1. conceptos básicos.

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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.
da =
Ms
Vt
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.
dr =
Ms
Vs
Se conoce como POROSIDAD (ε) el volumen ocupado por los poros,
expresado normalmente como porcentaje del volumen total de suelo.
Ms
V poros Vt − Vs
d
V
V
V ⋅Ms
ε=
=
= 1− s = 1− s
= 1− t = 1− a
Ms
dr
Vt
Vt
Vt
M s ⋅ Vt
Vs
⎛
ε (% ) = 100 ⋅ ⎜⎜1 −
⎝
da
dr
⎞
⎟⎟
⎠
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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.
θ g (% ) =
Ma
Masa de agua
⋅ 100 =
⋅ 100
Ms
Masa suelo seco
™ Humedad volumétrica (θv)
Es la relación entre el volumen de agua (Va) y el volumen total o aparente del
suelo (Vt) una vez seco.
θ v (% ) =
Volumen de agua
Va
⋅ 100 =
⋅ 100
Volumen total del suelo
Vt
θg y θv están relacionadas de la siguiente manera:
Como d a =
Ms
Vt
Ma
Vt =
Va
θ v (0 )
1
Ms =
da =
θg
Va
θv
=
M a ⋅θ v
θ
⇒ da = v ⇒
Va ⋅ θ g
θg
θv =θg ⋅ da
Ma
θ g (0 )
1
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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Altura de agua = h
Profundidad de suelo = p
La relación entre la altura de agua (h), la profundidad del suelo (p) y la
humedad volumétrica (θv) es la siguiente:
θv =
Va S ⋅ h h
=
=
Vt S ⋅ p p
Luego
h = θv ⋅ p
Si θ v viene dado en tanto por ciento, entonces:
h=
θv ⋅ p
100
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:
¾ 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.
¾ Agua capilar: Se encuentra retenida por los microporos del suelo venciendo
la fuerza de gravedad. Parte de este agua es aprovechable por las plantas.
¾ 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.
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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
ψ =ψm +ψo +ψg +ψp
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
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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:
¾ Suelo saturado: ψm= 0 , ψp> 0
¾ 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.
ψH =ψm +ψg
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.
-ψ m
-ψ m
Suelo arcilloso
Suelo
compacto
Suelo
arenoso
θv
Variación de la relación θv-ψm
con la textura
Suelo con
agregados
θv
Variación de la relación θv-ψm
con la estructura
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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.
-ψ m
Proceso de desecación-humedecimiento
del suelo (HISTÉRESIS).
Desecado
Saturación
Humectación
θv
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:
7 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
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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.
7 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.
7 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.
7 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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7 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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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
Infiltración
θV1
Curvas de velocidad de infiltración para
diferentes contenidos iniciales de humedad
θV2
θV3
t
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
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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.
55%
(variable)
Estados de fijación
Agua adsorbida por las
partículas sólidas
Agua higroscópica
Agua poco móvil,
difícilmente utilizable
30%
15%
Disponibilidad de agua
para las plantas
Agua poco móvil,
utilizable solamente por
contacto de los pelos
absorbentes
Reserva
fácilmente
utilizable
Capacidad en el punto
de marchitamiento
Reserva útil
Capacidad de retención
Capacidad máxima para el agua
Capacidad de retención del agua
Agua
capilar
Agua móvil fuente
esencial de alimentos de
las plantas
Agua muy móvil
raramente utilizada por
las plantas
Agua libre
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