Fase Líquida del Suelo

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Modelo de tres fases del suelo

Estructura y Propiedades del Agua

1) La capacidad del agua para influenciar propiedades del suelo está determinado principalmente por su estructura.

2) Esta estructura hace : el agua sea líquida

3) El agua es molécula simple : dos átomos muy pequeños de hidrógeno y uno grande de oxígeno.

4) Atomos de H+ estan unidos al O-2 en un arreglo angular de 105º . Molécula asimétrica

Molécula de agua

PROPIEDADESPROPIEDADES

• Carácter dipolar– Cohesión

entre moléculas

– Adhesion (Adsorción)entre agua y sólido

En la molécula de agua se muestra:

1. En la molécula de H2O, los electrones se comparten más del tiempo cerca al O= que al H+ . La resultante de esto es que el agua muestra polaridad.

2. Enlaces hidrógeno : un átomo de H+ de una molécula de agua es atraido hacia el O2-

de la molécula vecina, formando enlace de baja energía . (Ver fig.)

3. Hidratación : la polaridad explica por qué moléculas de agua son atraídas a iones cargados y a superficies coloidales……..

Adsorción

cohesión

continuacion …. Cuando hay hidratación, se libera energía y se conoce como calor de solución. 5. Cohesión : la atracción de moléculas de agua unas a otras (ver fig.)6. Adhesión : atracción de moléculas de agua por superficies sólidas (ver fig).Esta atracción controla:a) retención, movimiento y uso del agua b) plasticidad de arcillas. 7. Tensión superficial : se evidencia en interfase aire - líquido y es resultado de la mayor cohesión líquido – líquido que aire-líquido. Explicación : ……………..

Superficie

de la

partícula

de

SUELO

Fuerzas de cohesión y adhesión en el sistema suelo-agua

TENSION SUPERFICIAL

En un recipiente con agua, la molecula del agua desarrolla, con respecto a sus vecinas, una serie de fuerzas de cohesion.Por lo tanto, la molecula de agua es atraida en todas las direcciones con igual fuerza de cohesion. Pero, las moléculas de agua que estan en el la interfase agua-aire son atraidas con mayor fuerza por la fase liquida que por la gaseosa. El desbalance genera que la superficie se comporte como una membrana elasticaPor otro lado: el agua moja la superficie de las particulas a traves de lo que se conoce como angulo de contacto.Si las fuerzas de adhesion entre el sólido y liquido son más grandes que las fuerzas de cohesion que inciden en el liquido, el angulo de contacto tenderá a ser agudo y el liquido mojará al sólido. (ver fig.)

Formación de un menisco en un

tubo capilar.

Cuando un liquido que moja está en contacto con un tubo cilíndrico estrecho (puede ser: capilar o poro del suelo) su superficie libre tiene forma concava y recibe el nombre de menisco y es la que genera una presion negativa (depresion).(ver Figura) . ………

El efecto del angulo de contacto y el desarrollo de la tension superficial del liquido, este compor-tamiento explica por qué el agua puede ser retenida en el suelo a traves del efecto de capilaridad o fuerzas

8. Capilaridad. Por efecto de la capilaridad, el agua asciende por los capilares. La altura de ascensión del agua es inversa- mente proporcional al diámetro del tubo y a la densidad del líquido (ver fig.)

continuación…..

Ascensión capilar :

Retención de agua en el suelo.

1. El agua pura y libre tiene más energía o capacidad de realizar trabajo que agua retenida en el suelo (tiene menos energía libre)

2. En el perfil el agua tiende a moverse: zonas de alta energía (suficiente agua) a zonas de menor energía (poco agua)

3. En el suelo el agua está sometida a una serie de fuerzas que disminuyen su capa -cidad de trabajo. Estas son : a) fuerza mátrica : atracción por sólidos

continuación….

b) osmótica : atracción por iones y otros sólidos del sueloc) gravitacional: tiende atraer el agua hacia abajo (infiltración y percolación).La capacidad del agua para realizar trabajo en el suelo en comparación a la que realizaría el agua pura y libre, define al : Potencial de agua en el suelo. Se expresa: Pt = Pm + Po + Pg ; donde :

Pm = mátrica, Po = osmótico, Pg= gravitacional

La suma de los potenciales repre- senta la fuerza a vencer por las raí- ces para absorber agua. La siguien - te figura represen ta las fuerzas que actúan sobre el agua del suelo creando diferen - tes potenciales.

Relación : raíz y agua.

Para referirse la atracción (tensión) del agua por partículas de suelo y iones , se usan :atmósferas o bars con equivalentes en altura de columna de agua en cm. o el logaritmo de la columna de agua llamado pF. Tabla de equivalentes entre expresiones

del Potencial del agua del suelo. Columna cm

de agua.bars. Atmosferas pF

346 1/3 1/3 2.53

1000 1 1 3

15 849 15 15 4,18

Contenido de agua y potencial del agua en el suelo.

La relación es también llamada curvas ca - racterísticas del agua.

1/3

15

Expresión del contenido de agua en suelo.

Contenido Volumétricio del agua ( Φv) : volumen de agua asociado con un volumen de suelo seco (generalmente 1 m3) Contenido en masa del agua (Φm) : masa de agua asociada con masa de suelo seco (general : 1kg) Formas de medida del contenido de agua: a)Gravimétrico : ejm.

PH2O[(Phº - Ps)/(Ps)] x 100 PV = % PH2O x δa/δH2O

b) Sonda de neutronesc) Métodos electrométricosd) Bloques de yeso

Constantes de humedad en el suelo.

Las constantes, se basan en la habilidad del sistema radical para vencer la tensión de retención del agua: Téngase presente :a) Despues de lluvia o riego : macro y micro poros se llenan de agua. La tensión mátrica es : 0 y es la saturación. b) Finalizada lluvia o riego el agua mueve hacia abajo por efecto del potencial gravitacional : agua gravitacional. Después de +/- 2 días macro poros llenos aire y micro poros llenos de agua.

Estas constantes y tipos de agua son:

Fracción sólida Fracción porosa

.AH

AC

AGAA

SH CH PMP CC S

Constantes de Humedad . Tensión de retención del agua Tipo de agua

Símbolo Descripc. Bar cm de agua Símbolo Descripc.

S Saturación 0 0 AG Gravitac.

CC Capc. Campo 1/3 333 AA Aprovech.

PMP P. marchitez. 15 15 000 AC Capilar

CH Coef. Higrosc. 31 31 000 AH Higroscp

SH Seco a 105ºC 10 000 106

continuación …………….

En esta condición el suelo está en capacidad de campo (CC) y el agua retenida a tensión de 1/3 de atmósfera o Bar. A través de la evapotranspiración, la humedad del suelo disminuye y aumenta la tensión de retención. La planta sufre déficit de humedad, cuando el agua está retenida a 15 atm : Punto de marchitez (PMP) .

Se debe mantener el agua en el suelo a nivel superior del PMP . Las plantas crecen con el óptimo de humedad: cerca de la CC y no se aproxima al PMP. Cuando se deja secar el suelo, el agua está a 31 atm. El suelo está en : Coeficiente Higroscópico.

De lo anterior : existirá una relación entre contenido de humedad y la tensión de reten- ción por las partículas del suelo.

Distribución del agua en el suelo.

Una vez en el suelo, el agua de lluvia o de riego puede seguir distintas vías. Obsérvese la fig.

1) Agua de escorrentía. Circula sobre y a través de los horizontes superiores.

2) Agua gravitacional. Es el agua que se infiltra por efecto de la fuerza de la gravedad.

3) Agua retenida. a) Agua capilar. En los

microporos, y que es utilizable en parte por las plantas.

b) Agua higroscópica : fuertemente retenida.

Medición del Agua del Suelo Medidas del contenido de agua

1) Método gravimétrico; 2) Sonda de neutrones;3) Reflectometría; 4) Método empírico.

Medidas del potencial del agua del suelo

1). Tensiómetros ; 2) Bloques de yeso y senso - res de matriz granular; 3) Olla de Richards, (uti - lizado para construir la curva Tensión-Humedad)

Con estas mediciones se construyen las Curvas de Retención de Humedad y entender las constantes de humedad.

Curvas del contenido de humedad, tensión del agua y composición del suelo.

La investigación ha permitido generar ecuaciones para calcular los coeficientes hídricos : capacidad de campo (cc) , punto de marchitez (pmp) y agua disponible, ejem:

1) Bodman y Mahmud calculó: CC% = 0.023 (% arena) + 0.25 (% limo) + 0.61 (% arcilla) 2) Máximov calculó : pmp % = 0.001(%arena) + 0.12(%limo) + 0.57(%arcilla)

Agua disponible: máxima cantidad de agua que la planta puede disponer para su absorción Es agua retenida entre cc y pmp .

.

RESUMEN:

Umbral de riego.Luego de una lluvia o riego, el cultivo extrae el

agua del suelo con gran facilidad. Llega un momento en que la velocidad de

trans - piración es mayor que la velocidad de absorción y la planta pierde turgencia (comienza a marchitarse). Es el momento de reponer agua.

Determinación de la lámina (cantidad) de riego. Depende :1)demanda evaporativa del cultivo2)de la etapa de desarrollo del cultivo3)de las características del suelo4)óptimo económico.

Lámina o cantidad de agua a reponer o aplicar: Eg. Datos : cc = 18 en peso; pmp = 9 % en peso; δa = 1.5 g/cc; prof. de riego = 30 cm . Cuándo regar si el AD ha bajado 40%

. cálculos objetivos .

cc – pmp = 18 – 9 = 9 % conocer agua

disponible (AD) 9 % x 1.5 = 13.5 %expresión AD en volumen área x prof. = vol / ha vol de una ha = 3000 m3

10 000 m2 x 0.3 m = 3000 m3

13.5 m3 agua en 100 m3 suelo agua a aplicar en 1 ha si se re - x ---------- en 3000 m3 suelo pone todo el AD = 405 m3 40 % de 405 = 162 m3/ha cantidad real a aplicar 162 m3 / 10 000 m2 = 16.2 mm lámina de agua en mm

0,0162 m x 10000 m2 = 162 m3 / ha en prof de 30 cm.

Ejemplo de cálculo de láminas 1:

Un suelo franco limoso contiene 36% de Ao, 12% de Arc. y 52% de L. La δa es de 1,35 g/cc. ¿Qué lámina de agua se debe agregar llevar a cc los primeros 40 cm de profundi -dad, si el umbral de riego se ha fijado en 1/3 del AD ?

CC = 0.023 x 36 + 0.25 x 52 + 0.61 x 12 = 21.15 %PMP = 0.001 x 36 + 0.12 x 52 + 0.57 x 12 = 13.12 %Si el suelo estuviese en su punto de marchitez ( 0 % de AD) la lámina de agua a aplicar o lámina de riego, será :

Lr = [ (cc – pmp ) / 100 ] x δa x prof.Lr = [ (21.15 – 13.12 ) / 100 ] x 1.35 x 0.4 mLr = 43.0 mm = 0.043 m x 10000 m2 = 433.6 m3 / ha

Si el umbral es 1/3 del AD, la lámina de reposición (riego) será 2/3 del AD ; la Lr = 43 x 2/3 = 29 mm ó 290 m3

Pérdida de agua por la planta.

La mayor parte del agua absorbida es perdi da por transpiración en forma de vapor.

En el balance:

a)Pequeña parte absorbida es usada como medio dispersante

b)Porción menor es destruida en la fotosíntesis

c)Porción mucho menor es perdida en los procesos respiratorios.

Transpiración

• Proceso por el cual plantas pierden agua por estomas

• Proceso pasivo, controlado por humedad atmosférica y contenido hídrico del suelo.

• También transporta nutrientes desde suelo a raíces y los conduce a células de planta.

Factores externos que afectan la velocidad de transpiración:

1. Humedad atmosférica : a > humedad atmosférica < transpiración.

2. Humedad del suelo : a > humedad del suelo > abertura estomas > transpiración.

3. Concentración de CO2 atmosférico : a > concentración de CO2 atmosférico < abertura estomática < transpiración.

4. Iluminación: a > iluminación > abertura estomática > transpiración.

continuación……

5. Temperatura : a > temperatura > transpiración

6. Concentración de O2 : a > concentración atmosférica de O2 favorece cierre de estomas

7. Velocidad del viento: no tiene efecto directo sobre apertura estomática, pero si afecta la transpiración

¿ Como las plantas se proveen de agua ?

Del total de agua que llega a la superficie del suelo, sólo una pequeña parte queda cerca al sistema radicular.

El agua llega a las raíces por dos fenómenos :

a) Movimiento capilar : las raíces van tomando el agua y esta se mueve por diferencia de potencial

b) Extensión radicular : elongación de raíces.

Evapotranspiración de los Cultivos. Evapotranspiración o uso consuntivo, representa suma

de transpiración y de la evaporación. En transpiración , agua absorbida por raíces es emitida

por las hojas en forma de vapor y reintegrada a la atm. En evaporación, el agua es evaporada de la superficie

del suelo y del follaje. El uso consuntivo del cultivo se expresa mediante la

tasa de evaporación ETc (mm/dia ó mm/mes). Depende de factores:a) clima (T° y H° del aire, vientos, radiación solar), b) fisiología de la cobertura vegetal, y c) disponibilidad de agua en el suelo

Solución suelo.

Composición de la solución del suelo : muy variable, puede poseer entre 10 y 30 kg K/ha.

Tabla . Concentración de distintos elementos en el suelo.

Elemento (kg/ha) Elemento (kg/ha)Ca2+ 0.5 – 38 N 0.16 – 55Mg2+ 0.7 – 100 P <0.001 – 1K+ 0.2 – 10 S- <0.1 – 150Na+ 0.4 – 150 Cl- 0.2 – 230

Figura . Muestra las distintas fases del intercambio de iones entre las fases sólida y líquida del suelo

Manejo del agua de los suelos

El estudio de infiltración tiene un gran inte- rés agronómico, siendo necesario para:

1) El diseño de proyectos de regadío.

a. Transformaciones en regadío.

b. Selección de equipos de riego.

c. Manejo del agua de riego.

d. Determinación de la pluviometría del riego por aspersión.

Continuación ……….

2) Estudios medioambientales.

a. Degradación de suelos por erosión hídrica.

b. Determinación del caudal de aguas residuales capaz de infiltrar el suelo.

c. Mejora de suelos salininos.

d. Estudio del ciclo hidrológico.

Regímenes de Humedad

Régimen de Humedad

Suelo seco Suelo Húmedo dias/año

Suelo Saturado

Perácuico nunca siempre siempre

Acuíco variable variable alguna parte del año

Perúdico Nunca Siempre muy pocos

Udico 90* Variable muy pocos

Ustico 90* 180* ó 90** nunca

Arídico y Tórrico 1280* 90* nunca

Xérico 45** 45* nunca

Calidad del agua de riego.

Ing. Rubén Bazán T < rbt@lamolina.edu.pe>

Introducción.

La calidad del agua depende de:- Factores físicos- Factores químicos- Factores biológicos.Para riego goteo, son inconvenientes :- Presencia sólidos en suspensión, - Bacterias y algas, y sustancias que precipitan.Uso humano:- Microorganismos, elementos tóxicos, y otros

desechos, hacen su uso no conveniente

continuación……….

Uso agrícola :Para su calidad se han establecido pará- metros que pretenden predecir su efecto en el suelo.

Parámetros de uso frecuente en área agrícola

- Concentración total de sales. TDS. - Conductividad eléctrica. CE- TDS mg/L = 0.64 x CE dS/m

- pH. Y RAS o SAR = Na+ /[(Ca+2 + Mg+2)/2]1/2

- Aniones y cationes

Clasificación de aguas en base: CE

Peligro salinidad Características CE dSm-1

bajo ( C1 ) bajo peligro sales no se < 0.25

espera efectos dañinos

medio ( C2 ) plantas sensibles pueden 0.25-0.75

afectarse

alto ( C3 ) salinidad afectará a 0.75-2.25

muchas plantas

muy alto(C4) no aceptable, sólo las > 2.25

muy tolerantes.

Peligro de sodio (SAR)

• Peligro Na+ SAR Comentario .

Bajo (S1) < 10 sin peligro, se puede usar

Medio (S2) 10-18 puede alterar lapermeabilidad

Alto (S3) 18-26 produce daños alsuelo

Muy alto (S4) > 26 no recomendable, sólo en suelos sin sales y ligeros

Práctica del agua en el suelo.

El potencial hídrico y el movimiento del agua. La figura muestra los tres factores que normalmente determinan el potencial hídrico y son (a) la gravedad, (b) la presión, y (c) la concentración de solutos en una disolución. El agua se mueve desde la región con mayor potencial hídrico a la región con menor potencial hídrico, sea cual sea la causa de esta diferencia de potencial. (Modificada de Curtis, H., and Barnes, N., 1997. “Invitación a la Biología”. 5ª ed..)

Ascensión capilar en relación a la presión de agua. Los espacios porosos conectados del suelo, actúan como tubos capilares. El agua asciende a diferentes alturas en relación a las clases texturales (diferentes diámetros de los poros).

Estados de humedad en el suelo. Esta concepción es importante porque determinan la lámina de agua disponible para los cultivos.

Textura sobre la retención de agua. Tanto la textura como la estructura afectan la retención de agua. A un potencial (tensión) determinados, suelos ligeros retienen menos agua que suelos pesados debido a un mayor volumen total de poros.

Izquierda: distribución de agua en función de distancia del aspersorDerecha: perfil de humedecimiento con superposición de aspersores

En el riego por goteo se forma bulbo húmedo La acción combinada de potencial mátrico (Ψm) y potencial gravita - cional (Ψg) crean la forma característica del bulbo húmedo

En el riego por goteo, el tipo de suelo, y su estratificación afectan la forma del bulbo