis quimico total, con el fin de cuantificar la acumulacion o la perdida de elementos en el suelo, tal como hizo Chirinos (1957) quien al describir la Serie Saenz en la Estacion Experimental Agricola de la Universidad de Costa Rica indico que los minerales primarios disminuian con la profundidad del perfil, mientras que los minerales caolinizados aumentaban; sin embargo, los contenidos totales de Al, Fe y Mn no seguian el mismo patron por lo que se asumio que salen del sistema junto con los elementos Mg, Ca, Na y K, pero en menor cantidad (Cuadro 2).

A partir de 1970, los autores emplearon diferentes metodologias de analisis entre las cuales resaltan los metodos de reactividad como el valor delta de la CIC, la reaccion al fluoruro de sodio, la retencion de fosfatos (Cuadro 3), los metodos de disolucion selectiva como ebullicion en NaOH, extraccion con pirofosfato de sodio, oxalato de amonio y ditionito/citrato (Cuadro 4) y los metodos fisicos convencionales (difraccion de rayos X y de infrarrojo, analisis termico diferencial y microscopia electronica, entre otros).

DISTRIBUCION ESPACIAL DE LOS TIPOS DE ARCILLA EN EL HORIZONTE SUPERIOR DEL SUELO EN COSTA RICA

Las areas con mayor densidad de observaciones de mineralogia de arcillas en Costa Rica (Figura 4) coinciden con aquellas en las cuales dominan los cultivos de exportacion como banano y cacao en los suelos de origen aluvial del Atlantico y banano, cacao y palma aceitera en los suelos de origen aluvial del Pacifico, asi como en las cordilleras volcanicas donde varias instituciones internacionales han tenido proyectos de investigacion. En la Figura 4 se muestra la distribucion en el pais de los "tipos de arcilla dominantes" (alofanas, esmectitas, kanditas y oxi-hidroxidos), mencionadas por los investigadores que las identifican como mas abundantes en el horizonte superficial y en algunos casos en todo el perfil del suelo. La distribucion de los puntos deja ver que existen algunas regiones en las cuales el numero de estudios sobre mineralogia de arcillas en los suelos es nula o casi nula, identificadas como tales la peninsula de Nicoya, la Zona Norte y la region este de la cordillera de Talamanca.

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Al trasponer los puntos de arcillas dominantes caracterizadas en el suelo superficial (horizonte A) al mapa de ordenes de suelos de Costa Rica se obtiene una extrapolacion de areas con posible dominio de las arcillas identificadas (Figura 4). Para este fin se consideran los sistemas: (1) vitrico-alofanico-halloysitico para todos los Andisoles; (2) esmectitico-interestratificados para todos los Vertisoles y los Inceptisoles aluviales de costa y (3) oxidico-caoliniticos los ordenes Alfisoles y Ultisoles, ya que hasta el presente los Oxisoles no han sido cartografiados. En terminos de superficie total el sistema oxidico-caolinitico seria el mas relevante del pais, aunque quedarian extensas areas en las que faltaria definir su mineralogia dominante.

PRINCIPALES TIPOS DE ARCILLAS DE COSTA RICA

De manera similar a lo encontrado por Bornemisza (1969) en suelos de Centroamerica, los tipos de arcilla encontrados en los suelos del pais pueden agruparse como de mineralogia dominante en los siguientes tipos: (1) "vidrioarcillas de corto rango de cristalizacion-halloysitica" en las areas de vulcanismo activo reciente, (2) "esmectita-interestratificada" en los ambientes aluviales principalmente cercanos a las costas y (3) "oxidos -hidroxidos-caolinita-gibbsita" normalmente en suelos muy desarrollados sobre las laderas de las cordilleras. Ademas de los sistemas de mineralogia de suelos antes mencionados se presentan situaciones particulares en las cuales es comun que por falta de desarrollo edafico ningun tipo de arcilla es dominante. La realidad es que bajo las condiciones de desbalance isostatico (temblores y terremotos) y la posibilidad de deslizamientos, inundaciones periodicas, lluvias torrenciales por periodos cortos y por la fuerte erosion hidrica y eolica en algunos lugares, la tasa de formacion de suelo es casi igual o menor a su tasa de perdida, por lo que la fraccion de arcilla que se puede medir y caracterizar en los suelos asi formados es muy variable. Ello da lugar a lo que se conoce como mineralogias mixtas, principalmente presentes en Entisoles e Inceptisoles en las que las arcillas retrabajadas son dominantes. Asi, los principales grupos mineralogicos del pais a discutir seguidamente de acuerdo con su grado de desarrollo edafico son:

1. Andisoles y otros suelos con propiedades andicas (mineralogia vidrio-arcillas corto rango de cristalizacion-halloysitica).

2. Vertisoles y otros suelos con propiedades verticas (mineralogia esmectitica y de arcillas interestratificadas).

3. Alfisoles, Ultisoles y Oxisoles (mineralogia de oxidos-hidroxidos-caolinita-gibbsita).

ANDISOLES Y SUELOS CON CARACTERISTICAS ANDICAS (VIDRIO VOLCANICO-ALOFANAS-HALLOYSITAS)

Cenizas volcanicas y vulcanismo en Costa Rica

Barquero y Saenz (1987) documentaron la existencia de 112 aparatos volcanicos en el territorio nacional a elevaciones que oscilan entre 100 y 3549 msnm, algunos de los cuales eyectan piroclastos con cierta recurrencia y ocasionalmente nubes ardientes, bloques, lavas, bombas y gases acidos (Figura 5). Por su lado, Alvarado (2000) reconocio la ocurrencia de por lo menos 290 focos o aparatos volcanicos en el pais, de los cuales solamente 20 sobresalen por su altura y actividad reciente, una parte con fuerte actividad durante el Terciario y el resto de actividad durante el Cuaternario. La mayoria de la eyecciones de piroclastos caen en la vertiente pacifica del pais, como documento Martini (1969) para Centroamerica y mas recientemente otros autores para Costa Rica y Panama en los volcanes Rincon de la Vieja (Campos 1997, Soto et al. 2003), Miravalles (Vega et al. 2005), Irazu (Clark et al. 2006), Turrialba (Reagan et al. 2006) y Baru (Sherrod et al. 2008).

Segun Shoji (1986) el termino ceniza volcanica se refiriere colectivamente a eyecciones volcanicas o tefra, incluyendo deposiciones de piroclastos y de materiales de flujo (ceniza volcanica, pomez y escoria). Los materiales mencionados se encuentran dominados por vidrio volcanico fino, poroso y permeable y por ende de poca resistencia a la meteorizacion quimica; su rapida meteorizacion conlleva a la formacion de arcillas de corto rango de cristalizacion.

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La elevada actividad volcanica de Costa Rica permite la formacion de Andisoles asociados con Entisoles (p.ej. lavas y cenizas muy recientes) que se estima representan un area superior a las 700 000 ha, equivalentes al 14% del area total del pais (Mata et al. 2012). Ademas, otros suelos de mayor grado de desarrollo que los Andisoles, entre ellos Alfisoles y Ultisoles cubiertos por depositos de cenizas volcanicas recientes en forma eolica y algunos Inceptisoles tambien se han visto afectados por depositos coluviales, coluvio-aluviales que contienen ceniza retrabajada, producto de la erosion y deslizamientos en areas aledanas a los volcanes, como ocurre en la Zona Atlantica. Alvarado et al. (2010) mencionan la ocurrencia de areas de Andisoles en (1) Guanacaste, (2) el Valle Central, (3) la Zona Sur y (4) pequenas areas en Talamanca y la Zona Atlantica y es en este tipo de suelos en los que tiende a dominar la mineralogia "vidrio-minerales de corto rango de cristalizacion-halloysitica", condicionada principalmente por la variacion climatica inducida por diferencias en elevacion sobre el terreno y en menor grado por la mineralogia del material parental, ya que en su mayoria los depositos de ceniza del pais son de composicion andesitico-riolitico (Alvarado 2000).

En un inicio, para estudiar arcillas en Andisoles se tuvo que resolver el problema de su dispersion, fuera por su secado irreversible (Forsythe 1972) o por su poca dispersion en medios acidos o basicos (Colmet-Daage et al. 1973). Otros estudios sobre mineralizacion de las cenizas y rocas volcanicas y la formacion de arcillas de estos materiales se iniciaron a partir de la decada de los sesenta (Lopez 1963, Bornemisza e Igue 1967, Bornemisza 1969, Bornemisza y Pineda 1969, Harris 1971a,b, Besoain 1972, Gonzalez et al. 1972, Forsythe 1972, Gonzalez 1972, Andriesse y Muller 1973, Colmet-Daage et al. 1973, Alvarado 1974, 1982, Tan et al. 1975, Lopez 1978, Landaeta et al. 1978, Gomez et al. 1981, Laguna 1983, 1985, Bertolani y Loschi-Ghittoni 1986, Grieve et al. 1990, Herrera 1990, van Dooremolen et al. 1990, Knoblich et al. 1996, Nieuwenhuyse y van Breemen 1997, Buurman et al. 1997, Soto 1998, Jongmans et al. 2000, Kautz y Ryan 2003, Meijer y Buurman 2003, Herre et al. 2007, Kleber et al. 2007, Arias et al. 2010b,c, USDA/SCS 2012).

Los primeros enfoques utilizados para caracterizar los cambios ocasionados por la meteorizacion en suelos del pais incluyen el analisis petrografico y el analisis quimico total, este ultimo empleado para estimar la acumulacion de oxidos e hidroxidos de Fe y Al en relacion con la perdida de Si, calculado con los Indices de Niggli tambien llamados relaciones silice sesquioxidos (Saenz 1969). Como se menciona en la seccion de metodos de analisis, hoy en dia el estudio de las arcillas en Andisoles se hace uso de diferentes metodos que se utilizan especificamente para su identificacion taxonomica, como el valor delta de la CIC, la reaccion al fluoruro de sodio, la retencion de fosfatos, los metodos de disolucion selectiva como ebullicion en NaOH, extraccion con pirofosfato de sodio, oxalato de amonio y ditionito/citrato y los metodos fisicos convencionales. Algunos ejemplos se incluyen en los Cuadros 3 y 4, donde se puede observar la variacion de parametros como el P retenido, el pH en NaF (metodos de reaccion) y el Al activo y Al y Fe extraidos con ditionito-citrato (metodos de disolucion) en Andisoles (Alvarado 1984, Canessa et al. 1986, Chinchilla et al. 2011a, Andriesse et al. 1976). La acumulacion de las formas de Al y Fe activas determina la fuerte influencia de las propiedades fisicas, quimicas y de productividad de los Andisoles, suelos en los que se combinan con la alofana, la imogolita, forma complejos Al/ Fe-humus y ferrihidrita.

En la Figura 6 puede verse una representacion generalizada de los procesos de formacion de arcillas a partir de feldespatos y de disolucion y re-cristalizacion a partir de vidrios volcanicos; las secuencias conducen a la posible formacion de illita, vermiculita, clorita y montmorillonita a partir de los feldespatos, mientras que a partir del vidrio volcanico tiende a formarse alofana, metahalloysita, halloysita y finalmente caolinita y oxidos e hidroxidos de Fe y Al.

En la Figura 7 puede observarse otros mecanismos de formacion y transformacion de arcillas y complejos organo-minerales en suelos derivados de cenizas volcanicas de regiones de clima udico templado segun Wada (1989). Al presente no existe un consenso acerca de la formacion de arcillas tipos 2:1 y 2:1:1 en suelos derivados de cenizas volcanicas a pesar de las variadas hipotesis de formacion estudiados en varias partes del mundo, incluyendo Costa Rica.

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Definicion, caracteristicas y procesos de formacion del vidrio volcanico

Se considera como vidrio volcanico al grupo de minerales vitreos y vitreos-recubiertos ricos en silice; estos materiales son un componente dominante en tefras relativamente poco meteorizadas cuya transformacion puede producir minerales de baja cristalinidad tales como alofana, imogolita y ferrihidrita. Su contenido se considera como el porcentaje de vidrio (por conteo de granos), granos minerales revestidos de vidrio, agregados vitreos y materiales vidriosos en la fraccion de 0,02 a 2,0 [my]m tal como se reportaba en estudios petrograficos del suelo (Murata et al. 1966, Chaves 1969). Se considera como vidrio volcanico un material translucido, opticamente isotropico o pomez de cualquier color que incluye vidrio, pomez, minerales cristalinos revestidos de vidrio, agregados vitreos y materiales vidriosos (Soil Survey Staff 2006). En particular, los suelos desarrollados en areas adyacentes a los conos volcanicos con una elevada precipitacion pluvial y clima frio tienden a acumular vidrio volcanico, material de mayor diametro y densidad de particula que el eyectado como ceniza. Si la cantidad de lluvia es suficiente para lavar el Si y las bases (Ca, Mg K y Na) en solucion, entonces las propiedades de los suelos se consideran como vitricas (Sieffermann y Millot 1969, Colmet-Daage et al. 1973, Meijer y Buurman 2003). Debe recordarse que estos suelos tienen un alta porosidad efectiva (45-65%), moderada conductividad hidraulica (0,02-0,50 m.[d.sup.-1]) y una distribucion de tamano de poros muy amplia (Foster et al. 1985).

Definicion, caracteristicas y proceso de formacion de las alofanas

Las alofanas son minerales secundarios comunes en suelos originados a partir de la meteorizacion de materiales volcanicos en condiciones de buen drenaje y temperatura media (Besoain 1985, Wada 1989, Mizota y van Reeuwijk 1989, Quantin et al. 1991) que raramente se forman en sitios con muy alta precipitacion y temperatura (Sieffermann y Millot 1969) como ocurre en las llanuras aluviales del Caribe de Costa Rica (Meijer y Buurman 2003, Arias et al. 2010a), en zonas a mucha altura con cenizas volcanicas gruesas recientemente depositadas, o rocas volcanicas fuertemente meteorizadas en clima frio (Colmet-Daage et al. 1973, Knoblich et al. 1996, Meijer y Buurman 2003), o a partir de cenizas volcanicas ricas en silice (Andriese et al. 1976). Sin embargo, bajo este tipo de condiciones Alvarado (1974) en las faldas del volcan Irazu y Tan et al. (1975) en la vertiente Caribe del cerro Platanar encontraron alofana en la fraccion arcillosa de estos suelos cuya precipitacion se ve favorecida a pH>5,0, que describe ademas, un numero importante de fitolitos que se conservan en el suelo despues de muerto y mineralizado el tejido vegetal de gramineas y que estabilizan la silice y aumentan las fracciones cristalinas y no cristalinas del suelo (Kelly et al. 1998).

Basandose en la relacion Al:Si y desde un punto de vista operacional, las alofanas ocurren en una serie con 2 miembros terminales; los miembros de la serie ricos en Al (Al:Si=2:1) y los ricos en Si (Al:Si=1:1). Las alofanas ricas en Al (tambien llamadas alofanas tipo proto-imogolita o similares a la imogolita) se relacionan con la imogolita por tener el mismo arreglo atomico y composicion quimica (Al:Si=2:l); sin embargo difieren morfologicamente y se considera que provienen de fragmentos con el mismo arreglo estructural y composicion quimica de la estructura de la imogolita por un periodo de tiempo corto (Parfitt y Henmi 1980). Besoain (1985) resume a varios autores que reconocen la existencia de la alofana A (que consideran como la mas comun) y presenta una proporcion similar de Si y Al, la alofana tipo B que es rica en silice y la alofana tipo C que es rica en aluminio y la mas comun en suelos viejos de baja fertilidad.

Las principales propiedades de la alofana son: (1) una superficie especifica mayor de 500 [m.sup.2] [g.sup.-1], (2) una elevada capacidad de intercambio anionico (CIA) con (3) una alta capacidad de retener fosfatos y zinc, (4) una capacidad de intercambio de cationes (CIC) alrededor de 100 cmol(+).[l.sup.-1] de arcilla, la cual es dependiente del pH por tener carga variable, (5) el 50% de la carga ocurre en los tetraedros de Al/Si y el otro 50% se da por sustitucion isomorfica, 6) baja densidad aparente, 7) secado irreversible y baja dispersabilidad y 8) alta porosidad (Andriesse et al. 1976, Foster et al. 1985, Porta et al. 2003). En la Figura 8 se muestra la falta de reflexiones en el difractograma de rayos X dada la baja cristalinidad de este material, asi como los picos exotermicos y endotermicos en el analisis termico por perdida de agua e hidroxilos que la caracterizan y su forma amorfa en el microscopio electronico.

[FIGURA 8 OMITIR]

Cuando recien se iniciaba el movimiento de definicion del orden de los Andisoles, se propuso que el proceso que conlleva a su formacion podia reconocerse como andolizacion (Saenz 1969), termino que implica la formacion de complejos de Al-humus ademas de la alofanizacion definida por Besoain (1972) como la formacion de alofana de acuerdo con la siguiente ecuacion:

[ILUSTRACION OMITIR]

Las propiedades andicas del suelo se forman comunmente durante la meteorizacion de tefras u otros materiales parentales que contienen cantidades significativas de vidrio volcanico y representan una etapa de transicion donde la meteorizacion y la transformacion de aluminosilicatos primarios (por ejemplo, vidrio volcanico) ha llegado al punto de formar materiales de baja cristalinidad como alofana, imogolita, ferrihidrita o complejos metalico-humicos. Las cantidades relativas de alofana, imogolita, ferrihidrita o complejos metal-humus (cuando el pH [H.sub.2]O es < 5,0) en la fraccion coloidal se infieren a partir de analisis de laboratorio de aluminio, hierro y silice extraidos con oxalato de amonio y a partir de la retencion de fosfato. Los edafologos pueden usar la untuosidad o el pH en fluoruro de sodio (NaF) 1N como indicadores de campo de las propiedades andicas de suelo (Figura 9).

Zehetner et al. (2003) mencionan que de acuerdo con varios autores, la alofana y la halloysita son los tipos de arcilla dominantes en los suelos derivados de cenizas volcanicas del mundo, habiendose sugerido que la halloysita se forma a partir de la meteorizacion de la alofana aunque se ha demostrado que esta ultima asi como la alofana pueden formarse directamente a partir de la ceniza volcanica, formandose la halloysita cuando la concentracion de [H.sub.4]Si[O.sub.4] en la solucion del suelo excede valores de 250 o 350 [my]mol.[l.sup.-1] y la alofana a concentraciones inferiores.

[FIGURA 9 OMITIR]

Definicion, caracteristicas y proceso de formacion de las halloysitas

La formacion de halloysita es el resultado de un enriquecimiento con Si en condiciones donde el Si en la solucion del suelo es > 10 mg.[l.sup.-1] como resultado de: (1) drenaje deficiente, (2) deficit de humedad en epocas del ano o (3) transformacion de feldespatos y pseudomorfos pumiceos en microambientes confinados. Las halloysitas pueden presentar una morfologia tubular o laminar (Kunze y Bradley 1976) y encontrarse en diferentes grados de hidratacion, considerandose que las formas hidratadas son metaestables. El proceso de secado de la halloysita de 1,0 nm a halloysita de 0,7 [my]m, requiere de una serie de pasos progresivos que dependen de la humedad relativa y la temperatura de secado (Figura 10). Geologicamente aparecen como masas blancas, a veces tenidas de marron o amarillo, con fractura concoidal caracteristica y dureza entre 1 a 2, con una densidad alrededor de 2,2 g [cm.sup.-3] y en el caso de la halloysita hidratada una CIC que varia entre 10 y 50 cmol(+).[l.sup.-1] arcilla (Besoain 1985).

[FIGURA 10 OMITIR]

Lopez (1963) identifico a la halloysita como mineral de arcilla dominante en un perfil de San Francisco de Heredia, mientras que Sandoval (2010) ha mencionado la presencia de halloysita hidratada en el horizonte superior de un Typic Hapludults y de un Andic Dystrudepts, el ultimo con caracteristicas andicas en el horizonte A asociadas a valores de densidad aparente del suelo menores de 0,67 Mg.[m.sup.-3] y pH en NaF en el rango 9,6-10,7. Aunque no mencionada en la literatura, la presencia de grietas que se cierran periodicamente en los suelos anteriormente mencionados indica que este tipo de arcilla puede tener capacidad de contraccion y dilatacion o que en los mismos coexiste una cierta cantidad de arcillas expansibles que modifican su reologia. Este tipo de arcilla tambien ha sido reportado en la region noroeste de la finca La Gamba en el Pacifico Sur del pais (Scheucher et al. 2008) donde probablemente se deriva de la meteorizacion de pequenas cantidades de cenizas volcanicas depositadas por el volcan Baru segun la distribucion de estos materiales propuesta por Sherrot et al. (2008).

Secuencias de formacion de arcillas en las cenizas volcanicas en Costa Rica

Los cambios quimicos que ocurren en las cenizas recien depositadas dependen de las condiciones de meteorizacion y de las propiedades originales del material que da lugar por consiguiente a la formacion de diferentes tipos de arcilla. Basados en los cambios ocurridos a traves del tiempo Colmet-Daage et al. (1973) delinearon algunas zonas mineralogicas volcanicas en Costa Rica con dominancia de materiales no cristalinos o cristalinos que han sido tambien investigadas por Gonzalez et al. (1972) y Andriesse y Muller (1973). En la mayoria de los Andisoles de Costa Rica se puede encontrar trazas de vermiculita interestratificada, cuarzo, gibbsita y cristobalita (Centro Cientifico Tropical 1980, Chichilla 2000). En forma generalizada se puede indicar que las tefras meteorizan a geles amorfos de silice y aluminio, reconocidos actualmente como minerales de corto ambito de cristalizacion (antes conocidos como materiales amorfos y que incluyen a la alofana, la himogolita, la ferrihidrita o complejos humico aluminicos), los que a su vez pueden pasar a metahalloysitas, halloysitas y finalmente cambiar a gibbsita, caolinita o montmorillonita, segun las condiciones ambientales. En general las cenizas oscuras tipo andesiticobasaltico contienen mucho mas Fe y Mg que las cenizas claras tipo dacitico-riolitico las cuales contienen una mayor cantidad de Si, y las primeras son las mas abundantes en Costa Rica. Debe recordarse que debido a la preparacion de las muestras de arcilla para los analisis de rayos X la muestras son tratadas muy energeticamente, como es el caso de la solubilizacion de nodulos de Fe y Mn que tienen ocluidas arcillas tipo 2:1, tipos de arcilla que no necesariamente corresponden a una secuencia de alteracion.

Secuencias a partir de cenizas andesiticas: Alvarado et al. (2010) mostraron que en el pais la meteorizacion de las cenizas andesiticas conduce a resultados finales diferentes a partir de las condiciones ambientales definidas principalmente por el relieve, el cual a su vez influye en los regimenes de humedad y temperatura del suelo y de la zona de vida (Figura 11). De manera generalizada, en las partes mas elevadas (pisos montano alto y sub-alpino, por encima de los 2500 msnm), perhumedas, frias y cercanas a los conos de deposicion de las cenizas, tiende a acumularse vidrio volcanico asociado con pequenas cantidades de alofana e hisingerita como se ha encontrado en los alrededores de El Empalme y en el Cerro de la Muerte, Talamanca (Landaeta 1977); sin embargo, Knoblich et al. (1996) mencionan que las rocas y cenizas volcanicas en la misma region siguen 3 secuencias de meteorizacion: (1) esmectita-alofana-minerales de hierro-feldespatos, (2) esmectitaalofana-metahalloysita-minerales de hierro, (3) alofana-metahalloysita-feldespatos. En las cimas de los volcanes Irazu-Turrialba (Besoain 1972, Colmet-Daage et al. 1973, Forsythe y Vasquez 1973, Alvarado y Buol 1975, Soto 1998) y PoasBarva (Gomez et al. 1981, Grieve et al. 1990, Meijer y Buurman 2003) por un proceso conocido como redistribucion de plasma, el Fe disuelto y probablemente acomplejado con materia organica en ocasiones puede transferirse a los horizontes inferiores del perfil, donde llega a formar capas delgadas y endurecidas conocidas como horizontes placicos (Figura 12) como ha sido observado en los alrededores del volcan Irazu (Alvarado 1974), Talamanca (Otarola y Alvarado 1977) y en la cuenca alta del rio Pirris (Chinchilla et al. 2010b). En Ecuador Zehetner et al. (2003) describen una secuencia similar, excepto porque no describen los suelos con alto contenido de vidrio volcanico, en la que sobre los 3200 msnm la fraccion coloidal esta dominada por materiales amorfos en Andisoles con epipedon melanico, entre 3200-2700 msnm coexisten la alofana y la halloysita en Andisoles con epipedon umbrico y a alturas menores a los 2700 msnm la fraccion coloidal esta dominada por halloysita en Inceptisoles y Entisoles.

[FIGURA 12 OMITIR]

En lo discutido anteriormente se asume que la distribucion y los cambios pedologicos que ocurren en Costa Rica se dan sobre una deposicion de cenizas mas o menos uniforme en el terreno y en el tiempo. En Ecuador la clasificacion de los suelos derivados de cenizas volcanicas de la Sierra separa los formados a partir de cenizas recientes de los formados a partir de cenizas antiguas (Zeaser et al. 1988), por lo que la variacion mineralogica de arcillas en el perfil del suelo no se considera como parte de la evolucion de un mismo material para formar diferentes tipos de arcilla en el relieve, sino mas bien como producto de diferentes intensidades de meteorizacion en materiales de diferente edad en el relieve.

En el piso montano bajo (1500-2500 msnm) donde tienden a acumularse cenizas con elevado contenido de limo, los suelos retienen mas humedad y forman complejos organo-minerales estables en un regimen udico-isomesico. Como resultado de la meteorizacion tienden a formarse suelos negros ricos en alofana asociada a pequenas cantidades de imogolita, hisingerita, metahalloysita, vermiculita y vidrio volcanico, asi como minerales arcillosos heredados del material parental como la alfa-cristobalita y las plagioclasas (Holdridge et al. 1971, Besoain 1972, Gonzalez et al. 1972, Colmet-Daage et al. 1973, Andriesse y Muller 1973, Alvarado y Buol 1974, Tan et al. 1975, Alpizar 1977, Cervantes 1977, Lopez 1978, Gomez 1981, Alvarado 1982, Werner 1984, Herrera 1990, Grieve et al. 1990, Motavalli et al. 1995, Soto 1998, Chinchilla 2000). Cuando debajo del horizonte superior se encuentra una ceniza mas vieja y alterada por accion hidrotermal (Besoain 1972) se forman capas de un material grisaceo a ligeramente amarillento rico en gibbsita, como ocurre con la serie Birrisito (Dondoli y Torres 1954). Tambien suelen encontrarse cantidades significativas de gibbsita en los horizontes superficiales (Colmet-Daage et al. 1973) donde se asocian con halloysita, mientras que los contenidos de metahalloysita tienden a aumentar con la profundidad de los suelos y en mayor grado en los suelos a menor altura (Gonzalez et al. 1972).

En el piso premontano (800-1500 msnm), bajo condiciones ustico-isohipertermicas, se forman suelos pardo amarillentos ricos en halloysita y alofana en el horizonte superior y en los que se pueden encontrar metahalloysita, gibbsita, ferrihidrita, goethita y caolinita en su subsuelo. En terrenos ondulados tiende a dominar la caolinita con goethita en todo el perfil y en zonas depresionales la caolinita se asocia con la esmectita, tal como ocurre en el fondo del valle del Guarco, Coris y en La Chichilla, Cartago (Soto 1998, Mata 2010, comunicacion personal).

Entre 200-800 msnm se forman suelos Inceptisoles y Ultisoles pardo rojizos que raramente presentan alofana e hisingerita y en los que tienden a dominar la halloysita, metahalloysita y en menor proporcion caolinita y gibbsita. A menos de 200 m de altura las cenizas andesiticas retrabajadas en regimenes de humedad perudico-acuico tienen dominancia de alofanas, metahalloysitas y la halloysita como sucede en el Caribe Noroeste (Jongmans et al. 1994, Arias et al. 2010b) o alofana asociada a imogolita (Jongman et al. 2000); en el ultimo caso Nieuwenhuyse et al. (2000) mencionan que el grado de meteorizacion de los minerales primarios aumenta en el orden minerales opacos, piroxenos, plagioclasas y vidrio volcanico para formar complejos Al/ Fe-humus en el horizonte superficial, mientras que los materiales no cristalinos se manifiestan mas con la profundidad del suelo. La ocurrencia de gibbsita, caolinita y halloysita asociadas en los horizontes inferiores del perfil en la zona noroeste del Caribe se explica en terminos de paleoclimas mas secos del pasado. Ciertamente si el regimen de humedad del suelo es ustico la mineralogia de la fraccion arcilla puede estar dominada por alofana, halloysita y montmorillonita, como acontece cerca de Paso Canoas, frontera con Panama, o presentarse la montmorillonita como arcilla dominante en Vertisoles formados a partir de depositos laharicos de cenizas volcanicas en la region de Pozos de Santa Ana (Motavalli et al. 1995).

Secuencias a partir de cenizas rioliticas: Las cenizas u otros materiales volcanicos de composicion riolitica (p. ej. tobas) mas relevantes desde el punto de vista edafico ocurren en la provincia de Guanacaste, aunque algunos afloramientos de tobas rioliticas se observan en el Valle Central y otras regiones del pais (Figura 13). Andriese et al. (1976) encontraron que la magnitud de retencion de P en el complejo arcilloso de los Andisoles derivados de este tipo de material (fases discretas de geles de Si y Al) presentan una baja capacidad de retencion de P. En este ambiente Winters (1997) llevo a cabo un estudio sobre genesis y formacion de suelos a partir de este tipo de material donde el el resultado de la meteorizacion del mismo, depende principalmente del grado de consolidacion del material y del tipo y pendiente del relieve; el mismo autor y Mata (1982) mencionan que en algunos casos la adicion reciente de cenizas de composicion andesitica sobre la toba conduce a la formacion de alofana y halloysita, al menos en el horizonte superficial de los suelos de posiciones depresionales.

Aparte del caso antes mencionado Winters (1997) indica que la genesis de los suelos en estos ecosistemas puede llevar a la formacion de montmorillonitas en relieves plano concavos y de halloysitas en los bordes de las partes depresionales. En relieves ligeramente ondulados, la arcilla dominante es la halloysita, aunque en ciertas condiciones puede encontrarse una acumulacion de montmorillonita en el horizonte superior del suelo. En las partes del relieve con mas de un 5% de pendiente, no se forman montmorillonitas y en cambio la arcilla dominante es la halloysita con caolinita en los Inceptisoles y Alfisoles pardorojizos y rojizos mas evolucionados. Otros autores, tambien han encontrado la dominancia de la montmorillonita en las partes depresionales y de halloysita en las pendientes ligeras a su alrededor (USDA-SCS 2012).

Secuencias de mineralogia halloysitacaolinita-gibbsita no derivadas de cenizas volcanicas: Fiskell e Iley (1961) identificaron los minerales de arcilla en 38 suelos de la Meseta Central, de la Zona Atlantica, del Pacifico y de la Zona Sur y encontraron que 29 de los suelos estudiados tenian una mineralogia de corto rango de cristalizacion dominante, a menudo acompanada por halloysita o caolinita. De manera similar, otros autores han encontrado que la abundancia de alofana en 7 Andisoles de Costa Rica esta acompanada de pequenas cantidades de caolinita, gibbsita y goethita (USDA-SCS 2012). Kleber et al. (2007) mencionan el hecho de que no obstante la halloysita y la gibbsita requieren condiciones de formacion muy diferentes, es comun encontrarlas juntas en Oxisoles derivados de materiales andesiticos en regiones perhumedas, como sucede en los suelos del Centro de Investigacion Biologica La Selva.

La secuencia de formacion de halloysita en Humic Haploperox formados sobre materiales andesiticos en regiones perhumedas de Costa Rica (coladas de lava y depositos aluviales de composicion similar en ambientes perhumedos) consiste en (1) la rapida disolucion de plagioclasas y otros minerales primarios y (2) la transformacion pedogenetica de halloysita de 10 [Angstrom] y alofana a halloysita de 7 [Angstrom] e hidroxidos de Al amorfos a los rayos X, cambio que parece relacionarse con la edad de los suelos (Kautz y Ryan 2003). En la misma region Kleber et al. (2007) mencionan que la fraccion arcilla de estos suelos esta dominada por caolinita y halloysita junto con goethita, hematita, maghemita, cuarzo y cristobalita; los contenidos de caolinita son mayores en los horizontes superiores mientras que los de gibbsita se incrementan con la profundidad del suelo, atribuyendo el fenomeno a una re-silicatacion de la gibbsita en superficie por un enriquecimiento con Si producto de una acumulacion del mismo por reciclaje de nutrimentos en condiciones de bosque; sin embargo la re-silicatacion de la gibbsita se considera termodinamicamente imposible pues la gibbsita ya esta cristalinizada y de ella no es posible que se forme un mineral 1:1. Kleber et al. (2007) al estudiar 2 perfiles de suelo clasificados como Allitic y Mixed Humic Haploperoxs con un regimen de humedad perudico en el Centro de Investigacion Biologica La Selva, mencionan la presencia de caolinita, halloy sitas de 1,0 y 0,7 [my]m, goethita, hematita, maghemita, cuarzo y cristobalita, ademas en el perfil mas antiguo se encontro gibbsita pura en fragmentos rocosos muy meteorizados con trazas de halloysita 0,7 [my]m y caolinita.

Bajo regimenes de humedad usticos Winters (1997) sugiere que el alto contenido de Si en el vidrio de la ignimbrita de la formacion Bagaces, Guanacaste, favorece la formacion de arcillas tipo 1:1 como la halloysita y la caolinita y probablemente de algunos minerales no cristalinos. Otros autores (USDA-SCS 2012) encontraron en muestras de 4 perfiles de Mollisoles de la region de Guanacaste abundantes cantidades de halloysita en los horizontes superficiales y menores de cristobalita, goethita y montmoril lonita a mayor profundidad.

Factores que afectan la formacion de arcillas de corto rango de cristalizacion y halloysiticas

Efecto del material parental y del tiempo: La composicion quimica total de las cenizas volcanicas de Costa Rica ha sido estudiada por varios autores (Murata et al. 1966, Chaves 1969, Lewis et al. 2006, Reeves et al. 2007, Pelt et al. 2008, Scheucher et al. 2008, Schembre 2009, Ryan y Huertas 2009, Charpantier et al. 2011), de donde se desprende que el rango de la concentracion de Fe (5,47-14,02%) es significativamente mas amplio que el de los demas elementos analizados. Asimismo, la cantidad promedio de Na (2,67%) es mayor que la de K (1,82%) y el P total (0,16%) es mucho mas elevado que el encontrado en muchos otros tipos de suelo; la alta concentracion de P total en estos suelos se explica con base en su alto contenido de apatita y debida a los fertilizantes (Alvarado y Buol 1985, Ramirez et al. 2008). Al comparar la composicion quimica total de la ceniza reciente con materiales similares ya meteorizados, se nota una perdida absoluta de Si, Ca, Mg, Na y K y a una acumulacion neta de Al, Fe, Ti y P (Bornemisza 1971, Alvarado y Mata 1993).

Efecto del regimen de humedad: La modificacion del sistema de clasificacion de suelos (Soil Survey Staff 1999) permite separar dentro de los Andisoles aquellos suelos que presentan caracteristicas vitricas de los que tienen propiedades andicas. Esta division es importante en el tanto en que Maldonado (1973) en Ecuador, menciona que en regimenes aridicos, usticos y udicos la mineralogia dominante en Andisoles varia de feldespatos a halloysita a arcillas amorfas, secuencia que en Costa Rica puede observarse parcialmente al comparar los Andisoles de Guanacaste, del Valle Central y de la fila Costanera en la frontera con Panama. Forsythe y Vasquez (1973) al estudiar 3 Hydric Hapludands notaron que los 2 desarrollados bajo un clima con verano pronunciado, las series Alajuela Plano y Alajuela Ondulado, tenian metahalloysita como mineral dominante, mientras que la serie Birrisito sin epoca seca bien definida, tenia alofana como mineral dominante.

Efecto de la altitud: La altura no solo modifica los regimenes de temperatura y humedad en el relieve sino que con ellos tambien la pedogenesis de los suelos, es decir la formacion de arcillas minerales y su combinacion con sustancias organicas. Algunos autores han mencionado que la descomposicion de los residuos organicos disminuye con la altura desde los 100 hasta los 2000 msnm, lo que causa un aumento del contenido de materia organica del horizonte A de 18% a 49%, mientras que la relacion Felibre/Fe-total decrece de 0,3 a 0,1 (Grieve et al. 1990). En trabajos de laboratorio y campo Herre et al. (2007) estudiaron los mecanismos de tamponamiento acido y la formacion de minerales secundarios en Andisoles vitricos de las laderas de los volcanes Masaya en Nicaragua y Poas en Costa Rica los cuales expelen cantidades considerables de lluvias acidas. En el caso de Costa Rica encontraron un mecanismo de tamponizacion a corto plazo, que consiste en la disolucion de los cristales de plagioclasas y la protonacion de grupos carboxilicos y otro de largo plazo en el cual se disuelven las plagioclasas pero no llegan a protonarse con la materia organica. Bajo las condiciones perudicas del volcan Poas el Al parece ser susceptible al lavado y la tamponizacion acida resulta en la formacion de silica amorfa. Los autores mencionan que bajo las condiciones perudicas del volcan Poas el aluminio producto de la meteorizacion es susceptible a lavarse y que la tamponizacion acida resulta en la formacion de silica amorfa, lo que es poco probable pues el Al en Andisoles se acompleja con el humus para formar opalo.

Efecto de la cobertura vegetal: En sitios a mas de 2200 msnm, Harris (1971b) describio la presencia de Espodosoles desarrollados sobre cenizas volcanicas en la Cordillera de Talamanca y en un trabajo posterior en la misma region Landaeta et al. (1978) describen otro Espodosol en el cual la arcilla dominante en todo el perfil es la alofana, asociada a cantidades significativas de otros materiales de corto rango de cristalizacion, arcillas 1:1 y trazas de hisingerita. Blaser (1990) menciona que en esta misma region los Placudands dominan bajo vegetacion de bosque de una mezcla de robles mientras que los Hapludands dominan bajo el bosque de roble blanco. La diferencia entre estos 2 tipos de suelos consiste en la presencia de un "horizonte placico", o capa dura, continua y delgada formada por movimiento preferente de Fe quelatado por sustancias organicas producidas por el roble y que llega a impedir el drenaje. La influencia de Quercus costaricensis y Chusquea tormentosa sobre la formacion de los suelos de la cordillera de Talamanca tambien ha sido documentada por Widmer (1999) y recientemente por Chinchilla et al. (2011b). No obstante lo arriba mencionado, debe recordarse que explicar la formacion de horizontes espodicos en suelos derivados de depositos de ceniza volcanica no es facil, en especial donde predomina la alofana que no permite la quimio-iluviacion de Al y donde el Fe es precipitado como ferrihidrita.

La mayoria de los Andisoles de la cordillera de Guanacaste presentan mineralogia de arcillas de corto rango de cristalizacion y segun el grado de desarrollo del perfil trazas de vermiculita interestratificada o caolinita y gibbsita (Centro Cientifico Tropical 1980). Los Andisoles desarrollados sobre ignimbritas son el producto de la meteorizacion de cenizas andesiticas sobrepuestas y presentan una dominancia de materiales amorfos sobre caolinita y esmectitas formadas a partir de la toba (Winters 1997). La formacion de caolinita y esmectitas en el material parental de la caldera del volcan Miravalles se menciona como factible a cierta profundidad y bajo efecto hidrotermal (Rochelle et al. 1989).

Efecto del relieve: Los suelos derivados de cenizas volcanicas mas estudiados de Costa Rica, se encuentran en los macizos Poas-Barva e Irazu-Turrialba. En la primera situacion se menciona con frecuencia las series Arenon Poasito, Alajuela Plano, Alajuela Ondulado y Grecia, las cuales se encuentran en secuencia de la parte mas alta a la parte mas baja del relieve. Similarmente, en los volcanes Irazu-Turrialba se describen las series Irazu, Cervantes, Birrisito y Colorado. En las series de suelos Alajuela Ondulado y Grecia se encontro un alto contenido de alofana pero los rayos X muestran una cantidad moderada de gibbsita y de halloysita en menor cantidad. Del trabajo de Colmet-Daage et al. (1973) se concluye que en las partes altas del relieve dominan materiales amorfos mientras que en las partes medias son mas comunes la halloysita y la gibbsita en una matriz amorfa. El fenomeno de cristalizacion quiza se vea favorecido por la presencia de un regimen de lluvia seco-humedo en la ultima zona.

Gonzalez (1972) determino la composicion mineralogica de una catena de suelos con un primer componente en el volcan Irazu y hasta llegar a la serie Birrisito en su punto mas bajo. En la secuencia se encontro que los siguientes materiales determinan las propiedades de estos suelos: en la parte alta cenizas recientes, en las regiones medias geles discretos con alofana y metahalloysita en la parte distal. En el mismo edificio volcanico Besoain (1972) encontro que en la fraccion de arcilla de las series Irazu, Cervantes y Birrisito dominan la alofana, aunque con abundante presencia de gibbsita en esta ultima. Este comportamiento se explica por la presencia de cenizas uniformes y permeables al agua, creandose un ambiente bastante constante que favorece las reacciones de "andosolizacion" sensu Saenz y Alvarado (1980).

Colmet-Daage et al. (1973) identificaron en los flancos de los volcanes Turrialba e Irazu varios Hydrudands alofanicos y en un perfil de la vertiente norte alofanico observaron la presencia de gibbsita en forma de pequenas concreciones. Los mismos autores encontraron que entre Pacayas y Cervantes ocurre una transicion de suelos que comienza con alofana en las partes altas de la pendiente a otros con halloysita; con un contenido de gibbsita, detectable en una proporcion mayor en la superficie que a mayor profundidad en una matriz alofanica en las partes mas bajas del relieve.

Aunque la informacion sobre Andisoles en terrenos aluviales de la Zona Norte y Atlantica es escasa, Werner (1984) informo sobre alofana en abundancia, acompanada por caolinita y halloysita en un Andisol de Centro de Investigacion Biologica La Selva. En los lahares del flanco atlantico del volcan Turrialba, van Dooremolen et al. (1990) encontraron pocas arcillas cristalinas en una matriz alofanica con complejos Al-humus; los suelos mas desarrollados presentaron un aumento de Al-humus y de halloysita. Arias et al. (2010a) discuten la formacion de arcillas derivadas de cenizas volcanicas en la region noroeste del Caribe donde las arcillas dominantes son metahalloysitas.

Aparte de los suelos descritos en las laderas de los volcanes, varios autores (Jongmans et al. 1995, Nieuwenhuyse et al. 1993, Nieuwenhuyse et al. 1994, Nieuwenhuyse 1996, Stoorvogel y Eppink 1995, Nieuwenhuyse y van Breemen 1997, Arias et al. 2010a) mencionan la presencia de alofanas en suelos ubicados al noroeste de la subcuenca Vueltas-Silencio-Parismina en la region del Caribe, considerandose que estas se forman en otros sitios y se transportan via fluvial hasta las llanuras aluviales. Bajo condiciones perhumedas en la zona Caribe de Costa Rica, Buurman et al. (1997) mencionan que la meteorizacion de las cenizas volcanicas en las laderas no permite la formacion de materiales amorfos en las partes altas debido al exceso de lixiviacion y las texturas arenosas; sin embargo, los materiales amorfos dominan en las laderas medias del piso montano y en la parte distal de las laderas solo llegan a formarse halloysitas y metahalloy sitas. Van Dooremolen et al. (1990) y Nieuwenhuyse y van Breemen (1997) mencionan que en los Andisoles mas recientes desarrollados sobre lahares en las llanuras del Caribe, los suelos se caracterizan por una baja proporcion de arcillas cristalinas y preponderancia de alofana sobre complejos de Al-humus en el horizonte A; los mismos autores consideran que en los suelos de mas de 2000 anos se incrementa el contenido de complejos organominerales en el horizonte A y la formacion de halloysita y gibbsita y oxidos e hidroxidos de Fe y Al a expensas de la alofana en el horizonte B.

Al discutir la mineralogia de los suelos derivados de coladas de lava andesitica del Pleistoceno y de terrazas aluviales en las planicies del Holoceno del Centro de Investigacion Biologica La Selva, Kautz y Ryan (2003) mencionan que ambos suelos estan dominados por halloysita asociada a cantidades pequenas de alofana, producto de la meteorizacion de plagioclasas. Buurman et al. (1997) mencionan que la meteorizacion de las cenizas volcanicas de las llanuras del Caribe se ve fuertemente afectada por la cantidad de precipitacion pluvial de la zona, la frecuencia (edad) con que se depositan las cenizas y la disminucion de la temperatura del suelo con la elevacion, factores que favorecen una mayor meteorizacion en los suelos de las zonas mas bajas. La cantidad y el tamano de los agregados de alofana en la zona (2 a 20 [my]m) aumentan con la profundidad del suelo, excepcion hecha de las discontinuidades litologicas presentes en la mayoria de los perfiles analizados. Al estudiar los cambios quimicos sufridos en una catena de suelos en la falda sur del volcan Turrialba, Meijer y Buurman (2003) encontraron que basados en el patron de lavado de Mg ocurren 3 procesos: (1) perdida rapida por lavado preferencial de cationes en areas cercanas al crater, sin formacion de alofana, (2) formacion subsecuente de alofana a elevaciones entre 660 y 1220 msnm y (3) perdida por lavado a largo plazo de oxidos basicos (pero no de silice) durante el envejecimiento de los sedimentos fluvio-volcanicos en la llanura aluvial a menos de 240 msnm. Sin embargo, Pringle et al. (1986,1990,1993) indican que las aguas sub-superficiales ricas en fosforo y bases disueltas afloran a traves de acuiferos sobre basaltos a lo largo de fallas geologicas o en el piedemonte, donde coinciden la cadena de montanas y la llanura aluvial, de manera que tambien pueden encontrarse algunos suelos de fertilidad media en esta ultima region.

Efectos de la formacion de horizontes:

En los Andisoles de Centroamerica, Martini (1969) menciona que el contenido de alofana es apreciablemente mayor en los horizontes A (2378%) que en los horizontes B (16-26%), fenomeno atribuido a la mayor edad de los horizontes subsuperficiales (Alvarado y Buol 1974) y segun Alvarado y Mata (1993) acompanado por una perdida neta de Si con acumulacion de Fe y Al. Algo similar encontraron Ndayiragije y Delvaux (2003) en el horizonte Bw de un Andisol formado a partir de cenizas andesitico-daciticas en la isla de Guadalupe, Antillas Francesas, en el cual la fraccion arcilla consiste de gibbsita, caolinita y arcillas 2:1 hidroxialuminico-interestratificadas, las 3 primeras ligadas a un lavado intenso de silice.

Andriesse y Muller (1973) analizaron la fraccion de arcilla de 2 perfiles de la serie Birrisito. En uno de ellos el mineral principal es la alofana y solamente el horizonte A12 contiene una cantidad apreciable de gibbsita; en el otro perfil, tanto la alofana como la gibbsita son componentes importantes en todos los horizontes y aumentan con la profundidad, este ultimo aspecto atribuido por Besoain (1985) a un efecto hidrotermal en la region. En los suelos volcanicos de la Zona Sur, Lopez (1978) observo la dominancia de materiales amorfos, especialmente la alofana y sugirio la posible presencia de hisingerita y de pequenas cantidades de un mineral 1:1, posiblemente halloysita o metahalloysita. A mayor elevacion, en la cordillera de Talamanca, Landaeta et al. (1978) encontraron como mineral dominante la alofana con otros materiales amorfos poco comunes; ademas, identificaron hisingerita en la mayoria de los horizontes y dominancia de arcilla 1:1 en el horizonte BC de uno de los perfiles, posiblemente halloysita.

Recibido: 04/06/13

Aceptado: 16/10/13

AGRADECIMIENTOS

A los Drs. Raul Zapata, Juan C. Loaiza, Jose Torrent y Lolita Campos y revisores anonimos por sus comentarios y recomendaciones sobre el presente trabajo. De la misma manera se extiende el agradecimiento a los Ings. Jesus Fernandez, Wellins Durango y Oldemar Vargas por su ayuda en la revision de los borradores del documento y a la Asociacion Costarricense de la Ciencia del Suelo por el financiamiento parcial que permitio la contratacion de D'Angelo Sandoval Chacon, a quien se agradece la colaboracion en el manejo de la base de datos y la confeccion de los mapas.

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Alfredo Alvarado (1)/*, Rafael Mata *, Miguel Chinchilla **

(1) Autor para correspondencia. Correo electronico: alfredo. alvarado@ucr. ac. cr

* Centro de Investigaciones Agronomicas. Universidad de Costa Rica. San Jose, Costa Rica.

** Instituto Costarricense de Electricidad. San Jose, Costa Rica.
Cuadro 1. Analisis mineralogico de muestras del horizonte A en
suelos de la region oriental de la Meseta Central (adaptado de
Dondoli y Torres 1954).

Serie de suelos            Valores parcial y total de los
(consociaciones)              componentes minerales (%)

                       Oxidos    Caolin y Oxidos   Plagioclasas
                        de Fe         de Al

Suelos sobre lavas andesiticas recientes

Cervantes (n = 10)     0,3-1,4       1,2-1,5         0,2-4,1

Suelos sobre formaciones lavicas andesiticas viejas

Paraiso (n = 10)       0,2-0,9       0,2-1,2         0,1-0,7
Birrisito (n = 10)     0,1-1,8       0,1-2,0         0,1-2,8
Ventura (n = 3)        0,7-1,6       0,1-0,3         0,1-0,2
Colorado (n = 6)       0,2-4,5       0,1-0,5         0,1-1,5

Suelos sobre lavina de Cartago y correntada de barro

Chinchilla (n = 3)     0,3-1,8       0,2-2,9         0,2-10,9

Suelos sobre aglomerado derecho rio Reventazon

La Hamaca (n = 4)      0,6-6,1       0,7-5,3         0,9-12,2

Suelos sobre formaciones sedimentarias del Terciario Medio Inferior

Purires (n = 6)        0,1-0,8       0,4-2,3         0,0-0,4
Navarro (n = 3)        0,6-1,5       0,6-6,6         0,8-9,7
Las Vueltas (n = 3)    0,1-0,7       0,2-4,3         0,0-0,1

Suelos sobre aluviones fluvio y depositos fluvio-lacustres

Arenillas (n = 4)      0,1-5,8       5,0-9,3         70-23,0
El Guarco (n = 4)      0,2-6,1       0,4-4,1         2,4-12,2
Tobosi (n = 4)         0,1-3,2       0,4-7,7         0,0-6,7
Ujarras (n = 2)        1,4-1,8       2,5-5,5         2,1-6,9
Reventazon (n = 5)     0,7-2,5       0,9-7,5         1,1-5,0
Juray (n = 4)          0,2-2,1       0,3-4,2         0,2-2,3
El Instituto (n = 3)   0,5-1,4       0,1-3,5         0,1-5,5
La Margot (n = 5)      0,2-2,0       0,0-0,6         0,2-1,5

Serie de suelos        Valores parcial y
(consociaciones)         total de los
                         componentes
                         minerales (%)

                       Piroxenos   Cuarzo

Suelos sobre lavas andesiticas recientes

Cervantes (n = 10)      0,6-6,3

Suelos sobre formaciones lavicas andesiticas viejas

Paraiso (n = 10)        0,1-1,0    0,1-1,0
Birrisito (n = 10)      0,1-2,6
Ventura (n = 3)         0,2-0,3    0,0-0,1
Colorado (n = 6)        0,0-1,2    0,1-0,4

Suelos sobre lavina de Cartago y correntada de barro

Chinchilla (n = 3)      0,1-2,9      0,1

Suelos sobre aglomerado derecho rio Reventazon

La Hamaca (n = 4)      0,2-10,3      0,3

Suelos sobre formaciones sedimentarias del Terciario Medio Inferior

Purires (n = 6)         0,2-0,6    0,0-4,3
Navarro (n = 3)         0,1-1,5    0,1-2,6
Las Vueltas (n = 3)     0,0-0,4    0,1-0,7

Suelos sobre aluviones fluvio y depositos fluvio-lacustres

Arenillas (n = 4)      2,5-17,4
El Guarco (n = 4)      2,3-10,1      0,4
Tobosi (n = 4)          0,0-5,2    0,5-9,0
Ujarras (n = 2)         4,3-4,9    0,4-0,5
Reventazon (n = 5)      1,7-3,9    0,4-1,1
Juray (n = 4)           1,2-3,0    0,1-1,4
El Instituto (n = 3)    0,2-6,9
La Margot (n = 5)       0,5-5,0    0,1-0,2

Cuadro 2. Analisis petrografico y composicion quimica total de
la Serie Saenz en la Estacion Experimental Agricola de la
Universidad de Costa Rica (adaptado de Chirinos 1957).

Minerales/Elementos                  Horizonte (prof. cm)

                             A (0-40)   B (40-100)   C (100-200)

Contenido mineralogico (%)

Feldespato                     15,7        8,4           3,0
Piroxeno y Anfibol             7,8         5,0           2,7
Oxidos                         5,9         5,0           5,4
Piezas caolinizadas            70,5        81,4         89,0

Elementos totales (%)

Al                             19,3        18,9         14,0
Fe                             10,8        10,5          8,6
Mn                             0,2         0,1           0,1
Mg                             0,9         0,5           0,7
Ca                             1,0         0,5           0,6
Na                             0,5         0,1           0,1
K                              0,4         0,1           0,1

Cuadro 3. Valores de retencion de P, pH en NaF y Al activo en
subordenes de Andisoles de Costa Rica (adaptado de Canessa
et al. 1986).

Gran Grupo de suelo   P retenido %    pH NaF     Al activo %

Udivitrands              66-76        8,9-9,9     0,28-1,54
Hapludands               73-91       8,9-11,2     0,69-3,62
Hydrudands               89-95       10,7-11,6    1,50-5,42

Cuadro 4. Valores de los contenidos de Fe y Al
extraidos con oxalato de amonio, el P retenido y
capacidad de intercambio cationico efectiva (CICE)
(estimada mediante Olsen-KCl modificado), criterios
empleados para identificar materiales amorfos
(adaptado de Chinchilla et al. 2011b).

Clase de suelo   [Al.sub.o] +                  P retenido (%)
                 1/2[Fe.sub.o] (%)

                 Val. reales   Val. criticos   Val. reales

Andisol              4,0            >2             93
Ultisol andico       2,0            1-2            84
Ultisol tipico       0,3            <1             71

Clase de suelo   P retenido (%)  CICE cmol(+).[l.sup.-1]

                 Val. criticos      Val. reales

Andisol               >90               3,18
Ultisol andico       75-90              4,09
Ultisol tipico        <70               1,04

Fig. 11. Formacion de arcillas a partir de
cenizas andesiticas en Costa Rica.

             Altura(msnm)   Reg. hum. y temp

Andesitica      >2.500         Perudico,
(alta en                         udico
Fe y Mg)                       Isomesico

             2.500-1.500         Udico
                               Isomesico

              1.500-800          Ustico
                            Isohipertermico

               800-200           Ustico
                            Isohipertermico

                                Perudico
                            Isohipertermico

                 <200            Ustico
                            Isohipertermico

             Prop. Suelo (region)       Arcilla dominante

Andesitica     Arenoso (Caribe          Vidrio volcanico,
(alta en      Oeste, Talamanca)            hisingerita
Fe y Mg)

              Negruzcos, franco         Alofana/gibbsita,
                   limosos                 halloysita,

                                          metahalloysita
             Pardo-amarillentos,             Alofana,
                franco-franco       halloiyita/metahalloysita,
                  arcillosos         gibbsita, ferrihidrita-
                                        goethita-caolinita

                Pardo-rojizos,             Halloysita,
                  arcillosos             metahalloysita,
                                            caolinita

               Arenosos-franco               Alofana,
                   arenosos              metahalloysita,
                (Caribe oeste)              halloysita

                Franco-franco          Alofana, halloysita,
               arcillosos (Paso          montmorillonita
                   Canoas)

Fig. 13. Formacion de arcillas a partir de cenizas
rioliticas en Costa Rica.

                Variaciones     Pendiente   Propiedades del
                 Otologicas                      suelo

Riolitica          Densa          0-1%         Con prop,
(alta en Si)    Consolidada                    verticas
                                  1-5%
                                               Sin prop,
                                   5%          verticas

                                                Colores
                                              homogeneos
                   Densa
               No consolidada                   Colores
                                             contrastantes
                 Con ceniza
                 andesitica                 Asoc. Entisol-
                superpuesta                   Inceptisol

                                              Inceptisol

                                                Andisol

                Variaciones     Arcilla dominante
                 Otologicas

Riolitica          Densa         Montmorillonita
(alta en Si)    Consolidada
                                   Halloisita

                                   Halloisita.
                                    caolinita

                                Montmorillonita.
                   Densa           halloisita
               No consolidada
                                   Halloisita.
                 Con ceniza         caolinita
                 andesitica
                superpuesta        Halloisita.
                                    caolinita

                                    Alofana,
                                   halloisita
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Author:Alvarado, Alfredo; Mata, Rafael; Chinchilla, Miguel
Publication:Agronomia Costarricense
Date:Jan 1, 2014
Words:17187
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