Transcript Aguadelsuelo

Propiedades Físicas del Suelo
Agua del suelo
Gilberto Cabalceta Aguilar
Centro de Investigaciones Agronómicas
1
Universidad de Costa Rica
Ciclo hidrológico
Precipitación(+)
Condensación(+)
Escurrimiento
superficial(+)
Evapotranspiración(-)
Intercepción
Escurrimiento
subterráneo(+)
Infiltración(+)
(-) Percolación(-)
Efecto capilar(+)
Agua freática
Escurrimiento
subterráneo(-)
2
Ciclo hidrológico
Ecuación básica del balance hídrico
P ± R - U - E + w =0, donde
P: precipitación
R: escurrimiento superficial y subterráneo
U: Drenaje, percolación
E: evapotranspiración (planta + suelo)
w: agua almacenada (mm), diferencia entre inicio y el final del periodo en
la profundidad principal de raíces.
Balance de agua en el suelo (agua almacenada en el suelo):
Entradas
Precipitación (P)
Irrigación (I)
Salidas
Escorrentía (R)
Drenaje (U)
Evapotranspiración (ET)
3
Formas de agua en el suelo
1.Agua de combinación química: forma parte de
compuestos químicos, ej: limonita, Fe2O3 x 2H2O. Esta agua
no es disponible para las plantas, y es biológicamente
inactiva.
2.Agua higroscópica: esta es el agua contenida en los
suelos secos al aire, aquella que está en equilibrio con la
humedad ambiente. Inactiva biológicamente.
3.Agua capilar: agua contenida en los microporos del suelo.
Disponible para las plantas. Biológicamente activa.
4.Agua gravitacional (no capilar): agua contenida en los
macroporos del suelo y que drena por la fuerza de gravedad
(agua de drenaje). Si su movimiento es lento, puede ser
utilizada por las plantas.
4
Retención del agua del suelo/Constantes de
humedad
Capacidad de campo (CC): agua retenida en contra de la
fuerza de gravedad cuando drena libremente; (en suelo bien
drenado, agua presente luego de 2d. de aplicado el riego)
CC: 0,33bares(0,033MPa) y 0,2-0,1bares en suelos arenosos
Punto de marchitez permanente (PMP): contenido de
humedad del suelo al que la planta se marchita en forma
irreversible
PMP: 15bares (1,5MPa)
Coeficiente higroscópico (CH): agua del suelo seco al aire.
en equilibrio con 98% de humedad relativa a temperatura
ambiente
CH: 31bares (3,1MPa)
Agua útil: comprendida entre CC y PMP
5
El agua en el suelo
SUELO ARCILLOSO
53 %
SATURACIÓN
35 %
CAPACIDAD
DE CAMPO
17 %
P. M. P.
DRENAJE
AGUA =
GRAVITACIONAL
DISPONIBLE
NO DISPONIBLE 6
Aire
Agua
Aire
Aire
Partícula
de suelo
Porcentaje de
Saturación
Capacidad de
campo
1/10 atmósfera
1/3 atmósfera
Porcentaje de
marchitamiento
15 atmósferas
7
8
CURVA RETENCION HUMEDAD
-1500
Ψm
(kPa)
-100
-33
0
50
75
100
sat
Humedad aprovechable (%)
9
Retención del agua del suelo
70
60
% Agua
50
Agua
disponible
40
30
20
10
0
0,033
Tensión
Arcilla
30%
Arena
7%
1,5
MPa
10
Retención de agua en suelos de Costa Rica
Suelo
Alajuela plano
Alajuela ondul.
Grecia
Ciruelas
Paraíso
Cervantes
Birrisito
Instituto
Prof.
cm
0-18
0-18
0-18
0-18
0-30
0-30
0-50
0-30
% agua
ap
0,34 15,1 g/cm3
70,5 30,0 0,60
63,5 30,0 0,83
50,0 29,5 0,90
56,0 35,0 0,79
46,0 32,0 0,75
84,0 62,0 0,56
88,0 51,5 0,49
42,0 27,0 1,82
H2O
Útil
40,5
33,5
20,5
21,0
14,0
22,0
36,5
15,0
11
Humedad Aprovechable en función de la textura
Capacidad de
campo
(CC)
Marchitez
permanente
(PMP)
Humedad
aprovechable
(CC-PMP)
Arenoso
9
4
5
Franco arenoso
14
6
8
Franco
22
10
12
Franco arcilloso
27
13
14
Arcillo arenoso
31
15
16
Arcilloso
35
17
18
Textura del suelo
12
Agua disponible en
suelo
el
30
40
24
Agua
suelo
(%)
CC
18
30
Agua disponible
Contenido
agua
cm/m suelo
20
12
PMP
6
10
Agua no disponible
0
Arena franco
arenoso
franco
franco
franco
arcilloso
limoso
arcilloso
13
Fuerzas de retención del agua
ADHESIÓN: Fuerzas de atracción entre las moléculas de
agua y partículas de suelo; electrostáticas
COHESIÓN: Fuerzas de atracción entre moléculas de agua
Expresión de la energía de retención
Las plantas ejercen cierta fuerza por unidad de área de
suelo para absorber agua (Presión= fuerza por unidad de
área). La unidad para expresar presión es el bar o cb:
1 bar= 106 dinas/cm2
Pascal en el SIU:
1Pa = 1 Newton/m2 (Newton = kg/m/s2)
1Pa = 10-5 bares
1Mpa = 106 Pa = 10 bares
14
Curvas de retención/desabsorción de agua
Muestran la relación entre el contenido de humedad y la
tensión del agua del suelo. La curva es característica de
cada suelo, pues influyen propiedades como textura (sup.
específica), estructura, MO, configuración del espacio
poroso.
Es relevante la sup. específica de las arcillas, ya que la
adsorción del agua es un fenómeno superficial, así el área
expuesta, la densidad de carga y los cationes saturantes
son de importancia. Ej.
Tipo arcilla Suelo
Alofana
Birrisito
Haloisita Instituto
CC
88
42
PMP
51,5
27
Agua útil
36,5
15
15
Potencial del agua en el suelo
Concepto de potencial: medida de la energía libre del
sistema, osea capacidad de hacer trabajo. La difusión del
agua se da a favor de una gradiente de E. libre. (> a <). Se
emplea para explicar la causa de la remoción de agua. Así:
w = p + m + s
p: potencial de presión: factores externos; se refiere al
gradiente de presión en el sistema. Influye la Patm y la T
m: potencial matrical: factores internos; se refiere a las
características de la matriz del sistema del suelo. Influye
la cantidad y calidad de coloides; clase y cantidad de iones
en la solución del suelo; estructura, etc. Así la curva de
retensión se determina en muestras “indisturbadas”
s: potencial osmótico: factores externos; se refiere a la
gradiente de concentración salina. La presencia de solutos
16
reduce el potencial del agua (< E. libre)
Efecto fertilización (reduce potencial hídrico). Los
anteriores se conocen como potenciales parciales del agua
del suelo.
Potencial total del agua del suelo
total = W + g
g: se refiere al nivel freático del suelo, que puede ascender
capilarmente y ser empleado
Potencial total: cantidad de trabajo (w) que debe realizarse
por cada cm3 de agua para transportar una cantidad
infinitesimal de agua desde una fuente hasta cierta posición
en el suelo.
Efecto temperatura: Potencial de agua es > en suelos fríos (<
succión); esto no necesariamente es así pues el flujo de calor
17
acarrea agua.
Tabla de conversión para unidades del potencial de agua
Julios/kg
Bar
1
100
101,3
1000
0,01
1
1,013
10
cbares
1
100
101,3
1000
Amósfera
0,00987
0,987
1
9,87
Potencial
MPa
Peso (cm)
(106Pa)
10,17
0,001
1017
0,1
1030
0,101
10170
1
Potencial matrical al cual debe aplicarse agua para la
producción máxima de varios cultivos. Valores altos cuando
la evaporación es alta y viceversa.
Cultivo
m (julios/kg)
Succión matrical
equiv. (cbares)
Caña Az. (Tens.)
Tabaco
Pastos
Naranja
Banano
Papa
-15 a -50
-30 a -80
-30 a -100
-20 a -100
-30 a -150
-30 a -50
15 a 50
30 a 80
30 a 100
20 a 100
30 a 150
30 a 50
18
Formas de expresar el agua del suelo
1. % agua por peso (agua gravimétrica)
L + Sh - L +Ss x 100 =
masa de agua x 100 g/g
L + Ss - L
masa suelo seco (110°C)
2. % agua volumétrica (agua volumétrica)
Hg x ap x 100
a (=1)
3. Lámina de agua: agua del suelo en cm
Ej. Hg: 20%, ap: 1,25g/cm3, Prof: 30cm
a. Hv = (20 x 1,25)/1 = 25%
b. 25/100 x 30 = 7,5 cm de agua (lámina)
19
Cálculo de intervalo y tiempo de riego (por gravedad)
Ej. Maíz (Zea mays L.)
Prof. de enraizamiento: 50 cm
Req. Agua: 0,6cm/día (uso consuntivo diario)
Veloc. infilt. del agua del suelo: 0,76cm/h
50% de agotamiento del agua del suelo
%Hg (MPa)
Horiz.
Prof
ap
0,033
1,5
A
0 – 25
1,3
35
10
B
25 – 50
1,5
25
10
1. Determinar lámina de agua:
a. Agua útil gravimétrica:
b. Agua volumétrica:
A= 35 - 10= 25%
A= 25 x 1,3= 32,5%
B= 25 -10= 15%
B= 15 x 1,5= 22,5%
20
Cálculo de intervalo y tiempo de riego (por gravedad)
c. Lámina de agua:
A= 32,5/100 x 25 = 8,125cm
B = 22,5/100 x 25 = 5,625
Total = 13,75
2. Agua al 50% agotamiento
13,75 x 0,5 = 6,875cm
3. Intervalo de riego:
Agua a aplicar = 6,875 = 11,5 = 11días
Req. del cultivo
0,6
4. Tiempo de riego:
Agua a aplicar = 6,875 = 9,04 = 9horas
Veloc. infiltración
0,76
21
Infiltración de agua en el suelo
Entrada vertical del agua al perfil del suelo. Funciona para:
 Escogencia y diseño del sistema de riego
 Longitud del recorrido del agua en relación a la pendiente
 Lluvia efectiva
 El flujo disponible en un sistema por gravedad
 Tasa máxima de aplicación de agua, sin escurrimiento
 Escorrentía
 Tiempo de estancamiento de agua sobre la superficie
 En general influye sobre agua efectiva y erosión
 Tiene unidades de velocidad cm/s o cm/h (más usadas)
Grupo
A
B
C
D
Clases Hidrológicas
0,76 – 1,14 ó > cm/h
0,38 – 0,76 cm/h
0,13 – 0,38 cm/h
< 0,13 cm/h
22
23
INFILTRACION
escurrimiento
percolación
24
Conductividad hidráulica del suelo
Habilidad del suelo saturado de permitir el paso de agua
 Es necesario para fórmulas de drenaje
 Influye sobre la infiltrabilidad y determina en parte el
agua almacenada y erosión
 La conductividad hidráulica es el factor de
proporcionalidad de la Ley de Darcy. (unidades de veloc.)
Ley de Darcy: la velocidad del flujo de agua a través de una
columna de suelo saturado, es directamente proporcional a
la diferencia en carga hidráulica e inversamente
proporcional a la longitud de la columna
Q = Kath/l 
K = Ql/Ath
K = (cm/s)
Q = (flujo cm3)
A = (área cm2=r2)
t = tiempo (s)
h = altura del agua (cm)
l = altura del suelo (cm)
25
Pérdidas de agua del suelo
Percolación y Escorrentía (líquido)
Evapotranspiración (gaseosa)
Evapotranspiración: su cálculo permite conocer el uso
consuntivo consumo de agua por el cultivo
* Thorwaite
* Pennan
* Blanney y Criddle
* Tanque estándar de evaporación
Etp = cantidad máx. de agua evaporada por unidad de área
de terreno en la unidad de tiempo, de una superficie de
suelo completamente cubierta de pasto, mantenido bajo
frecuente corte, cuando el suministro de agua es ilimitado
La Et se relaciona principalmente con:
*Energía radiante
*Viento
*Presión del aire atmosférico
*Temperatura
*Cantidad de agua presente
26
Uso consuntivo
Para determinar el uso consuntivo se multiplica el valor Etp
por un coeficiente de cultivo (Kc)
Etp x Kc = U.C.
Kc varía de 0,6 a 0,8 dependiendo del cultivo, época,
localización geográfica
Kc = U.C. real
U.C. teórico  Etp
Bajo déficit hídrico se ajusta Etp a Et, mediante
Ks = coeficiente del agua del suelo
Ks = Et/Etp  Etp x Ks x Kc = U.C.
U.C. Ciclo = i(Etp x Kc); i= N° meses ciclo cultivo
U.C. Diario = U.C. Ciclo/N° días ciclo
27
Uso consuntivo agua por los cultivos
Cultivo
Profundidad cm Tasa de uso cm/día
Maíz
105
0.68
Alfalfa
150
0.63
Pastos
60
0.72
Granos
45
0.53
Remolacha
90
0.65
Algodón
180
0.55
Papa
60
0.72
Hortalizas
30
0.50
Cítricos
180
0.48
Leguminosas
45
0.70
Tabaco
60
0.63
Arroz
60
0.43
28
Necesidades de agua por periodos críticos
Cultivo
Papa
Melón
Maíz
Tabaco
Algodón
Fresa
Remolacha
Granos
Pastos
Alfalfa
Hortícolas
Estado
Floración a cosecha
Floración a cosecha
Floración a estigmas
A floración
Formación del primer botón a maduración
Formación del primer fruto a maduración
3 a 4 semanas luego de la siembra
Formación de vaina a cosecha
Después del pastoreo
Al florecimiento y luego de cada corte
Al desarrollo del fruto
29
Manejo de la relación suelo-agua-planta
A. Características componente ambiente:
1. Precipitación y su distribución
Riego
Drenaje
2. Temperatura (> determinante de Et)
Sombra
Mantillo-cobertura
3. Radiación solar
Sombra (calidad y cantidad, control de malezas)
4. Humedad relativa
Afecta tasa evaporación y transpiración
5. Viento
< viento  < Et  > eficiencia en el uso de agua
< viento  > H.R.
30
Manejo de la relación suelo-agua-planta
B. Características del componente suelo:
1. Volumen: afectado por
Profundidad del suelo
Profundidad radical
2. Porosidad: afectada por:
Textura
Estructura
Densidad aparente
3. Infiltración: afectada por
Porosidad
Dificultad en mojar el suelo
Horizontes impermeables
Cantidad inicial de agua en el suelo
Capas impermeables superficiales (encostramiento)
Conductividad hidráulica
31
Manejo de la relación suelo-agua-planta
C. Características del componente planta
1. Balanza funcional en la capacidad relativa para absorber
y perder agua
2. Floración determinada o indeterminada
3. Regular crecimiento  agua en periodos críticos
4. Cultivos con fisiología adaptada a la temperatura y
radiación que presenta el ambiente
32
Ejemplo 1 Datos obtenidos por muestreo gravimétrico
antes y 2 días luego
de un riego
Prof.
ap
Muestreo N°
cm
g/cm3
Antes
1
0-40
1,2
2 40-100 1,5
Después
3
0-40
1,2
4 40-100 1,5
Masa tot + lata
Mhum
MSeca
g
160
150
146
130
230
200
206
170
Lata
50
50
50
50
Calcule: masa y el volumen de la humedad de cada capa
antes y luego del riego, además la cantidad de agua (mm),
agregados a cada capa y al perfil total
Masa de humedad: W1= 160-150/150-50= 0,1
W2: 0,2 g
W3=0,2 g
W4: 0,3 g
Humedad volumétrica: 1= 1,2 x 0,1= 0,12 ml
2: 0,3 ml
3=0,24 ml 4: 0,45 ml
33
Ejemplo 1
Láminas de agua: dw1= 0,12 x 400=48 mm
dw2: 180 mm
dw3=96 mm
dw4: 270 mm
Prof. de agua en el perfil antes del riego: 48+180=228mm
Prof. de agua en el perfil luego del riego: 96+270=366mm
Prof. de agua agregada en la superficie: 96-48=48mm
Prof. de agua agregada en el subsuelo: 270-180=90mm
Prof. de agua en el perfil completo: 48+90=138mm
Ejemplo 2 Grafique las 2 curvas de desabsorción de agua
en escala semilog. (log. para potencial matrical vs humedad).
Estime la ap asumiendo que los suelos no se expanden o
encogen. Estime los valores de humedad volumétrica y
gravimétrica a 0,33 y 15 bares.
Cuanta agua puede liberar cada suelo para 1m de prof. en el
perfil entre 0,33 y 15 bares
34
Ejemplo 2
m
Bar
cm
0
0
0.01
10
0.02
20
0.05
50
0.10
100
0.30
300
1
1000
10
10000
20
20000
100 100000
% Hum. Volum.
Suelo A Suelo B
44.0
52
44.0
52
43.9
52
38.0
51
22.5
48
12.5
32
7.0
20
5.2
13.5
5.1
13.0
4.9
12.8
La ap se obtiene de la Hv a
saturación, si se asume que
esta es igual a la Pt (poros. total):
Pt=(1 - ap/p)
A:ap=2,65(1-0,44)=1,48g/cm3
B:ap=2,65(1-0,52)=1,27g/cm3
Humedad a CC y PMP
A: 12% a 1/3bar, 5% a 15bar
B: 31% a 1/3bar, 13% a 15bar
La W se calcula con los datos de  y de  ap:
A: 1/3bar: W=12%/1.48=8.1%; 15bar W=5%/1.48= 3.4%
B: 1/3bar: W=31%/1.27=24.4%; 15bar W=13%/1.27= 10.2%
Agua liberada a 1m de profundidad, de 1/3 a 15bar
Suelo A: (12-5%/100)x1000mm= 70mm
35
Suelo A: (31-13%/100)x1000mm= 180mm
Relación de las propiedades físicas y el factor de
crecimiento, la succión total (Forsythe, 1967)
Infiltración, pendiente,
cantidad y frec. de riego
o lluvia, volumen del suelo
Textura
Tipo de minerales
Capacidad de retención de agua
Contenido de materia orgánica
Densidad
aparente
Humedad del suelo
Ritmo de consumo de
agua por la planta
Almacenamiento
volumétrico de agua
La succión total del agua del suelo
Concentración de sales
solubles en la solución
Temperatura
36
Relación de las propiedades físicas y el factor de
crecimiento, el RDO
Consumo de O2 por la planta y el suelo
Profundidad del suelo
Gradiente de concentración de O2
Temperatura
Presión
atmosférica
Porosidad
Difusividad
Espacio
aéreo
Humedad
Ritmo de difusión de O2
37
Relación de las propiedades físicas y el factor de
crecimiento, la temperatura
Clima
Radiación atmosférica
Estado de la superficie del suelo (Reflexión, humedad, evaporación)
Flujo de calor de la atmósfera
Temperatura de la superficie del suelo
Minerales
Profundidad
del suelo
Capacidad de calor
Conductividad térmica
Temperatura del suelo
Porosidad
Humedad
38
Relación de las propiedades físicas y el factor de
crecimiento, la resistencia mecánica
Historia previa (de humedecimiento)
Estado de preparación (arado, compactado)
Textura
Densidad de
los sólidos
Contenido de
materia orgánica
Densidad
aparente
Porosidad
Humedad
Resistencia mecánica
39