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AGRO 3005 – Curso General de Suelos

Notas de Conferencias3-Agua en el Suelo

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• Agua tiene propiedades únicas que promueven un sinumero de procesos químicos, biológicos y químicos en suelo – planta

• Los átomos de H están enlazados al átomo de O por enlaces covalentes (cada átomo de H comparte su electrón con un electrón del átomo de O)

• Molécula de agua es asimétrica

• Aunque la molécula es eléctricamente neutral hay una distribución desigual de cargas por lo que la molécula de agua tiene polaridad

• Permite que moleculas de agua se unan en cadenas– Moleculas de agua se una a iones y a superficies coloidales– Disolución de las sales– Cationes se hidraten

3-1. Propiedades y Composición del Suelo-Agua3-1.1. Introducción (propiedades del agua)

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Molécula de agua. Se demuestran las posiciones de los protones asociados al oxigeno y al hidrógeno y posiciones temporeras de los 10 electrones. Los electrones están constreñidos a órbitas. Las cargas positivas no están centradas debido a la posición de los 2 protones, lo cual hace la molécula polar

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• Enlaces de H – átomo de H se comparte por otros dos átomos. El átomo al cual el H está unido más fuertemente se le conoce como el donante de H, y el otro es elaceptador (este tiene carga parcial negativa.

–O-H.....N-

• Cohesión – Atracción de moléculas de agua a otras por enlaces de hidrógeno

• Adhesión – Atracción de moléculas de agua a superficies sólidas

• Tensión superficial – fuerza necesaria para separar la superficie líquida (debido a los enlaces de H que atraen la moléculas de agua las unas a otras). Se debe a:

– Atracción de moleculas de agua las unas a otras es mayor que la atraccion de moleculas de agua al aire

– Hay una fuerza neta hacia debajo de las moleculas en la superficie

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Grupos de moléculas de agua, ilustrando el concepto de enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua. Los enlaces de agua son las que le imparten sus propiedades importantes e interesantes.

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Capilaridad

• Función de adhesión y tension superficial

• El agua se puede mover en cualquier dirección

• Movimiento depende principalmente del tamaño de los poros

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• Solutos – cationes hidratados (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+ etc.). Aniones (Cl-,

SO42-, HCO3

-, CO32-, NO3-)

• No es una composición estática si no dinámica. Depende de: fase sólida del suelo (precipitación y disolución), materia orgánica, tipo de vegetación, fuente del agua

• Se disuelven los iones y se mueven a través del suelo

• Lixiviación – movimiento de constituyentes disueltos de un sitio a otro

• Solución del suelo – es el punto central de la fertilidad, ya que es donde las plantas y microorganismos obtienen los nutrimentos

3-1.2. Composición del agua del suelo

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• Métodos de Campo- Lisímetro, copas porosas

• Métodos de laboratorio- Pastas saturada- Extracción con otras soluciones

3-1.3. Formas de extracción y medición de la solución del suelo:

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Se aplica succión al suelo saturado en un embudo Büchner para extraer la solución del suelo y medir los constituyentes solubles

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Un lisímetro de succión es una copa de cerámica que permite aplicar presión o succión y así succionar el agua del suelo

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• Aunque la composición de las plantas es >95% agua, almacenan muy poca agua. El agua que se utiliza se transpira rápidamente. El agua entonces se almacena mayormente en el suelo, por los procesos de adhesión y cohesión.

3-2. Concepto Energético de Suelo – Agua

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• La capacidad de retención de agua en el suelo y de esta moverse depende de– Composición coloidal del suelo – el cual determina la superficie de adhesión,

fuerzas adsorptivas (que se deben a las propiedades del agua (enlace de H y dipolaridad) y del material(es).

• Propiedades de los poros – número y tamaño de los poros.

• El almacenaje de agua del suelo se maximiza si:– El suelo es profundo– Suelo tiene alta capacidad de retener agua– Una proporción del agua puede moverse con facilidad a través de la matriz del

suelo (los poros)

3-2.1. Contenido de humedad del suelo

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• Humedad gravimétrica –

θg = (masa de agua / masa de suelo seco) x 100

• Humedad volumétrica –

θv = (masa de agua / volumen de suelo ) x 100

• Humedad gravimétrica y la humedad volumétrica se relacionan por medio de:

θv = θg x (ρb / ρw)

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Porcentaje de saturación de poros (WFPS)

WFPS = S = Vw / VP

= (Vw/VT) / (Vp/VT) = θv / Φ

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Contenido volumétrico en base a profundidades equivalentes

θv = Vw / VT

= (A*Lw) / (A*LT) = Lw / LT

• El contenido volumetrico del agua del suelo puede considerarse como la fracción de la profundidad, L de un perfil ocupado por agua. = cm agua / cm suelo

• Ej. Un suelo con una humedad volumétrica de 30% en un perfil de suelo de 1m.

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• El movimiento de agua en suelo, planta y aire (así como la difusión de calor y solutos depende de la tendencia a moverse y se relaciona a la energía que posee (también llamado gradiente de potencial)

• Todas las sustancias se mueven de un estado de mayor a menor energía (potencial). Si sabemos entonces el nivel energético podemos predecir el movimiento.

• Fuerzas que afectan el nivel energético del agua son: adhesión (mátrico), atracción por solutos (osmótico), gravitacional (fuerza hacia abajo).

3-2.2. Concepto del potencial hídrico

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Potencial hídrico total

• Medida del nivel energético relativo del agua en el sistema (suelo, planta, aire). Cantidad de trabajo que el agua tiene que realizar para moverse de su estado actual al estado en referencia. El estado en referencia es el estado energético de agua pura a una elevación definida como cero.

• Agua en suelo (cerca de las particulas) está en menos libertad para moverse que agua en un recipiente (agua libre), por lo que tiene menos energía libre (menos habilidad para realizar trabajo) y tiene el signo negativo. El potencial negativo quiere decir que hay que realizar trabajo en el agua para removerlo del suelo y ponerlo en un recipiente “pool”.

• El movimiento de agua del suelo, planta, aire depende de la tendencia a moverse (gradiente de potencial). El agua se mueve de un sitio de mayor a menor potencial i.e. de mayor a menor energía. En el punto de saturación el potencial hídrico del suelo es normalmente cero (ΨΨΨΨT = 0). A medida que el suelo se seca el potencial hídrico disminuye tornándose mas negativo. No podemos medir el potencial hídrico absoluto, pero si podemos medir valores relativos.

• El potencial total hídrico ((ΨΨΨΨT ) de agua en el suelo está dado por:

ΨT = Ψg + Ψp + Ψs + Ψm

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Potencial –

ΨΨΨΨg – gravitacional - Representa los efectos de la posición vertical en la habilidad del agua a realizar trabajo. Mientras mas elevada está el agua en relación a un punto de referencia, mayor es la habilidad para realizar trabajo. Esta no es afectada por las propiedades del suelo y no puede ser medido en el laboratorio. El agua se mueve espontáneamente cuesta abajo, pero necesita energía para moverse cuesta arriba.

ΨΨΨΨp – presión – Importante solamente en zonas saturadas. Presión en oídos en fondo de piscina versus en la superficie. No es importante, porque la presión cerca de la raíz y en la superficie del suelo se aproxima a la atmosférica. Agua bajo presión puede moverse más lejos y más rápido por lo que tienen mayor capacidad para realizar trabajo que agua sin presión.

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ΨΨΨΨs – osmótico - El efecto de sustancias disueltas en la habilidad del agua para realizar trabajo. Agua que contiene solutos tiene menos capacidad para realizar trabajo que agua pura. Valores son negativos. Agua se mueve desde más diluido a mas concentrado. Importante en la utilización de agua por plantas, ya que raíz actúa como una membrana semipermeable.

ΨΨΨΨm - mátrico – Se debe a la fuerza de atracción (capilaridad y adhesión) de agua por los coloides. El agua adsorbida a las superficies de las particulas del suelo o en los poros capilares por enlaces de H, está en menos libertad para moverse que agua en un recipiente. Hay que realizar trabajo para hacerla libre. Potencial mátrico causa que los valores sean negativos. En un suelo saturado el potencial mátrico no es un factor y el valor es 0.

ΨΨΨΨT - potencial hídrico - Es una medida del nivel energético relativo de agua en el suelo, planta y aire. Bajo saturación el potencial se aproxima a cero. A medida que el suelo se seca el potencial disminuye (se torna mas negativo). Es la suma de todos los potenciales.

- Unidades equivalentes de agua:1 bar = 105 Pa = 100 kPa = 0.1 MPa = 0.987 atm = 1022 cm H2O = 75 cm Hg

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¿Cómo afecta las sales el potencial hídrico total?

Suelo con EC = 1.0 dS/m vs. 6 dS/m; Ψs (bar) = -0.36 * EC; Ψm = -2 barΨT = Ψs + Ψm

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• Curva de retención – relaciona el contenido de humedad volumétrico del suelo al potencial hídrico (primordialmente el potencial mátrico).

• Capacidad de campoEl punto donde la mayoría de los poros se han vaciado de la solución del suelo, el flujo de agua disminuye. (-10 a –33 kPa; -0.01 a 0.033 MPa; 0.33 bars)

• Punto de saturaciónAgua se mueve muy rápido por los poros lo que hace que muy poco esté disponible para la planta. Los micro poros están llenos de agua, y los meso poros están parcialmente llenos.

• Punto de marchitezLa mayoría de las plantas no pueden utilizar agua del suelo. Las capas de agua alrededor de las partículas son mucho mas finas y están retenidas con mucho mas fuerza que a capacidad de campo (-1.5 MPa; -1500 kPa; 15 bars).

3-2.3. Curva de retención

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Curvas de retención de agua

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• Suelos retienen agua porque las moléculas de agua se adhieren a minerales del suelo y a materia orgánica, y las moléculas de agua se unen las unas a otras por cohesión. El agua ocupa poros y se pega a la superficie sólida, por lo tanto:

• La capacidad de un suelo para retener agua dependerá de:• Contenido coloidal – cantidad y tipo de arcilla (textura) y humus• Propiedades de los poros – estructura, cantidad y proporción de poros

• Ejemplo: cantidad de agua en suelo arenoso versus en un suelo arcilloso al punto de capacidad de campo –0.33 MPa.

3-3. Almacenaje y Disponibilidad de Agua 3-3.1. Almacenaje

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• El potencial hídrico del suelo disminuye con una disminución en el contenido de agua en suelos y plantas. La planta puede perder hasta un 20% de su contenido de agua antes de que los tejidos se marchiten (~-1.5 a –2.5 MPa)

• El potencial hídrico del suelo aumenta al suelo recibir lluvia o riego, el contenido de agua disminuyen lentamente a medida que el agua drena y se remueve agua por evaporación y transpiración. Usualmente el proceso de secado del suelo ocurre más rápido en la superficie que en las capas inferiores.

• El ciclo de secado en un suelo y planta en tiesto

• Profundidad del suelo

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En plantas el potencial hídrico de la hoja fluctúa como en el suelo, por el proceso de transpiración y suministro de agua

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• Daño por sequía ocurre cuando la diferencia en utilización de agua y perdida de agua (por transpiración) es suficientemente grande para causar desecación de tejido, interferencia con crecimiento y reproducción celular, pérdida de área foliar.

• Plantas tienen algunas adaptaciones para conservar agua; algunas de las cuales son: reducción en crecimiento, girar las hojas, cerrar estomas

• Agua por encima del punto capacidad de campo está muy pobremente disponible para la utilización por la planta, a menos que haya algún impedimento para el movimiento de agua en el perfil.

• Por debajo del punto de marchitez la conductividad de agua es tan baja (poros están vacíos, hay mas fricción contra la superficie coloidal en las capas de agua fina). Así que entre capacidad de campo y el punto de marchitez son los limites altos y bajos, respectivamente para la utilización de agua por parte de la planta.

3-3.2. Disponibilidad

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• La tasa de movimiento de agua depende de diferencias en potencial y facilidad para moverse en el medio

– K = conductividad hidráulica – facilidad para moverse en un medio dado (hay un valor particular para cada suelo y sección del suelo)

• Una conductividad hidráulica baja en las capas superficiales, reduce la capacidad del agua a moverse fuera del perfil (hacia arriba) por evaporación.

• Una vez la capa superficial del suelo se ha secado, la transpiración se convierte en la ruta principal para la pérdida de agua.

• La perdida de agua del suelo cuando hay plantas es mayor porque (transpiración mayor que evaporación) porque el la superficie del suelo está seca y con poca conductividad, mientras que la superficie vegetal es grande, recibe luz para transpirar agua, y recibe agua del suelo para satisfacer la necesidad.

• Problemas de disponibilidad de agua para la planta puede ser transitorio cuando la tasa de suministro por el suelo es menor que la tasa de transpiración.

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Efecto del contenido de humedad y textura sobre la conductividad hidráulica del suelo

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• Agua se mueve en suelo en areas de mayor a menor potencial potencial. La tasa de movimiento depende de gradientes en potencial causado por diferencias en presión, altura, solutos disueltos.

• Agua se mueve en forma de vapor y en forma liquida. En forma de vapor se mueve muy poco porque (1) vapor de agua se mueve muy lento, y (2) los poros de agua están esencialmente a 100% saturación lo que hace que establezca un gradiente muy débil. Este mecanismo será mas importante en transporte de suelo a la atmósfera.

• El agua se mueve a los capilares (poros), porque, la presión es usualmente menor en los tubos, y el agua se mueve de mayor a menor presión. El agua en los capilares se puede mover vertical, horizontal, lateral. Mientras más pequeño el capilar, ejerce mayor fuerza de atracción. Por eso es que el agua en los poros grandes se utiliza más rápidamente que en los poros pequeños. El agua se mueve más rápidamente en los poros grandes que en los pequeños porque hay menos fricción y atracción a las particulas. Por eso mientras mas húmedo el suelo, el agua se puede mover con mayor libertad.

3-4. Infiltración y Movimiento de Agua3-4.1. Movimiento

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Flujo saturado – movimiento de agua cuando los poros están llenos de agua

– Suelos constantemente inundados

– Acuífero

– Suelos saturados durante y después de una lluvia fuerte

• El movimiento es primordialmente por gravedad y presión, ya que Ψm = 0.

• Todos los poros están llenos de agua y el agua se mueve con poco impedimento a través de los poros interconectados.

• El movimiento de agua depende de:- Gradiente del potencial - Conductividad hidráulica – facilidad para moverse en un medio particular

3-4.1.1. Flujo saturado

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Ley de Darcy:Q = A x K x ∂Ψ / ∂x

donde:Q = flujo de cantidad de agua que pasa a través de un área en una unidad de

tiempo.A = Área de la columna por el cual el agua fluye (cm2)K = conductividad hidráulica – facilidad para moverse en un medio dado (hay

un valor particular para cada suelo y sección del suelo) (cm3/cm2/h = cm/h)∂Ψ/∂x = gradiente del potencial hídrico

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Resumen de principios de movimiento de agua

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• Aquí la fuerza de gravedad no importa

• El agua se mueve de un suelo más mojado (donde el agua está en mayor libertad, mas suelta) a un suelo seco donde hay una gran fuerza de atracción (potencial mátrico).

• Los poros mas grandes están ocupados por aire y obstaculizan el movimiento de agua. El agua se mueve en láminas que revisten las partículas y por los poros pequeños e intermedios que se mantienen llenos de agua.

3-4.1.2. Flujo no-saturado

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• Un horizonte de textura fina debajo de uno de textura gruesa retrasa el movimiento saturado de agua, porque los poros pequeños no transmiten el agua tan rápidamente

• Cuando un horizonte de textura fina está encima de uno de textura gruesa, el movimiento de agua también se retrasa porque las fuerzas capilares y superficiales son mayores en la textura fina. Hasta que las fuerzas en la capa gruesa sean mayor que en la capa fina, el agua no se moverá

• El agua se mueve hacia abajo en los capilares pequeños en suelos de textura fina y llega a la capa de arena. La tensión que hay en los capilares gruesos de la capa de arena es muy pequeña como para remover el agua que está siendo atraída por los poros pequeños. Esto hace que el agua se mueva lateralmente. El agua no entra a la capa de arena hasta que el potencial hídrico se aproxima al punto de saturación.

3-4.1.3. Movimiento de agua en suelo estratificado

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• Infiltración - El proceso por el cual agua entra los espacios porosos del suelo y se convierte en agua del suelo.

• Se inicia en la superficie y ocurre por la diferencia entre el alto potencial mátrico del agua libre y el bajo potencial mátrico del agua que está en los poros. La fuerza gravitacional ayuda si la infiltración es hacia abajo.

• Se establece un límite entre el suelo seco y húmedo llamado el frente “wetting front”. Es muy dificil mojar un suelo por infiltración a un contenido de humedad menor del punto de saturación.

• Dependerá de la textura (arcilloso versus arenoso), agregación, contenido de humedad

3-4.2. Infiltración

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Capacidad de Infiltración

• Velocidad o tasa de movimiento de agua en el suelo

I = Q / A * t

Q = volumen de agua que se está infiltrando (m3)

A = Área de la superficie del suelo expuesto a la infiltración (m2)

t = tiempo (segundos u horas)

I = m/s o cm/h

• La capacidad de infiltración no es constante con el tiempo

• Medición de infiltración- “Double ring infiltrometer”

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Ejemplo de infiltración

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Tasa de infiltración en función del tiempo y relación entre escorrentía e infiltración

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Resumen:

• Al ocurrir infiltración, la humedad del suelo está cerca del punto de saturación

• La fuerza que mueve el agua es la atracción de agua a los poros secos y superficies, y la conductividad hidráulica del suelo

• Infiltración se describe en forma de pistón

• La textura, estructura, humedad inicial, influencian la profundidad que el suelo se moja

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• Los aspectos prácticos de riego y drenaje hay que evaluarlos en términos de entradas y salidas (pérdidas) .

• Entradas - Lluvia- Riego

• Salidas (perdidas)- Transpiración- Evaporación- Percolación- Escorrentía

• El suelo almacena el agua temporeramente, para uso por la planta. La capacidad de almacenamiento dependerá de: La profundidad del suelo, estructura, contenido de materia orgánica, distribución radicular del las planta.

3-5. Manejo de Agua3-5.1. Conceptos de Manejo de Agua

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Almacenaje del agua en el suelo. (A) Entradas, almacenaje y pérdidas. (B) El suelo se puede percibir como un tanque que pierde agua. El largo de las flechas indican tasas de pérdidas de agua a diferente contenido de humedad.

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• Suelos sin riego suplementario:

En sistemas agrícolas que dependen del agua de lluvia, aunque el insumo de agua dependerá totalmente del clima, hay varias prácticas que pueden controlar la pérdidas y mejorar el almacenaje:

1. Control de yerbajos2. Selección de cultivos y variedades con tiempos de maduración y patrones de

consumo de agua que se acerquen a expectativas de lluvia.3. Cultivo del suelo.4. “fallow”.

• Suelos con riego suplementarioEl buen manejo del riego dependerá de suficiente humedad del suelo, economía y pérdidas (escorrentía, percolación).

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• Tipos de Riego

1. “Subsurface irrigation”2. Riego por inundación3. Riego por goteo4. Riego aéreo

3-5.2. Métodos de irrigación

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Métodos de riego

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Tipos de Drenaje

3-5.2. Métodos de irrigación

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Utilizando riego por goteo y sistema de bancos con plásticoET1 = [Eto * Kp] * Kc

Donde:ET1 es el estimado de evapotranspiración (mm)Eto es el potencial de evapotranspiración de referencia

= (evaporacion del tanque – precipitacion pluvial)Kp es el coeficiente de precipitacion estimado para la regiónKc es el coeficiente de cultivo que varia para cada cultivo y etapa de crecimiento

(0.52 – 0.82)

3-5.3. Manejo de riego en Puerto Rico

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