Agua en el suelo



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AGUA EN EL SUELO

AGUA → parte del ciclo hidrológico integrada por un conjunto de compartimentos.
SUELO

      • Es uno de los compartimentos del agua

      • Principal suministrador de agua para las plantas

      • Capacidad para almacenarla e ir cediéndola a medida que se requiere.



AGUA



Agua disuelve y transporta elementos nutritivos, sales solubles y contaminantes, y hace posible su absorción por las raíces.
El contenido de humedad en suelo influye en la consistencia, penetrabilidad, traficabilidad, temperatura, etc.
Correcto manejo del agua en agricultura y en gestión del medio ambiente requiere conocer su comportamiento.
Vida en ecosistema terrestre depende del estado energético del agua del suelo.
Existencia de distintos ecosistemas → depende de la disponibilidad hídrica.
Crecimiento de las plantas requiere agua en primer lugar para realizar la fotosíntesis.
Mantenimiento equilibrio térmico y de todo proceso respiratorio supone desprendimiento continuado de agua, así como también la transpiración.

Estudio del agua interesa:




  • Propiedades físicas del agua



Lluvia: cantidad e intensidad.

Escorrentía: relación con los procesos erosivos.

Aportes laterales y subsuperficiales.

Riego.

Ascenso a partir de la capa freática.





  • Cantidad de agua en el suelo

Variable a lo largo del tiempo.

Variable en el espacio.


  • Composición del agua del suelo

Agua.


Elementos nutritivos.

Sales disueltas.

Compuestos orgánicos solubles.

Productos solubles en agua: fitosanitarios, contaminantes y otros.

Materias en suspensión.


  • Interacción con las partículas sólidas




  • Papel del suelo en el ciclo hidrológico




  • Estado energético del agua del suelo




  • Movimiento del agua en el continuum suelo-planta-atmósfera

Propiedades físicas del agua




  • Estructura molecular: H2O




    • Es eléctricamente neutra.

    • Posee un momento bipolar al estar desplazados los centros de carga positiva y negativa y no ser simétrica la molécula.

    • Las moléculas de agua interaccionan entre ellas y con otras partículas cargadas.

    • Las moléculas de agua se unen por medio de puentes de hidrógeno, lo que explica que sea un líquido a las temperaturas más frecuentes en el suelo, a pesar de su peso molecular poco elevado.





  • Propiedades térmicas




  • Calor específico elevado, lo que establece una marcada diferencia en la capacidad calorífica entre suelos secos y húmedos.

  • Punto de fusión elevado, debido a los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua en estado sólido.

  • Calor latente de fusión elevado.

  • Calor latente de vaporización muy elevado.




  • Propiedades mecánicas




    • Densidad relativamente baja, mayor en fase líquida que en la sólida. Es máxima a 4 ºC.




  • Viscosidad y fuerzas moleculares dentro del fluido.




  • Presión osmótica, π: función del contenido de solutos.




  • Fenómenos capilares




  • Tensión superficial, σ: influye en gran manera en el comportamiento del agua en el suelo en las interfases.

  • Curvatura de la superficie libre: en función de los radios de curvatura y la tensión superficial, la fórmula de Laplace permite calcular la presión total.

  • Angulo de contacto del menisco (α) con las superficies sólidas.

(α < 90º en superficies hidrófilas; α > 90º en superficies hidrófobas)


  • Ascenso capilar: esquemáticamente, algunos poros del suelo se pueden asimilar a tubos capilares, lo que no deja de ser una simplificación, quizás excesiva. De acuerdo con la ley de Jurin:

ΔP = - 2σ / Rρw = 2σ cosα / r


ΔP = diferencia de presión a través de la interfase aire-agua en un capilar del suelo. Define la altura máxima de ascenso.

σ = tensión superficial (energía potencial de la interfase)

R = radio de curvatura (m)

R = r/(cosα)

r = radio del capilar (m)

ρw = densidad del agua (kgm-1)


Zc = altura máxima de ascenso

Zc = 2 σ / ρw g r


Para el caso de mojadura completa (interfase semiesférica), caso del vidrio y el agua y también normalmente en el suelo:

α = 0º cosα = 1 ΔP = - 0,14 / r N m-2 a 20 º C




  • Solubilidad de gases y sólidos.




  • Propiedades del agua cerca de las superficies sólidas cargadas eléctricamente.

ESTADO ENERGÉTICO DEL AGUA DEL SUELO.
La energía asociada al agua del suelo es una medida de las fuerzas a las que está sometida y tiene incidencia sobre:


  • Disponibilidad de agua para las plantas.

  • Movimiento del agua en el suelo.

  • Propiedades mecánicas del suelo.



Fuerzas actuantes


  • Fuerzas derivadas del campo gravitatorio

Ley de Newton de la gravitación.


F = G m M / x2
F = fuerza de atracción

G = constante universal de gravitación

m, M = masas que se atraen

x = distancia entre las masas

Fuerzas gravitatorias: F = m x g



  • Fuerzas derivadas de iones en solución:

Los iones en solución atraen moléculas de agua por su carácter bipolar y se hidratan.

Las propiedades termodinámicas del agua se ven afectadas.

Disminuye la energía potencial del agua.

De importancia en suelos salinos y en cultivos hidropónicos.



  • Fuerzas externas ligadas a:

La matriz en suelos de matriz no rígida debido a la presencia de arcillas expandibles, que hacen variar la geometría de los huecos y el ángulo de contacto en las interfases con el agua.

La presión de gases sobre el agua.

La presión hidrostática en suelos saturados de agua.







    • Fuerzas de adhesión. Se originan en la superficie de las partículas sin carga y son:




      • De origen molecular (fuerzas de van der Waals y puentes hidrógeno).

      • De corto alcance pero de gran intensidad.

      • Retienen una capa cuyo espesor es de unas decenas de moléculas de agua, que forman una película alrededor de las partículas sólidas.

      • La cantidad de agua retenida de esta forma es pequeña.



  • Fuerzas debidas a efectos capilares (fuerzas de cohesión).




    • Son debidas a las uniones entre moléculas de agua mediante puentes de hidrógeno.

    • Hacen engrosar la lámina de agua adsorbida, a la que se unen y rodean.

    • Agua retenida con poca intensidad: absorbible por las plantas.

    • Predominan en materiales arenosos.



  • Fuerzas de difusión.




  • Agua asociada con los iones y con superficies sólidas cargadas eléctricamente debido a la naturaleza bipolar del agua.

  • La doble capa difusa actúa a modo de membrana semipermeable, confiriendo propiedades inusuales al agua cerca de la capa: menor densidad.

  • Fuerte influencia de la superficie específica de la partícula, de su densidad de carga eléctrica y de la naturaleza de los cationes de intercambio.

RETENCIÓN DEL AGUA EN EL SUELO


Curva característica de humedad
Suelo → capaz de retener agua → potencial matricial está relacionado con el contenido de humedad → función característica de humedad o función potencial matricial-contenido de agua.
Es función que depende de:


  • Sentido en que tiene lugar el cambio en el contenido de agua (humectación o desecación).

  • Velocidad de cambio.

  • Estabilidad en el tiempo de la estructura, así como tamaño, forma y conexión entre huecos.

  • Los cambios de volumen del suelo; expansión-retracción.

  • Condiciones en la interfase agua – aire.

Esta relación no es unívoca La curva obtenida de una muestra saturada de agua no coincide con la determinada a partir de una muestra seca y se pone de manifiesto al obtener dos ramas de la curva por efecto de histéresis:



La historia de la muestra influye sobre la situación final de equilibrio.


El efecto de histéresis es más pronunciado en suelos de textura gruesa a potenciales altos, los poros se vacían a potenciales mucho menores que a los que se llenan.

Causas:



  • Falta de uniformidad en la geometría de los poros individuales, que se manifiesta en el denominado efecto botella de tinta





  • Carácter compuesto del sistema de poros:

Poros interagregados: condicionan la rehumectación.

Poros intragregados: condicionan la desecación.

La penetración de agua resulta más lenta en un horizonte arenoso que en uno de textura más fina.




  • Efecto del ángulo de contacto en las interfases:

Meniscos que avanzan: ángulo de contacto y radio de curvatura mayores.

Meniscos que retroceden: en la deserción el potencial matricial será menor que n la humectación.


  • Aire atrapado dentro de los agregados:

Hace disminuir el contenido de agua en suelos recién humectados: no se alcanza un verdadero equilibrio.




  • Fenómenos de expansión retracción:

En suelos expandibles varía la geometría del espacio de poros, de distinta manera según la historia de la humectación.

En sentido estricto no se trata de un fenómeno de histéresis, ya que hace cambiar la geometría del espacio de poros.

Principales factores




  • Estructura:




    • Espacio de poros:




      • A potenciales altos la retención de agua se ve muy influenciada por la estructura (distribución de tamaño de poros), por lo que hay que trabajar con muestras inalteradas.




      • A potenciales bajos predominan las fuerzas de adhesión, por lo que influirá la superficie específica de las partículas y mucho menos la estructura. Se puede trabajar con muestras tamizadas a 2 mm.




  • Compactación:




    • Disminuye la porosidad total y, en especial, la proporción de los poros de mayor tamaño.


  • Textura: hace variar la forma de la curva.

CAPACIDAD DE RETENCIÓN DE AGUA DISPONIBLE (agua útil)


Capacidad de campo:


  • Contenido de agua en el suelo después de 48 horas de un riego o de una lluvia abundante. Se supone que transcurrido este tiempo empieza un drenaje lento del agua contenida en el suelo.




  • Se trata en cierta medida del contenido máximo de agua que puede retener el suelo cuando la mayoría de la macroporosidad está ocupada por aire.




  • Por dificultad de su medida de acuerdo con la definición, se suelen realizar estimaciones a partir del valor del contenido de agua que retiene una muestra de suelo en equilibrio con una presión de 33 kPa, en un equipo de placas depresión. Esto puede conducir a grandes errores, ya que en condiciones de campo influyen las condiciones de drenaje del suelo. Por ello la capacidad de campo debe medirse in situ.

El proceso de drenaje puede representarse, del siguiente modo:


Punto de marchitez permanente:




  • Contenido de agua por de bajo del cual las plantas no son capaces de extraer agua del suelo. Viene a corresponder al límite inferior del agua retenida por fuerzas capilares absorbible por las raíces.




  • Se estima como el contenido de agua que retiene una muestra de suelo equilibrada con una presión de 1500 kPa en un equipo de placas a presión.




  • Depende del tipo de planta y del clima.


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