Presentación de PowerPoint - Relación Suelo Agua Planta

RELACION SUELO-AGUA-PLANTA
AÑO 2008
Prof. Edmundo Acevedo H.
Prof. Herman Silva R.
Prof. Asistente Paola Silva C.
Ayte. Mauricio Ortiz L.
www.sap.uchile.cl
OBJETIVO
Estudio de los principios y prácticas asociadas
a las relaciones existentes entre el suelo, el
agua y las plantas.
PROGRAMA
Introducción
El sistema suelo-agua
•
•
•
•
•
•
•
•
Retención del agua en el suelo.
Formas de expresar el contenido de agua en el suelo.
Energía del agua en el suelo. Concepto de potencial
hídrico.
Concepto estático de la disponibilidad de agua.
Medición de humedad del suelo. Métodos.
Conductividad hidráulica.
Movimiento de agua en el suelo.
Flujo saturado.
Flujo no saturado.
Concepto dinámico de la disponibilidad de agua.
•Infiltración del agua en el suelo.
•Sistemas de labranza y su influencia en la
• infiltración, evaporación y almacenamiento del agua
en el suelo.
- Labranza tradicional.
- Mínima labranza.
- Cero labranza y residuos vegetales.
El sistema agua-planta.
•Estructura de la planta.
•Vías de paso del agua.
•Movimiento del agua en las plantas.
- Flujo conservativo.
- Flujo no conservativo.
•Medición del estado hídrico en las plantas. Métodos.
•Membranas celulares.
•Transporte a través de membranas.
•Salinidad.
•Contraste entre la absorción del agua y de los
iones.
Sistema planta-atmósfera.
•Suministro. Partición y disipación de energía.
•Evaporación. Aspectos físicos y del medio ambiente.
•Transpiración y fotosíntesis.
•Control estomático y resistencia.
•Evapotranspiración.
Continuo suelo-planta-atmósfera.
• Integración de procesos de transporte de agua.
• Regulación del crecimiento aéreo y radicular.
Resistencia a estreses ambientales físicos.
•
•
Agua, temperaturas extremas,salinidad.
Eficiencia del uso del agua.
Aplicación de la relación suelo-agua-planta a la
programación de riego.
EVALUACIÓN
- Primera Prueba de cátedra
- Segunda Prueba de cátedra
- Quizz
- Práctica
25%
25%
25%
25%
PRACTICAS
Dra. Paola Silva
Dr. Eduardo Martinez
Ing. Agr. Mauricio Ortiz
Dr. Herman Silva R
Propiedades del agua
• Molecula dipolar
• Eléctricamente neutra
• Carga distribuida asimétricamente
• Una molécula con otra se relaciona a través
de la carga eléctrica (Puentes de hidrógeno).
• El agua es atraída por las cargas negativas de
las partículas del suelo
Adsorción
AGUA EN EL SUELO
SUELO
50%
AGUA
25%
AIRE
25%
Capacidad de Campo (C. de C.).
Es el contenido de agua de un suelo,después que ha
sido mojado abundantemente y se ha dejado drenar
libremente, evitando las perdidas por evapotranspiración
alrededor de 24 a 48 horas después del riego o la lluvia.
Corresponde aproximadamente al contenido de agua del
suelo a una tensión o potencial mátrico del agua de -0.33
bares.
Punto de Marchitez Permanente (P.M.P.).
Es el contenido de agua de un suelo al cual la planta se
marchita y ya no recobra su turgencia al colocarla en una
atmósfera saturada durante 12 horas. Por convención
corresponde al contenido de aguaa una tensión o potencial
mátrico de -15 bares.
Saturación (poros llenos de agua)
CC
Humedad aprovechable
PMP
Seco en Estufa a 105°C por 24 horas (poros llenos de aire)
Contenido de humedad
Textura
C. de C. (%)
P.M.P. (%)
Arcillosa
23 - 46
13 - 29
Franco Arcillosa
18 - 23
9 - 10
Franca
12- 18
4 - 11
Franco arenosa
8 - 13
4-6
Arenosa
5-7
1-3
HUMEDAD DISPONIBLE EN EL SUELO
Ha = CC- PMP
Hd = Ha x U.R.
Hd = (CC -PMP) x Da x prof x UR
Hd = (CC-Pw) x Da x prof
Pw = CC – Hd
Hsat = (%E – Pw x Da) x prof
Pw es el contenido de humedad en el umbral de riego
Capilares
Características del agua
• Cohesión
• Adhesión
• Capilaridad
Angulo de contacto
F ascenso = σ • cos ∝ • 2 π r
Tensión superficial
radio
radio
gravedad
F descenso = π r2 h • δ • g
altura
densidad
Modelo
Supuesto : suelos compuestos por capilares de
diámetro variable.
F ascenso = σ • 2 π r
σ•2πr
F ascenso
=
Superficie
2σ
=
π r2
r
= Tensión de agua
en el suelo (ψ m)
τ=
2σ
r
Potencial hídrico
Se llama “Potencial hídrico total (Ψ)” a la
energía libre por mol de agua, es decir a la
capacidad de realizar trabajo del agua.
El potencial hídrico se puede expresar como la
suma de sus componentes (campos de fuerza
que quitan energía al agua)
Ψ = ψg + ψp + ψm + ψs
• Potencial gravitacional (ψg) : Es el trabajo que se
realiza al trasladar una cantidad infinitesimal de agua
respecto a un nivel de referencia. Este potencial
dependerá de un nivel de referencia, pudiendo ser
positivo o negativo, sobre o bajo el nivel de
referencia respectivamente.
• Potencial de presión (ψp) : Está referido a la presión
atmosférica. Pudiendo ser positivo (en la presencia de
una columna de agua, en la presión que ejerce la
vacuola en contra de la pared celular conocido como
potencial de turgor) o negativo (disminución de la
energía del agua por la matriz del suelo).
Potencial mátrico (ψm): Es la reducción de energía libre
del agua debido a las fuerzas de cohesión y adhesión
entre moléculas de agua-agua y agua-sólido. Debido a que
en la matriz del suelo existen poros con aire y agua se
produce un fenómeno que se conoce como tensión
superficial. La magnitud en que disminuye la energía libre
es función del radio efectivo de los poros, a mayor radio
efectivo mayor es el potencial mátrico. Se mide con
tensiómetros (de bourdon o de mercurio) o con bloques de
yeso. Su valor es cero o negativo.
Potencial de solutos (ψs) o potencial osmótico(ψo): Es
la reducción de energía libre del agua debido a la presencia
de solutos. Adquiere importancia cuando el agua está
separada por una membrana semipermeable. Siempre se
presenta en las células. Su valor es negativo.
Instrumentos que miden el estado hídrico
del suelo
1. Tensiometro
Mide ψm
En rango húmedo (hasta - 0,7 bares)
2. Bloques de yeso
Mide ψm
En rango seco (de -0,5 bares a más negativo)
3. Aspersor de neutrones
Mide ω ó θ
Aparatos para medir el contenido
de agua del suelo
Medición del
contenido de agua
Métodos directos:
Métodos indirectos:
Gravimétrico ω
Volumétrico
Volumétrico θ
Tensiométrico
Métodos directos
Principios
Secado en estufa a 105 °C hasta masa constante (48 h)
Ventajas
Precisión (balanza)
Bajo costo
Desventajas
Tiempo muestreo + secado
Muestreo destructivo
No repetible en el mismo punto
Métodos indirectos
Metodos volumétricos de campo
Se estima θ a partir de una muestra no
perturbada en campo.
Métodos tensiométricos
Se estima el contendi de agua a partir de una
tensión
Medición de
neutrones
Métodos volumétricos
indirectos
Metodos
dieléctricos
Medición de neutrones
Principios
Se emiten neutrones rápidos desde una fuente de radiactiva
(241Am/9Be). La colisión con los protones del agua los termaliza
(lentos). La densidad de neutrones lentos alrededor de la sonda
se correlaciona con θ.
Ventajas
Alta precisión
Gran número de muestras a diferentes profundidades
Esfera de influencia grande (10-40 cm)
Calibración suelo específica estable
No afectada por salinidad ni bolsas de aire
Desventajas
Riesgoso: radiación
!
Personal calificado
Calibración
Tiempo de lectura
Aparato muy caro
Lecturas poco precisas en superficie
Esfera de influencia variable
Métodos dieléctricos
Principios
Miden la permitividad bruta del suelo (constante dieléctrica) Kab
que determina la velocidad de un pulso u onda electromagnética
a través del suelo. Es la capacidad que tiene el material para
polarizarse o capacidad de almacenar energía en los dipolos
eléctricos.
Kab = Kaw (81) + Kas (2-5) + Kaa (1)
Kab es una cantidad compleja. La parte imaginaria representa la
energía de adsorción como resultado de pérdidas dieléctricas y
conducción iónica.
Ecuación empírica de Topp
θ = -5.3·10-2 + 2.29·10-2Kab – 5.5·10-4Kab2 +4.3·10-6Kab3
Suelos minerales, θ < 0.5, indep de la textura
Estos métodos utilizan relaciones empíricas entre θ y la lectura del
aparato (tiempo, frecuencia, impedancia, fase de la onda)
Time Domain Reflectometry (TDR)
Principios
Kab se determina midiendo el tiempo que le toma a un pulso
electromagnético propagarse a lo largo de una linea de transmisión
(TL) rodeada por suelo
Kab = (c/v)2 = ((c t)/(2 L))2
c = velocidad onda en vacío
v = velocidad de propagación en el suelo
t = tiempo de tránsito en la TL
L = largo de TL
Un aparato TDR debe producir seies precisas de pulsos en altas
frecuencias (0.02-3 GHz). Las altas frecuencias hacen al aparato
menos dependiente de la textura y salinidad. Debe medir el voltage
de las TL en intervalos de tiempo de 100 picosegundos.
Cuando el pulso viaja en la TL y detecta discontinuidades parte del
pulso es reflejado.
Se generan cambios del voltage de la TL.
Se mide el tiempo de tránsito del pulso.
Ventajas TDR
Alta precisión.
Comúnmente no se requiere calibración.
Mínima perturbación del suelo.
Puede entregar mediciones simultáneas de CE.
Fácilmente expandibe por “multiplexing”.
Desventajas TDR
Aparato caro.
Uso limitado en alta salinidad y en suelos con arcillas altamente
conductoras.
Calibración suelo específica (alto θ, alta MOS, suelos volcánicos)
Pequeña esfera de influencia (~ 4 cm)
Frequency Domain (FD): Capacitance and FDR
Principios
Utiliza la Kab al igial que el TDR, pero un sensor FDR envía una
onda electromagnética (20 – 100 MHz) y se mide la frecuencia
con que es reflejada. Esta medición se asocia con θ. Pesentan un
circuito que calcula la parte real e imaginaria de Kab,
disminuyendo el error.
Ventajas FDR
Alta precisión después de una calibración suelo específica.
Puede leer a niveles de salinidad más altos que el TDR.
Mayor resolución que el TDR (ruido de la forma de la onda).
Menor tiempo de medición que el TDR.
Mayor flexibilidad en el diseño de las sondas.
Mpás baratos que el TDR (circuitos menos complejos).
Desventajas FDR
Esfera de influencia pequeña (4-10 cm).
Muy sensible a la bolsas de aire (excelente contacto con el suelo).
Más sensible a la temperatura y el contnido de arcillas que el TDR.
La precisión y la resolución disminuyen con la disminución de θ.
Ley de Darcy
El movimiento del agua en el suelo se expresa por el
flujo de agua (cantidad de agua que pasa por una
unidad de área en un tiempo dado) que se describe por
la Ley de Darcy, cuyas unidades de medición para flujo
de agua son m/s, cm/s, mm/día, etc.
J = Q/At = -K (Δψ /Δx)
J: flujo (m/s)
Q: cantidad de agua (m3)
hídrico (cm)
A: Area (m2)
t: tiempo (s)
hídrico
K: conductividad hidráulica (m/s)
Δψ:diferencia de potencial
Δx : distancia (cm)
Δψ/Δx : gradiente de potencial
CODUCTIVIDAD HIDRAULICA
Contenido de agua
(cm3/cm3)
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1.E+1 1.E+0 1.E-1 1.E-2 1.E-3 1.E-4 1.E-5 1.E-6 1.E-7
K (cm/dia)
Propiedades Físicas
Humedad Aprovechable
Humedad Aprovechable (%)
12
A
B
10
8
D
D
C
D
6
CL
4
2
LT
0
0-2
2-5
Profundidad (cm)
5-15
OTRAS PROPIEDADES FÍSICAS
Estabilidad de Agregados
Diámetro ponderado medio (DPM) en mm
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
A
B
CL
C
C
0-2
C
C
2-5
Profundidad (cm)
5-15
LT
DPM
3,00
2,56
2,50
CL7
DPM
2,00
2,08
1,94
1,31
1,50
1,05
CL4
1,13
LT7
1,00
0,50
0,10
0,31
0,11
0,32
0,56
0,17
0,00
1
2
Profundidad
3
LT4
Estabilidad de los agregados y algunas
propiedades físicas
El contenido de MOS se correlacionó positivamente con el
DPM de los agregados del suelo (r = 0,95***).
DPM
RP
0,48*
CdeC
0,79***
PMP
0,42***
HA
0,82***
*P≤0,05; ** P≤0,01; *** P≤0,001.
Resistencia a la Penetración en relación a
Densidad Aparente y Humedad del Suelo.
Densidad Aparente
Densidad Aparente (g/cm3)
1.60
AB
1.40
AB
A
A
AB
B
1.20
1.00
0.80
CL
0.60
LT
0.40
0.20
0.00
0-2
2-5
Profundidad (cm)
5-15
Distribución de espacio poroso con
diferentes manejos de suelo (Pikul y Allamaras, 1986).
Conductividad hidráulica a Saturación
(Pikul y Allamaras, 1986)
Efecto de la capacidad de aire del suelo en el
Rendimiento.
(Baver y Farnsworth, 1940)
Temperatura (12/8/03 - 28/10/03)
Tº min
Tº max
LT
10,46 b
20,70 A
CL
10,96 a
16,76 B
Propiedades Físicas
Temperatura del Suelo
12:00 - 13:00 hrs en Octubre
Temperatura del Suelo (ºC)
A
30
25
AB
B
B
AB
B
20
15
CL
10
LT
5
0
0-2
2-5
Profundidad (cm)
5-15
Amplitud térmica vs profundidad de suelo en
un manejo con labranza tradicional
(triángulos) y otro con cero labranza (círculos)
(van Duin,1956).
30
Temperatura (ºC )
5
10 15 20 25
0
CL máx
LT máx
CL mín
LT mín
Profundidad (cm)
VELOCIDAD DE INFILTRACIÓN (mm/h)
600
Ve lo c id a d d e In filtració n (mm/h )
500
400
CL7
LT7
300
CL4
LT4
200
100
0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
Tiempo (h)
3,00
3,50
4,00
4,50
INFILTRACIÓN ACUMULADA
600
500
IA (m m )
400
CL7
LT7
300
CL4
LT4
200
100
0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
Tiempo (h)
3,00
3,50
4,00
4,50
DENSIDAD RADICAL (0-2 cm)
3,50
3,00
L v ( c m /c m 3 )
2,50
CL7
2,00
LT7
1,50
CL4
LT4
1,00
0,50
0,00
0
20
40
60
80
Días después de siembra (d)
100
120
140
DENSIDAD RADICAL (2-5 cm)
3,50
3,00
Lv (c m/c m3)
2,50
CL7
2,00
LT7
1,50
CL4
1,00
LT4
0,50
0,00
0
20
40
60
80
100
Días después de siembra (d)
120
140
DENSIDAD RADICAL (5-15 cm)
1,60
1,40
Lv (c m/c m3)
1,20
CL7
1,00
LT7
0,80
CL4
0,60
LT4
0,40
0,20
0,00
0
20
40
60
80
100
Días después de siembra (d)
120
140
DENSIDAD RADICAL (5-15 cm)
1,60
1,40
Lv (c m/c m3)
1,20
CL7
1,00
LT7
0,80
CL4
0,60
LT4
0,40
0,20
0,00
0
20
40
60
80
100
Días después de siembra (d)
120
140
REFERENCIAS
www.sap.uchile.cl