agua en el suelo. ics. 2014

El Agua en

el Suelo

Prof. Deyanira Lobo Luján [email protected]

Facultad de Agronomía

Universidad Central de Venezuela

mailto:[email protected]

El agua en el suelo. D. Lobo 2

El agua, que es el componente mayoritario en la planta ( 80-90% del peso fresco en plantas herbáceas y más del 50% de las partes leñosas).

Es importante en las vacuolas de las células vegetales, ejerce presión sobre el protoplasma y pared celular, manteniendo así la turgencia en hojas, raíces y otros órganos de la planta.

Afecta el crecimiento de las plantas, ya que interviene en la fotosíntesis, mantiene el equilibrio térmico, participa en los procesos de respiración y transpiración.

Afecta la actividad de los macro y microorganismos que habitan en el suelo.

Disuelve y transporta nutrimentos y elementos contaminantes.

Hace posible la absorción de nutrimentos por las raíces.

Controla el comportamiento físico del suelo por su influencia sobre la consistencia, plasticidad, resistencia a la penetración, trabajabilidad, capacidad calórica, etc.

Participa en los procesos Pedogenéticos


Estructura molecular

H

O

H

(+) (-)

• La molécula de agua es un dipolo: orienta su lado positivo (+) al (-) del soluto y viceversa

• Tiene una constante dieléctrica

muy alta: reduce la atracción eléctrica de los iones disueltos

• Puede formar ligamentos H con

otras sustancias

105°


Calor específico alto 1 cal g-1 °C-1 (4,18 MJ m-3k-1 o 4,18 MJ g-1k-1)

Punto de Fusión alto: debido a los puentes H entre

las moléculas de agua

Calor latente de vaporización elevado

2,45 MJ kg-1

Densidad baja 1 g cm-3

(t m-3 o Mg m-3) Es mayor en la fase

líquida que en la fase sólida

Es máxima a 4°C


Tensión superficial (): fuerza que se manifiesta en la superficie de los líquidos para hacer el área superficial tan pequeña como sea posible

C am Jx,-2 2010277 2

La Capilaridad es un fenómeno debido a la Tensión Superficial

cohesión entre las moléculas del líquido (agua) adhesión entre ellas a las paredes del sólido.

Depende de:


h agua*r*g

cosh

2

r

,h

150

Ascenso Capilar De acuerdo a la Ley de Jurin: la máxima

altura de ascenso del líquido (agua)

h: altura máxima de ascenso : densidad del líquido : tensión superficial g: aceleración de gravedad r: radio del capilar

Viscosidad Es la fricción molecular interna que opone resistencia al flujo Disminuye con el aumento de la temperatura, debido ala rotura de ligamentos H 0,01 poises (g cm-1s) a 20 °C


resultante de las fuerzas a las que está sometida

tiene influencia sobre…

disponibilidad de agua para las plantas,

movimiento de agua en el suelo

propiedades mecánicas del mismo


Fuerzas derivadas del Campo Gravitacional

g.mF (Fuerzas gravitatorias) “Ley de Newton”

Fuerzas derivadas de la Matriz (Fase sólida del suelo)

Efectos Capilares (fuerzas de cohesión): debidos a los ligamentos H entre el agua y las superficies minerales y orgánicas

Fuerzas de Adhesión: se originan en las superficies

sin carga. Pueden ser de origen molecular: Fuerzas de Van der Waals y puentes de H+

Fuerzas de Difusión: agua asociada a los iones y

superficies cargadas, debido a la naturaleza dipolar del agua. La doble capa difusa.

- - - -

Co

DISTANCIA

Cationes

Aniones

Solución

externa

CO

NC

EN

TR

AC

IÓN

Doble capa difusa+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

++

+

++

+

++

+

++

+

++

+

++

+

++

--

-

--

-

-

-

-


Fuerzas derivadas de los iones en solución

• Hidratación de iones

Fuerzas internas ligadas a:

• Presión de los gases

• Presión hidrostática en suelos saturados

• Geometría de los poros (en suelos de matriz no rígida)

Catión hidratado Anión hidratado


Materia orgánica

H2O

H2O

Materia orgánica

Minerales del suelo

Macroporos

Microporos

Agua

Minerales del suelo


Cantidad de trabajo que debe realizarse para transferir, reversible e isotérmicamente, una cantidad infinitesimal de agua desde el estado de referencia a la fase liquida del suelo en el punto considerado, en comparación con el agua pura y libre.

Unidades para expresar el potencial de agua en el suelo:

Energía/masa J kg-1 (SI) Ergios g-1

Energía/volumen J m-3 = N m m-3 = N m-2 = Pa (Pascal) (SI)

1 MPa = 1000 kPa (SI)

Energía/peso J N-1 = N m N-1 = m (SI)

100 kPa = 1000 cm.

Comúnmente se han utilizado como unidades para expresar tensión (potenciales negativos)

Bar Atm 1 Bar 1 atm = 100 kPa


Julios/kg Bar cbares Atmósfera cm H2O MPa (106 Pa)

1 0,01 1 0,00987 10,17 0,001

100 1 100 0,987 1017 0,1

101,3 1,013 101,3 1 1030 0,101

1000 10 1000 9,87 10170 1

MPa = 1000 kPa

1 Bar ≈ 1 Atm ≈ 100 Julio/kg ≈ 76 cm Hg ≈ 1000 cm H2O ≈ 100 kPa

TABLA DE CONVERSIÓN PARA UNIDADES DE POTENCIAL DE AGUA


,,, No se determina en forma absoluta sino relativa ,,,

Pura: sin solutos ni impurezas: = 0

A presión atmosférica: P0

Condiciones isotérmicas: a la misma temperatura que el agua del

suelo: T0

Nivel de referencia dado y fijo: Z0

Libre: no estar sometida a fuerzas externas distintas de la gravedad.

t = 0 (estado de mayor energía o potencial)

t = -10 kPa > t = - 500 kPa


T = g + o + (pm + p

a + pu)

Gravitacional

Osmótico

Presión

m: mátrico

a: neumático

u: sumersión


g: Potencial Gravitacional

Corresponde al potencial debido a la posición que ocupa el punto a medir en relación al plano de referencia:

g > 0 Z > 0 g = 0 Z = 0 g < 0 Z < 0

Z0•mw

ZX

Z0•mw

Z0•mw

ZX)( 0zzg xwg

18

o

o: Potencial Osmótico

Se refiere al potencial debido a la concentración de sales en la solución del suelo.

o < 0, El nivel de referencia es el agua pura.

•importante cuando existe una barrera de difusión (interfase suelo-raiz de la planta;

interfase suelo agua-aire) •no es importante para

movimiento de agua

Presión

osmótica

Membrana

semipermeable

Agua pura

Solución

salina


p: Potencial de Presión: p = pm + p

a + pu

pm: potencial de presión mátrico

pa: potencial de presión neumático

pu : potencial de presión de sumersión


pm: Potencial de Presión Mátrico:

Es un potencial de presión negativo.

pm = 0 cuando el suelo está saturado.

Varía entre 0 y –2000 kPa (-20 bares).

• Debido a

‒ unión a sólidos del suelo (adsorción)

‒ curvatura interfacial (capilaridad debido a

adhesión & cohesión)

→ determinado por propiedades del

suelo (matriz del suelo): estructura, textura

(contenido de arcilla), mineralogía de arcillas,

M.O.

•Fuerza de la capilaridad

debido a

– cohesion (entre moleculas individuales de agua)

– adhesion (entre particulas de suelo y moleculas de agua)

Determinada principalmente por la estructura del suelo

(distribución de tamaños de poros)

Components of soil-water potential

•Fuerza osmotica

debido a

– Cargas negativas del suelo (arcilla/M.O):

concentración de cationes en la surficie de particulas

Determinada principalmente por la textura del suelo (contenido

de arcilla), mineralogia de arcillas + O.M.

Components of soil-water potential

•Fuerza de adsorción

debido

– Ligamentos H:

delgadas capas de agua (espesor de pocas molecules) se

forman en la superficie de las particles (arcillas/M.O)

Determinada por la textura (contenido de arcilla), mineralogia

de arcillas + M.O


pu : Potencial de Presión de Sumersión:

Es la presión de la columna de agua por encima del punto considerado.

Este potencial solo puede ser positivo (+) ó cero (0).

0

A

zna

zx

p

)( xnawp zzg No saturado

Saturado

Todo los poros

llenos de agua


pa: Potencial de Presión Neumático:

Tiene como referencia la presión atmosférica. Puede ser:

pa > 0: valores de presión superiores a la presión atmosférica.

pa = 0: valores de presión iguales a la presión atmosférica.

pa < 0: valores de presión inferiores a la presión atmosférica.

0PPsoila


El Potencial Total (T) caracteriza el estado del agua en

el suelo.

pa: solo se considera en condiciones de laboratorio.

El pm y el p

u no coexisten:

pu 0 ; pm = 0

pu = 0 ; pm 0

El o tiene poca importancia en suelos con bajo

contenido de sales.


MOVIMIENTO DEL AGUA EN EL SUELO:

h = g + p (J/kg)

pm p

u

o: no influye en el movimiento del agua en el suelo

ABSORCIÓN DE AGUA POR LAS PLANTAS:

h = o + pm

El movimiento del agua desde el suelo a través de la planta y hacia la atmósfera se produce en dirección de los menores potenciales de agua. Desde un alto potencial a un bajo potencial.


Expresado por unidad de peso de suelo: H = Z + M + N+ O H = Potencial Hidráulico (m) Z = Potencial Gravitacional (m) M = Potencial de presión Mátrico (m) N = Potencial de presión de sumersión (m) O = Potencial Osmótico (m)

Cantidad de agua (masa o volumen) que se halla en cada posición de un suelo en un momento determinado:

Contenido gravimétrico de agua

Contenido volumétrico de agua

En condiciones de suelo saturado


MH2O: masa de agua MS: masa de suelo

VH2O: volumen de agua VS: volumen de suelo

Vp: volumen de poros

MS

OMHW 2

VS

OVH 2

aW

EPTVS

Vpsat


METODOS DIRECTOS.

• Método termogravimétrico. (Método directo) contenido de agua en una muestra de suelo, cuando se somete a 105 ºC, hasta peso constante.

MS

M

MSs

MSsMshW

agua

100% WH

Donde:

W: Contenido gravimétrico de agua

Msh: Masa de suelo húmedo

MSs: Masa de suelo seco

%H: Porcentaje de humedad

: Contenido volumétrico de agua

VS

Ma*W

agua


Ventajas:

• Método preciso, sencillo y barato

• Requiere de equipos comunes y poco costosos.

• No necesita calibración.

• No implica riesgos.

• Es el método de referencia para la calibración de otros métodos y

equipos

Desventajas:

• Método destructivo, muestra muy pequeña.

• No se puede repetir la misma observación en el mismo punto

• Requiere mayor cantidad de tiempo


ATENUACION DE NEUTRONES ()

• La sonda es un cilindro metálico sellado de 3 a 4 cm de diámetro

• Contiene: una fuente radiactiva que

emite los neutrones rápidos (alta energía 5 MeV y 1600 km s-1 de velocidad), un detector de neutrones lentos (energía de 0.03 eV y 2.7 km s-1 de velocidad) y un sistema de conteo electrónico

• Las fuentes de neutrones son la mezcla

de un emisor de partículas , como el Americio y el Radio, y un polvo fino de Berilio

• Requiere calibración para cada suelo, determinando en paralelo el conteo que corresponde a la lectura de la atenuación de neutrones y el contenido de agua por el método de referencia

• El detector vuelve una proporción de neutrones lentos, aproximadamente lineal a la concentración de átomos de hidrógeno

• El detector absorbe los neutrones y genera impulsos que registra un contador


Reflectometría de dominios de tiempo (TDR)

El TDR consiste de un equipo capaz de generar una serie de pulsos eléctricos de duración limitada, con un amplio rango de altas frecuencias usadas por diferentes equipos (Ej. 0.02-3GHz), los cuales viajan a través de las varillas conectadas a un cable coaxial y una sonda.

La sonda TDR usualmente consiste de 2 a 3 electrodos metálicos que

se insertan en el suelo y que actúan como guías de la onda. Los electrodos forman una línea de transmisión con una velocidad de propagación que es dependiente de la permitividad dieléctrica del medio alrededor de los electrodos.

El contenido volumétrico del agua en el suelo se obtiene determinando la constante dieléctrica aparente del suelo, Kab, al medir el tiempo requerido por una onda electromagnética para recorrer un par de varillas metálicas (electrodos) introducidas en el suelo

http://www.specmeters.com/Soil_Moisture/Replacement_TDR_Rods.html


Ventajas del TDR • Método no destructivo. • Permite medidas continuas y automatizadas in situ • No requiere calibración específica; solo en algunos casos. • Es muy preciso. • Se puede medir a cualquier profundidad en el perfil y en capas de suelo muy

delgadas ya que permite también la inserción horizontal en el perfil de suelo. • No trabaja con fuente radiactiva. • Es poco influenciado por otras características del suelo como Da, textura,

temperatura, etc. • Equipos relativamente poco costosos Limitaciones: • Aplicabilidad limitada en suelos altamente salinos o en suelos arcillosos muy pesados. • Requiere calibración en algunas condiciones (Ej. suelos orgánicos y volcánicos). • Considera un pequeño volumen de suelo (alrededor del largo de las varillas). • Para cada profundidad de medición se necesita insertar varillas metálicas, ya que por

diferencia se va a obtener la humedad correspondiente a cada capa o espesor de suelo.


: Distancia vertical al nivel de referencia.

: Se puede obtener midiendo: La presión osmótica (π). La concentración de sales (Cs). La conductividad eléctrica (CE).

: Piezómetros. Tensiómetros. Bloques de yeso – sensores de humedad

: Psicrómetros.


PIEZÓMETROS: Consiste de un tubo de unos pocos centímetros de diámetro (2 a 3 cm), abierto por ambos extremos. Se usa para hacer mediciones en suelos saturados.

saturado

no

saturado

NR

pu


Capsula porosa

Medidor (vacuómetro)

Cuerpo (tubo con agua)

Tensiómetro

Consiste de un tubo en cuya parte inferior hay una cápsula porosa, mientras que el superior está conectado e un manómetro. Se utiliza para hacer mediciones en suelos no saturados (desde 0 a -80 kPa).

pm


Métodos de resistencia eléctrica

Bloques de resistencia Consisten de 2 electrodos empotrados en un bloque de yeso. La resistencia entre los dos electrodos varían con el contenido de agua en el bloque de yeso que dependerá directamente del potencial de agua en ele suelo. Cuando el suelo se seca el agua es extraida del bloque de yeso y la resistencia entre los aumentos de los electrodos. Recíprocamente cuando el suelo se humedece, el agua regresa dentro del bloque de yeso y disminuye de resistencia

Fibra de

vidrio

Bloque de yeso

• Sensores de humedad

pm

http://www.specmeters.com/Soil_Moisture/WatchDog_Irrigation_Station_Soil_Moisture_Logger.html


Suelo Bloque

Humedad Humedad

56

83

A

B


La mesa de tensión y las placas de succión permiten hacer mediciones desde 0 a -100 kPa.

:

Permite determinar el contenido de humedad en equilibrio con diferentes valores de potencial mátrico aplicado.


Platos y ollas de presión

El equipo de presión permite un

intervalo de trabajo desde -10 a

-2000 kPa.

Pulido, M y Rondon, T.

Rondon, T.


Permite relacionar el potencial mátrico con el contenido de humedad

pm = f (θ)

pm = f (W)

Esta función depende de:

- Textura del suelo.

- Estabilidad de la estructura.

- Condiciones en la interfase

agua:aire

- Sentido en el que tiene lugar los

cambios de humedad

(Histeresis).

- Velocidad del cambio.


Agua retenida en contra de la fuerza de gravedad cuando drena libremente y la mayoría de los macroporos están llenos de aire. Se puede determinar: En campo: Contenido de humedad a 48 h luego de saturación. En Laboratorio: Contenido de humedad retenido a -33 kPa.

Contenido de humedad por debajo del cual la planta no puede extraer agua y se marchita permanentemente. Se determina: En Laboratorio: Contenido de humedad retenido a -1500 kPa.

Contenido de agua comprendido entre CC y PMP.


%H = 22

Da = 1.30 Mg/m3

%H = 12

Da = 1.60 Mg/m3

%H = 20

Da = 1.20 Mg/m3

W = 0.22; θw = 0.22 x 1.30 = 0.29

Lámina de agua = 0.29 x 12 cm = 3.43 cm

W = 0.12; θw = 0.12 x 1.60 = 0.19


W = 0.20; θw = 0.22 x 1.20 = 0.26


Lámina TOTAL de agua = 3.43 + 2.88 + 7.80= 14.11 cm

12 cm

15 cm

30 cm

12

27

57

suelo L

agua L

http://www.etsmre.upv.es/varios/biologia/images/Figuras_tema12/Figura12_11.jpg


AGUA DE COMBINACIÓN QUÍMICA: Forma parte de compuestos químicos (ej. Fe2O3.2H2O). No es disponible para las plantas y es biológicamente inactiva. AGUA HIGROSCÓPICA: Es el agua contenida en los suelos secos al aire, aquella que está en equilibrio con la humedad del ambiente. Inactiva biológicamente. AGUA CAPILAR: Agua contenida en los microporos del suelo. Disponible para las plantas. Biológicamente activa. AGUA GRAVITACIONAL (NO CAPILAR): Agua contenida en los macroporos del suelo y que drena por la fuerza de gravedad (agua de drenaje). Si su movimiento es lento, puede ser utilizada por las plantas.


- 33 kPa - 1500 kPa

- 3100 kPa

Agua higroscópica Agua capilar

Agua gravitacional

ACTIVIDADES PRÁCTICAS

OBJETIVOS:

Entender el concepto de Potencial del Agua del Suelo.

Analizar las Fuerzas que determinan el Estado

Energético del Agua en el Suelo

Conocer los Métodos para determinar el Contenido de

Agua en el Suelo.

Conocer los Métodos para medir el Potencial de Agua

en el Suelo y sus Componentes

Construir la Curva Característica de Humedad de un

Suelo. Interpretación

Estimar la Capacidad de Retención de Agua

Disponible de un Suelo y los requerimientos de riego.

1. Observar y evaluar el Estado Energético del Agua e el Suelo,

haciendo uso de Tensiómetros y sensores de humedad.

a. Para esta actividad dispondrá de cuatro macetas con suelo:

_____________________, a diferentes contenidos de humedad.

b. Tome las lecturas de los tensiómetros y de los sensores de humedad.

c. Tome muestras para determinar el contenido de humedad.

Tensiómetro

Sensor de humedad

Lectura del Tensiómetro

Lectura del

Sensor de humedad

Contenido de

Humedad (W)

MACETA 1

MACETA 2

MACETA 3

MACETA 4

Resultados

Conclusiones:

4. Calcule la cantidad de agua (en mm de lámina y m3 ha-1) que es

necesario aplicar en el suelo: ___________________________, para

llevarlo hasta Capacidad de Campo, cuando se ha agotado el 40 %

del Agua Aprovechable y se quiere humedecer hasta los 20 cm.

PMP CC

AA

40% de agotamiento

Peso ha.: 10.000 m2 * 0.20m * Da (Mg m-3)= Mg

Volumen ha.: 10.000 m2 * 0.20m = m3

AA: en base a peso ó en base a volumen

40% para humedecer el suelo hasta CC

Calcular:

5. Calcular H, tomando como plano de referencia:

A. La Superficie del Suelo

B. El Fondo del Piezómetro

No Saturado 100 cm

Saturado 40 cm

Piezómetro

Tensiómetro

HA = ?

HB = ?

A

B

Construir la Curva Característica de Humedad (Curva de Retención

de agua) del Suelo: __________________________, con los datos

suministrados por el profesor.

0

10

20

30

40

50

1 10 100 1000 10000

Potencial Mátrico (- kPa)

% d

e H

um

ed

ad

0

10

20

30

40

1 10 100 1000 10000

Potencial mátrico (-kPa)

% H

um

ed

ad

(g

g-1

)

agua en el suelo. ics. 2014

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