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Propiedades Físicas del Suelo Agua del suelo

Propiedades Físicas del Suelo Agua del suelo. Gilberto Cabalceta Aguilar Centro de Investigaciones Agronómicas Universidad de Costa Rica. Precipitación(+). Condensación(+). Evapotranspiración(-). Ciclo hidrológico. Escurrimiento superficial(+). Intercepción. Escurrimiento superficial(-).

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Presentation Transcript

  1. Propiedades Físicas del SueloAgua del suelo Gilberto Cabalceta Aguilar Centro de Investigaciones Agronómicas Universidad de Costa Rica

  2. Precipitación(+) Condensación(+) Evapotranspiración(-) Ciclo hidrológico Escurrimiento superficial(+) Intercepción Escurrimiento superficial(-) Escurrimiento subterráneo(+) Infiltración(+) Agua almacenada(+) (-) Percolación(-) Escurrimiento subterráneo(-) Efecto capilar(+) Agua freática

  3. 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):

  4. 1.Agua de combinación química: forma parte de compuestos químicos, ej: limonita, Fe2O3 x2H2O. 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. Formas de agua en el suelo

  5. 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 Retención del agua del suelo/Constantes de humedad

  6. SUELO ARCILLOSO SATURACIÓN 53 % CAPACIDAD 35 % DE CAMPO 17 % P. M. P. DRENAJE AGUA = GRAVITACIONAL DISPONIBLE NO DISPONIBLE El agua en el suelo

  7. Aire Aire Capacidad de campo Porcentaje de marchitamiento 1/3 atmósfera 15 atmósferas Humedad del Suelo Agua Aire Partícula de suelo Porcentaje de Saturación 1/10 atmósfera

  8. Movimiento del Agua en el Suelo ARENOSO ARCILLOSO Franco

  9. CURVA RETENCION HUMEDAD -1500 Ψm (kPa) -100 -33 0 sat 50 100 75 Humedad aprovechable (%)

  10. Retención del agua del suelo Agua disponible Arcilla 30% Arena 7% 0,033 1,5 MPa

  11. Retención de agua en suelos de Costa Rica

  12. Humedad Aprovechable en función de la textura

  13. Agua disponible en el suelo 30 24 18 12 6 0 40 30 20 10 C C Contenido agua cm/m suelo Agua suelo (%) Agua disponible PMP Agua no disponible Arena franco franco franco franco arcilloso arenoso limoso arcilloso

  14. ADHESIÓN: Fuerzas de atracción entre las moléculas de agua y partículas de suelo; electrostáticas COHESIÓN: Fuerzas de atracción entre moléculas de agua Fuerzas de retención del 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

  15. 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. Curvas de retención/desabsorción de agua

  16. 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 reduce el potencial del agua (< E. libre) Potencial del agua en el suelo

  17. 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 empleadoPotencial 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 acarrea agua.

  18. Tabla de conversión para unidades del potencial de agua Potencial matrical al cual debe aplicarse agua para la producción máxima de varios cultivos. Valores altos cuando la evaporación es alta y viceversa.

  19. 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)

  20. 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 1. Determinar lámina de agua: a. Agua útil gravimétrica: A= 35 - 10= 25% B= 25 -10= 15% b. Agua volumétrica: A= 25 x 1,3= 32,5% B= 15 x 1,5= 22,5%

  21. 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

  22. 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)

  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

  28. Necesidades de agua por periodos críticos

  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. Datos obtenidos por muestreo gravimétrico antes y 2 días luego de un riego Ejemplo 1 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 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 Suelo A: (31-13%/100)x1000mm= 180mm

  35. 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 Ritmo de consumo de agua por la planta Densidad aparente Humedad del suelo 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 Porosidad Espacio aéreo Difusividad Presión atmosférica 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 Capacidad de calorConductividad térmica Profundidad del suelo Porosidad Humedad Temperatura del suelo

  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 Densidad aparente Porosidad Contenido de materia orgánica Humedad Resistencia mecánica

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