uso del permeámetro Guelph

Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo.
VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003
Permeabilidad saturada en Vertisoles. Uso del
Permeámetro Guelph.
Jorge Alberto Cerana , Pablo Gustavo Fontanini , Oscar Duarte, Silvia Rivarola,
Eduardo Díaz , Rene Benavidez
Facultad de Ciencias Agropecuarias - Universidad Nacional de Entre Ríos, Argentina
[email protected]
INTRODUCCIÓN
La determinación de los parámetros hidráulicos en suelos de texturas arcillosas exige la
selección de técnicas especiales que se adecuen a esas condiciones. Las dificultades son
mayores en suelos Vertisoles, expansivos y que se agrieten al secarse. (Bouma y Loveday,
1988). Las técnicas de medición y monitoreo empleadas en suelos arenosos o francos pueden
producir resultados erróneos en suelos arcillosos y son inútiles en suelos expansivos. (Bagarello
1993.). El Permeámetro de Guelph (Reynolds y Elrick 1985a) permite efectuar determinaciones
en condiciones de campo, en la zona no saturada del suelo. Este método se sustenta en los
análisis efectuados por Richards, que ha encontrado una solución efectiva de cálculo de la
Conductividad Hidráulica Saturada (Kfs), considerando el flujo tridimensional del agua en el suelo,
a partir de un hoyo en donde se mantiene una Carga Hidráulica (H) constante.
Las primeras experiencias con el Permeámetro de Guelph en Argentina fueron las realizadas por
Benavídez y Bricchi (1995), que trabajaron en suelos franco arenosos de Río Cuarto, Córdoba,
habiendo encontrado ventajas sobre otros métodos.
El objetivo del presente trabajo es la determinación de Kfs en suelos expansivos dedicados a la
producción de arroz en condiciones de alta humedad, utilizando el permeámetro de Guelph.
MATERIALES Y MÉTODOS
La Kfs se determinó en 3 localidades de la Provincia de Entre Ríos: San Salvador (Peludert
argiacuólico) y Jubileo, (Peludert argiacuólico), Villa Mantero, (Peludert argiudólico (Entre Ríos) y
en una localidad de la Provincia de Corrientes, Monte Caseros (Peludert típico), (Figura 1),
durante los años 2000 y 2001. Las determinaciones fueron realizadas a una profundidad entre los
25-30 cm. y se totalizaron 27 ensayos. Para todas las mediciones se calculó el porcentaje de
humedad edáfica por secado en estufa y las texturas a la profundidad donde se efectuaron las
medidas. (Cuadro 1).
Cuadro 1. Clasificación y Textura de los suelos bajo estudio
Provincia y
localidad
Subgrupos de
suelos
Textura profundidad
5-30 cm
arcilla
limo
arena
Entre Ríos
Argiudolic Peludert
37,00
(%)
48,20
14,80
Entre Ríos
Argiacuolic Peludert
32,90
62,80
4,40
Corrientes
Typic Peludert
38,90
58,00
3,20
La medición de la Kfs se realizó por medio del permeámetro de Guelph, SOILMOISTURE
2800K1, instrumento que permite mantener una H constante, en un hoyo previamente barrenado.
Mientras el agua fluye a través del suelo, la columna de agua en los reservorios del permeámetro
desciende, manteniendo estable la altura de H. Esta velocidad de descenso es registrada por
medio de una escala graduada a 0,1 cm, en intervalos constantes de tiempo, permitiendo
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lecturas correctas aún a muy bajos caudales. Cuando las velocidades de descenso se estabilizan
obteniendo 3 ó 4 valores iguales o con diferencias menores al 5% se termina la medición. Con el
valor de velocidad de descenso estable obtenido se procede al cálculo de la Kfs,
Figura 1. Ubicación de las localidades
Las recomendaciones seguidas para su utilización en suelos Vertisoles, ajustadas por Cerana et
al. (2002), fueron:
a. Uso del barreno
El barreno incorporado en la caja de herramientas del Permeámetro de Guelph, no es
recomendable para realizar el orificio en condiciones de plasticidad, debido a la gran
compactación y sellado que produce en los suelos Vertisoles, Si bien todos los barrenos alteran
el estado estructural de las paredes el barreno de hoja cortante, resulta más conveniente,
debiendo considerarse las medidas del hoyo logrado. El cepillo descompactador que trae el
permeámetro, no produce mejoras en estas condiciones de trabajo; por el contrario cuando el
suelo se encuentra muy húmedo el enlodamiento y sellado de poros se ve aumentado con su
uso.
b. Utilización de arena en el orificio barrenado
El sellado de las ranuras de salida de agua del permeámetro, ocasiona subestimaciones en los
valores obtenidos de Kfs, y la inoperatividad del equipo. Lilly (1994) recomienda el uso de arena
dentro del hoyo para evitar el sellado de las ranuras por el barro, facilitando el correcto
funcionamiento del permeámetro en suelos de texturas finas.
c. Resultados negativos y solución de Elrick
La heterogeneidad que presentan los Vertisoles, junto con los cambios volumétricos sufridos por
la humectación a través del tiempo; causaron que en todas las mediciones realizadas donde el
sistema de dos cargas hidráulicas (procedimiento recomendado por el manual de instrucciones)
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VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003
arrojaran resultados negativos. Los resultados negativos de valores de Kfs indicarían una
distribución irregular de poros, la presencia de un pie de arado o la presencia de horizontes de
pequeño espesor. Lilly (1994). Para evitar la obtención de resultados negativos, se optó por la
metodología recomendada por Elrick et al. (1989), a través de la única ecuación, con los valores
obtenidos por medio de una sola carga hidráulica. El uso de esta ecuación requiere la estimación
del factor a. El mismo surge de considerar las características del sitio de ensayo tales como tipo
suelo, textura y estructura, lo que permite una correcta elección del valor de a, según cuadro 2
Cuadro 2. Valores de a recomendados por Reynolds para suelos según estructura y porosidad
Valor a
0.01
0.04.
0.12
0.36
Características del suelo
Para suelos compactados, no estructurados o depósitos arcillosos lacustres o
marinos.
Para suelos de texturas finas, arcillas no estructuradas
Para suelos estructurados, arcillosos a franco, arenas finas no estructuradas
Para suelos de texturas gruesas, arenosos o gravillosos, suelos muy estructurados.
La ecuación de Elrick et al (1989), considera para determinación del Kfs la carga hidráulica
aplicada, la capilaridad y el potencial gravitacional.
2
2
-1 -1
Kfs = C . Q ( 2 . p . H + p . a . C + 2 . p . H . a )
(1)
Donde:
Kf s : es la conductividad hidráulica saturada a campo.
C: es un factor de la forma del bulbo de mojado adimensional.
Q es el caudal de agua medido.
H: es la carga hidráulica colocada dentro del orificio.
α : parámetro que relaciona la textura y la estructura del suelo
a: es el radio del orificio.
En la ecuación (1), los tres términos del denominador representan, respectivamente la
contribución de la presión hidráulica, la gravedad y la capilaridad para el total del flujo externo del
-1
orificio. De las observaciones efectuadas en el terreno, se seleccionó un valor α de 4 m para los
suelos de texturas finas.
d. Elección de la Carga Hidráulica y condición de humedad.
La capacidad de expandirse y contraerse de los Vertisoles, según sea su contenido hídrico,
produce grandes variaciones estacionales en los valores de Kfs. En períodos de bajas
precipitaciones las arcillas expansivas se contraen, formando un complejo sistema de grietas y
macroporos. Al inicio del riego o de las precipitaciones, los valores de Kfs se asemejan a los
medidos en suelos arenosos. Por la misma capacidad de expansión y contracción que presentan
estos suelos, al secarse forman grietas, particularmente en el subsuelo que están asociadas al
flujo "by pass", que consiste en un rápido movimiento vertical del agua gravitacional atravesando
horizontes secos o insaturados. (Bouma y Loveday, 1988) (McIntyre et al, 1982). Para
comprender el movimiento del agua en suelos agrietables, (Talsma and Van der Lelie, 1976)
(Figura 2) considera un modelo de infiltración donde las grietas del suelo irán cerrándose por el
hinchamiento durante el humedecimiento.
Por otra parte al encontrarse muy húmedos, el Kfs es cercano a cero. Las mediciones realizadas,
correspondieron a un período de altas precipitaciones y de balance hídrico positivo, en estas
condiciones el suelo se mantuvo con alto contenido de humedad en el perfil, disminuyendo la
macroporosidad y aumentando la microporosidad por efecto del hinchamiento. El empleo de H de
5 ó 10 cm, recomendadas por el manual, no alcanzaba a generar una presión suficiente para
-1
lograr el flujo del agua en el suelo, obteniendo valores de 0 mm h de Kfs. Al aumentar H a
valores de 20 cm, no se encontraron valores nulos de Kfs, En todos los casos se considera que
los valores de Kfs están siendo subestimados debido al efecto de enlodamiento de las paredes
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del orificio producido por el barreno. Como el estudio plantea reproducir aproximadamente las
condiciones de permeabilidad durante el cultivo de arroz, la utilización de 20 cm de carga
hidráulica podría simular mejor esta condición.
Figura 2. Modelo de humedecimiento de Talsma y Van der Lelie, 1976
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En el cuadro 3 se presenta la el resumen de las determinaciones realizadas. Las filas están
ordenadas de acuerdo a los valores crecientes de Kfs medios, junto con los valores máximos y
mínimos obtenidos para cada localidad
-1
-1
Los valores de Kfs mínimo fueron de 0.067 mm h y los máximos de 0.395 mm h ; estos bajos
valores de Kfs encontrados reflejan las restricciones al flujo del agua en estas condiciones
hinchamiento. Es observable importante la disminución de los valores Kfs, debido al aumento del
porcentaje de arcilla y la disminución del porcentaje de arena. Lilly (1994) realizó
determinaciones en suelos de Escocia con texturas desde franco arcilloso a franco arenoso,
-1
-1
donde los valores de Kfs tomaron un rango desde 0.25 mm h hasta 20 mm h . También los
valores encontrados son coincidentes con los Kf s orientadores expuestos por Young (1991): 0.4
-1
-1
mm h en los suelos de textura fina; 0.4 a 40 mm h para suelos con buena estructura y > 40
-1
mm h para suelos de textura gruesa.
Cuadro 3. Conductividad saturada Kfs, valores medios, mínimos y máximos por localidad.
Localidad
Suelo
Monte
Case ros
Jubileo
Typic
Peludert
Argiacuolic
Peludert
Argiacuolic
Peludert
Argiudolic
Peludert
San
Salvador
Villa
Mantero
-1
-1
-1
W
%
Nº de
pruebas
Kfs (mm h )
Media
Kfs (mm h )
Mínima.
Kfs (mm h )
Máxima.
27
3
0.067
0.009
0.52
36.3
11
0.105
0.009
0.312
42.9
6
0.100
0.026
0.29
38.5
7
0.395
0.017
0.66
W: Humedad gravimétrica
Bagarello y Provenzano (1996) considerando diferentes condiciones de humedad, de seco a
húmedo, obtuvo valores decrecientes de Kfs a medida que aumenta el contenido hídrico. Esto
explica que la condición de humedad afecta a la condición de permeabilidad. La naturaleza de los
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Vertisoles contraerse y expandirse, según sea su contenido hídrico, produce grandes variaciones
en los valores de Kfs.
Las mediciones realizadas correspondieron a un período de altas precipitaciones y de balance
hídrico positivo. En estas condiciones el suelo se mantuvo con alto contenido de humedad en el
perfil, disminuyendo la macroporosidad y aumentando de la microporosidad por efecto del
hinchamiento. Los bajos valores de Kfs encontrados reflejan las restricciones al flujo del agua en
estas condiciones de hinchamiento.
La ensayos realizados muestran una amplia variabilidad espacial, que como muchas de las
propiedades físicas estudiadas en los campos dedicados a la producción de arroz, demuestran
las consecuencias del intenso sistema de laboreo-sistematización, y de las condiciones a la
cosecha, como se informara en los trabajos de Pozzolo et al (2001) y Cerana et al (2002).
CONCLUSIONES
− El Permeámetro de Guelph constituye una herramienta válida para la medición de Kfs para los
Vertisoles y otros suelos arcillosos agrietables, si se toman precauciones particulares.
− El Permeámetro de Guelph es una herramienta de uso estándar y su adopción permite
comparar los valores de Kfs en suelos con distintas características texturales. Se ha
comprobado la conveniencia del uso de H altas, de 20 cm, para suelos de textura fina con altos
contenidos de humedad. El rango de valores de Kfs encontrados, reflejan el comportamiento de
los suelos Vertisoles y otros de características vérticas de la mesopotamia Argentina.
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