1. CONCEPTOS BÁSICOS. - previa.uclm.es · La porosidad varía entre el 25 y el 60%, aunque normalmente oscila entre el 40-50%. En suelos con alto contenido en materia orgánica puede

Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Agrícola de Ciudad Real

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1. CONCEPTOS BÁSICOS.

El suelo proporciona un anclaje mecánico a las plantas y en él se almacenan el agua y el oxígeno que absorben las raíces, además de los elementos necesarios para su nutrición (nutrientes) y una extensa población microbiana y de pequeños invertebrados (insectos, nematodos, etc) cuya actividad afecta a las propiedades físicas y químicas del suelo.

El suelo está constituido por tres fases:

Sólida: Partículas minerales y materia orgánica.

Líquida: Agua con elementos en disolución.

Gaseosa: Aire, fundamentalmente O2 y CO2.

El espacio no ocupado por la fase sólida constituye los poros del suelo, que

contienen la fase líquida y la fase gaseosa. Los poros se clasifican según su tamaño en macroporos y microporos.

DENSIDAD APARENTE (da). Se define como el cociente entre la masa de

suelo seco (Ms) y el volumen total o aparente del suelo (Vt), que incluye tanto la parte sólida como los poros. La densidad aparente varía entre 0,7 g/cm3 en suelos volcánicos, muy porosos y ligeros y 1,8 g/cm3 en suelos arenosos, y para un mismo suelo varía con la compactación.

VtMsda =

DENSIDAD REAL (dr). Es el cociente entre la masa de suelo seco (Ms) y el

volumen ocupado por las partículas sólidas (Vs), es decir, el volumen de suelo descontando los poros. La densidad real de los suelos es casi constante e igual a 2,6 g/cm3 pudiendo disminuir cuando abunda la materia orgánica.

VsMsdr =

Se conoce como POROSIDAD (ε) el volumen ocupado por los poros, expresado normalmente como porcentaje del volumen total de suelo.

r

a

s

s

t

s

ts

ss

t

s

t

st

t

poros

dd

VMVM

VMMV

VV

VVV

VV

−=−=⋅⋅

−=−=−

== 1111ε

( ) ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅=

r

a

dd

1100%ε


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La porosidad varía entre el 25 y el 60%, aunque normalmente oscila entre el 40-50%. En suelos con alto contenido en materia orgánica puede superar el 90%

2. CONTENIDO DE AGUA EN EL SUELO.

El contenido de humedad de un suelo se puede expresar como:

Humedad gravimétrica (θg)

Es la relación entre la masa de agua y la masa de suelo una vez seco.

( ) 100100seco suelo Masa

agua de Masa% ⋅=⋅=MsMa

gθ

Humedad volumétrica (θv)

Es la relación entre el volumen de agua (Va) y el volumen total o aparente del suelo (Vt) una vez seco.

( ) 100100suelodeltalVolumen to

agua deVolumen % ⋅=⋅=VtVa

vθ

θg y θv están relacionadas de la siguiente manera:

Como t

sa V

Md =

( )10v

at

VV

θ= ⇒=⇒

⋅⋅

==g

va

ga

va

v

a

g

a

a dVM

V

M

dθθ

θθ

θ

θ agv d⋅=θθ

( )10g

as

MM

θ=

El contenido de agua se expresa frecuentemente en riegos como altura de lámina de agua, es decir, en volumen por unidad de superficie. Las unidades más frecuentes son el [mm] y el [m3/ha], entre los que existe la relación:

1mm = 10m3/ha


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La relación entre la altura de agua (h), la profundidad del suelo (p) y la

humedad volumétrica (θv) es la siguiente:

ph

pShS

VV

t

av =

⋅⋅

==θ

Luego ph v ⋅= θ

Si vθ viene dado en tanto por ciento, entonces:

De forma muy simplificada, el agua del suelo se puede clasificar en función de la fuerza con que es retenida por las partículas sólidas del suelo en tres tipos:

Agua higroscópica: Fuertemente fijada por las partículas del suelo. No se encuentra disponible para las plantas puesto que las raíces carecen de la fuerza de succión necesaria para extraerla.

Agua capilar: Se encuentra retenida por los microporos del suelo venciendo

la fuerza de gravedad. Parte de este agua es aprovechable por las plantas.

Agua libre o agua de gravedad: Ocupa los macroporos del suelo de forma transitoria, hasta que es arrastrada por la fuerza de la gravedad en suelos correctamente drenados.

3. POTENCIAL DEL AGUA EN EL SUELO (ψ).

Desde el punto de vista de la extracción de agua por las plantas, tanto o más que el contenido de humedad del suelo interesa conocer la energía con que este agua está retenida.

El agua del suelo está sometida a la acción de una serie de factores que tienden a retenerla o a expulsarla. El potencial hídrico (ψ) representa la energía necesaria para separar la unidad de peso, de masa o de volumen de agua de la matriz del suelo.

Altura de agua = h

100ph v ⋅=

θ

Profundidad de suelo = p


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Hay que tener en cuenta que:

• Lo que importa son las variaciones de potencial y no los valores absolutos.

• El agua se mueve de mayor a menor potencial.

• El potencial se puede medir como trabajo dividido por masa (normalmente ergio/gramo) o como trabajo dividido por volumen, es decir, como una presión*.

La equivalencia entre el potencial y la presión permite una más fácil comprensión de la situación del agua en el suelo. El agua está sometida a una presión que tiene varios componentes, unos que tienden a expulsar el agua del suelo (presión positiva) y otros que tienden a retenerla (presión negativa). La suma algebraica de estos componentes es el potencial total, y el agua del suelo tenderá a desplazarse desde los puntos de mayor potencial a los de menor potencial.

4. COMPONENTES DEL POTENCIAL HÍDRICO DEL SUELO

Los componentes del potencial hídrico son los siguientes:

ψm = Potencial mátrico

ψo = Potencial osmótico

ψg =Potencial gravitacional

ψp = Potencial de presión

El potencial mátrico (ψm) sólo se presenta en suelos subsaturados, siendo nulo en suelos saturados, y se debe a los mecanismos de retención del agua en el suelo (fuerzas capilares de atracción entre moléculas de agua y de suelo, es decir, fuerzas de adhesión y cohesión). Su valor siempre es negativo, ya que la presión que origina se opone a la expulsión de agua del suelo. Cuanto más seco está un terreno, mas bajo es el potencial mátrico y mayor será la presión necesaria para extraer agua. El potencial osmótico (ψo) se debe a las diferencias de concentración a ambos lados de una membrana semipermeable (membranas celulares de las raíces), produciéndose un flujo de agua hacia la solución más concentrada (xilema). Este potencial es siempre negativo. El potencial gravitacional (ψg) se debe a la altura geométrica del punto considerado respecto al plano de referencia, coincidiendo su valor con esta distancia.

*1 bar= 105 Pa = 105 N/m2 =1 atm ≅ 10 m.c.a 1 bar= 100 Julios/Kg (Julio=N·m) 1 cbar= 10 cm.c.a

pgom ψψψψψ +++=


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El potencial de presión (ψp) sólo aparece en suelos saturados y se debe a la presión ejercida por el agua que satura el suelo sobre el punto considerado. Su valor es siempre positivo, valiendo ψp= 0 en suelos subsaturados.

Entonces, ψm y ψp son excluyentes:

Suelo saturado: ψm= 0 , ψp> 0

Suelo subsaturado: ψm< 0 , ψp= 0

Se entiende por POTENCIAL HIDRÁULICO (ψH) a la suma de los potenciales mátrico y gravitacional, y el agua se mueve en el suelo en el sentido de los potenciales hidráulicos decrecientes.

5. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE HUMEDAD.

(CURVAS DE RETENCIÓN DE HUMEDAD)

Para un mismo contenido de humedad, los distintos suelos retienen el agua con distinta energía, es decir, la relación humedad-potencial mátrico (θv-ψm) varía para cada tipo de suelo.

La representación gráfica de esta relación se conoce como curva característica de humedad o curva de retención de humedad.

Variación de la relación θv-ψm Variación de la relación θv-ψm con la textura con la estructura

gmH ψψψ +=

-ψm -ψm

θv θv

Suelo arcilloso

Suelo arenoso

Suelo con agregados

Suelo compacto


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Humectación

-ψm

La textura influye de forma muy importante en la capacidad de retención de agua en los suelos. Para un mismo peso de suelo, las arcillas presentan una superficie mucho mayor que las demás partículas minerales (1000 cm2/g la arena gruesa frente a 800 m2/g la arcilla), y además presentan cargas negativas que se unen al polo positivo de las moléculas de agua estableciendo puentes de hidrógeno. En el suelo arcilloso, la variación del potencial mátrico es paulatina, mientras que en el arenoso, cuando la humedad baja de un cierto valor, se produce un cambio brusco que corresponde al paso de macroporos a microporos.

Los suelos con buena estructura tienen una mayor porosidad y por tanto a

saturación (ψm= 0), contienen más agua. Cuando el potencial mátrico se aproxima a cero (ψm= 0), el efecto de la

estructura domina sobre el de textura, y lo contrario ocurre para valores altos de ψm. HISTÉRESIS

Para un mismo valor de ψm, la humedad del suelo es mayor durante el proceso de desecación que durante la humectación, es decir, que para un mismo valor de ψm existen dos contenidos de humedad, siendo mayor en el proceso de desecación que durante la humectación. Este fenómeno se denomina histéresis.

Proceso de desecación-humedecimiento del suelo (HISTÉRESIS).

Dado que nos interesa el comportamiento del conjunto suelo-agua frente a la

absorción hídrica del sistema radicular, el valor que interesa es el correspondiente al desecado. 6. MEDIDA DEL CONTENIDO DE AGUA EN EL SUELO

a) Métodos directos: Se toma una muestra, se pesa, se deseca en estufa a 105ºC hasta peso constante (≅ 24 horas) y se vuelve a pesar. La diferencia de peso es debida al agua que tenía inicialmente y ha perdido. No es un método de campo.

b) Métodos indirectos:

Tensiométricos: Miden el potencial hidráulico, es decir, ψH= ψm+ψg. Un tensiómetro se compone de una cápsula de cerámica porosa llena de

agua, que se entierra en el suelo a la profundidad de medición deseada, y que está

Saturación

Desecado

θv


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conectada mediante un tubo que se llena de agua a un manómetro o un indicador de vacío (vacuómetro). El suelo ejerce una tensión (tensión matricial, ψm) sobre el agua de la columna, que desciende, pasando al suelo y provocando por tanto una presión negativa, que es registrada por el vacuómetro. Por tanto, puesto que los tensiómetros miden la succión o fuerza que ejerce el suelo sobre el agua, dan directamente el valor del esfuerzo que deben realizar las raíces para extraer el agua.

El tensiómetro se entierra en el suelo, y es necesario llenarlo de agua

eliminando cualquier burbuja de aire, antes de cerrarlo herméticamente. En estas condiciones, el agua que llena la sonda está a la presión atmosférica y el vacuómetro marca cero.

A medida que el suelo pierde agua la succión aumenta, es decir, el suelo ejerce más fuerza para retener el agua. Por lo tanto, observando cómo varía el valor de la succión podemos saber la evolución del agua en el suelo. Normalmente se instalan dos tensiómetros a distintas profundidades, midiendo de esta forma gradientes hidráulicos y por tanto conociendo la dirección de los flujos de agua en el suelo.

Como la cápsula cerámica es permeable al agua y a las sales disueltas, el agua del interior de la sonda acaba adquiriendo la misma concentración salina de la solución del suelo. Por esta razón no sirve para medir el potencial osmótico, a menos que vaya equipada con algún tipo de sensor salino auxiliar.

Las medidas de presión hidrostáticas están limitadas a potenciales matriciales inferiores a 1 atm. Para tensiones superiores, puede penetrar aire en el interior de la sonda a través de la cápsula porosa y se rompería la continuidad de la columna líquida.

Bloques de yeso (Watermark): Miden ψm+ψo


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Son más adecuados para suelos secos que para húmedos. Consisten en pequeños bloques de yeso dotados de un electrodo. Los bloques se entierran en el suelo y adquieren una humedad que depende de la del terreno y que se puede medir en función de la resistencia al paso de la corriente, ya que los suelos húmedos conducen la electricidad mejor que los secos.

Es preciso calibrar el aparato con el valor 100 para el estado de capacidad de

campo y el 0 para el punto de marchitamiento permanente, con lo que miden el porcentaje de agua útil del suelo.

Sonda de neutrones: Determina θv.

Componentes: Tubo de acceso de aluminio permeable a los neutrones, que

se entierra en el suelo, fuente radiactiva y detector de neutrones lentos.

La fuente radiactiva se introduce en el suelo a través del tubo de aluminio a la profundidad deseada y emite neutrones, que se reflejan más o menos dependiendo del contenido de agua del suelo. Los neutrones que chocan con núcleos de hidrógeno del agua pierden energía y se transforman en neutrones lentos. El detector cuenta estos neutrones reflejados y transforma la señal en contenido de agua.

TDR (Time Domain Reflectometry): Determina θv.

La técnica de la reflectometría en el tiempo es un método que mide la constante dieléctrica del suelo por medio del tiempo de recorrido de un pulso electromagnético que se introduce en el suelo a través de dos varillas de acero inoxidable. El tiempo de recorrido es proporcional a la constante dieléctrica del suelo y únicamente varía con el contenido de agua en el mismo. Es un sistema preciso y de fácil manejo cuyo principal problema es su alto coste.


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EnviroScan: Determina θv.

El EnviroScan utiliza la capacitancia para medir la humedad del suelo. Alrededor de cada sensor se crea un campo eléctrico de alta frecuencia, y la frecuencia medida es función del contenido de agua del suelo. Un equipo está compuesto por varias sondas conectadas por cable a un lector de datos (datalogger) donde se almacenan las lecturas. Cada sonda está compuesta de varios sensores colocados a distintas profundidades dentro de un tubo de PVC.

El EnviroScan proporciona un gráfico continuo del movimiento del agua en la zona radicular, así como el uso del agua por el cultivo. En este gráfico se registra la evolución del contenido del agua en el suelo entre dos límites, permitiendo tomar la decisión de cuándo y cuánto regar. El límite superior se fija cuando el sensor más profundo, colocado debajo de la zona radicular, registra un aumento de humedad, lo cual indica que existe drenaje. El límite inferior se fija cuando los sensores instalados en la zona radicular indican una disminución en la tasa de absorción de agua, momento a partir del cual el cultivo puede sufrir estrés. La cantidad de agua de riego a aplicar queda definida por estos dos límites, y el momento del riego, cuando el contenido de agua en el suelo es menor que el límite inferior.


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θV3

Infiltración

t

El principal inconveniente de este sistema es su alto coste.

7. INFILTRACIÓN

Es el paso del agua a través de la superficie del suelo. La velocidad de infiltración (mm/hora, cm/min) limita el ritmo de aplicación de agua al terreno para que no haya escorrentía y depende, entre otros factores, del tiempo de infiltración y del contenido de humedad inicial del suelo.

Infiltración θv1 < θv2 < θv3

Curvas de velocidad de infiltración para diferentes contenidos iniciales de humedad

8. ESTADOS DE HUMEDAD DEL SUELO

Los poros del suelo pueden estar ocupados por aire y por agua en distintas proporciones según el estado de humedad del suelo.

Cuando todos los poros están ocupados por agua se dice que el suelo está

saturado. Entonces, el potencial mátrico es cero (ψm= 0).

Si el suelo drena, el contenido de agua desciende, eliminando primero el agua libre o gravitacional que ocupa los macroporos, hasta que llega un momento en que el suelo no pierde mas agua (2 ó 3 días).

El contenido de humedad del suelo cuando ha drenado el agua de gravedad se conoce como capacidad de campo o capacidad de retención, que se define como “el contenido de humedad del suelo cuando la redistribución del agua se hace lenta”. En este estado, los macroporos están ocupados en gran parte por aire y los microporos agua. Es una situación muy favorable para las plantas, ya que es fácil la absorción radicular (se precisa poca energía).

0,1 bar suelos ligeros ψm en c.c. (orientativo) 0,3 bar suelos pesados

El contenido de humedad del suelo a partir del cual se produce la marchitez

irreversible de la planta se conoce como punto de marchitamiento. Se define como el contenido de humedad del suelo cuando ψm≤ -15 bar, aunque

θV1

θV2


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esto no es rigurosamente cierto, ya que algunas plantas marchitan antes y otras agotan el suelo a valores inferiores de potencial.

Por lo tanto, la RESERVA ÚTIL o INTERVALO DE HUMEDAD DISPONIBLE,

es decir, el agua disponible para las plantas, será la comprendida entre la capacidad de campo y el punto de marchitamiento.

Las plantas cada vez tienen más dificultad para extraer agua conforme la

reserva útil se aproxima al punto de marchitamiento, por lo que desde el punto de vista del manejo de agua mediante el riego, únicamente se deberá dejar agotar una parte de la reserva útil (normalmente entre el 30% y el 65%) antes de volver a regar. La porción que podemos agotar se conoce como DÉFICIT PERMISIBLE DE MANEJO (DPM), y el contenido de agua del suelo cuando se alcanza el DPM se conoce como NIVEL DE AGOTAMIENTO PERMISIBLE (NAP).

La floración y fecundación suelen ser períodos críticos en que el DPM será menor que en los períodos no críticos, como la implantación del cultivo y la maduración, donde puede agotarse más el agua sin que repercuta negativamente en la producción final. El cultivo de que se trate y su estado fenológico son importantes factores a tener en cuenta a la hora de considerar el DPM y el NAP.


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Estados de agua en el suelo.

Capacidad de retención del aguaDisponibilidad de agua

para las plantas Estados de fijación

Agua adsorbida por las partículas sólidas Agua higroscópica

Cap

acid

ad e

n el

pun

to

de m

arch

itam

ient

o

55%

Agua poco móvil, utilizable solamente por

contacto de los pelos absorbentes

15%

(v

aria

ble)

Agua poco móvil, difícilmente utilizable

Cap

acid

ad d

e re

tenc

ión

Res

erva

útil

Res

erva

fá

cilm

ente

ut

iliza

ble

30%

Agua móvil fuente esencial de alimentos de

las plantas

Agua capilar

Cap

acid

ad m

áxim

a pa

ra e

l agu

a

Agua muy móvil raramente utilizada por

las plantas Agua libre

1. CONCEPTOS BÁSICOS. - previa.uclm.es · La porosidad varía entre el 25 y el 60%, aunque normalmente oscila entre el 40-50%. En suelos con alto contenido en materia orgánica puede

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