1

Propiedades Físicas del SueloAgua del suelo

Gilberto Cabalceta AguilarCentro de Investigaciones

Agronómicas Universidad de Costa Rica

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Ciclo hidrológico

Agua

almacenada(+

)

Escurrimiento subterráneo(-)

Escurrimiento subterráneo(+

)

Intercepción

Evapotranspiración(-)

Agua freática

Escurrimiento

superficial(+) Escurrim

ient

o

superficial(-)

Precipitación(+)Condensación

(+)

Infiltración(+)

Efecto capilar(+)

(-) Percolación(-)

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Ciclo hidrológicoEcuación básica del balance hídrico

P ± R - U - E + w =0, dondeP: precipitaciónR: escurrimiento superficial y subterráneoU: Drenaje, percolaciónE: 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):

EntradasPrecipitación (P)

I rrigación (I )

SalidasEscorrentía (R)

Drenaje (U)Evapotranspiración (ET)

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Formas de agua en el suelo1.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.

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Retención del agua del suelo/Constantes de humedadCapacidad 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

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El agua en el sueloSUELO ARCILLOSO

53 %

35 %

17 %

SATURACIÓN

CAPACIDADDE CAMPO

P. M. P.

DRENAJE

GRAVITACIONAL DISPONIBLE NO DISPONIBLEAGUA =

7

Porcentaje de Saturación

1/10 atmósfera

Aire

Partícula de suelo

Porcentaje de marchitamiento

15 atmósferas

AireAgua

Capacidad de campo

1/3 atmósfera

Aire

8

9Humedad aprovechable (%)

100500 sat

-33

-1500

-100

Ψm

(kPa)

75

CURVA RETENCION HUMEDAD

10

Retención del agua del suelo

0

10

20

30

40

50

60

70

Tensión

% A

gua

0,033 1,5 MPa

Arcilla

Arena

Agua disponible

30%

7%

11

Retención de agua en suelos de Costa Rica

Prof . % agua ap H2OSuelocm 0,34 15,1 g/ cm3 Útil

Alajuela plano 0-18 70,5 30,0 0,60 40,5Alajuela ondul. 0-18 63,5 30,0 0,83 33,5Grecia 0-18 50,0 29,5 0,90 20,5Ciruelas 0-18 56,0 35,0 0,79 21,0Paraíso 0-30 46,0 32,0 0,75 14,0Cervantes 0-30 84,0 62,0 0,56 22,0Birrisito 0-50 88,0 51,5 0,49 36,5I nstituto 0-30 42,0 27,0 1,82 15,0

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Humedad Aprovechable en función de la textura

Textura del suelo

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

13

PMPPMP

C CC C

Agua disponible

Agua no disponible

Arena franco franco franco franco arcilloso

arenoso limoso arcilloso

Agua

suelo

(%)

Contenido agua

cm/m suelo

30

24

18

12

6

0

40

30

20

10

Agua disponible en Agua disponible en el sueloel suelo

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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

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

Expresión de la energía de retención

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Curvas de retención/desabsorción de aguaMuestran 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 CC PMP Agua útil

Alof ana Birrisito 88 51,5 36,5Haloisita I nstituto 42 27 15

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Potencial del agua en el sueloConcepto 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)

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Potencial total del agua del suelototal = W + g

Efecto fertilización (reduce potencial hídrico). Los anteriores se conocen como potenciales parciales del agua del suelo.

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 acarrea agua.

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Tabla de conversión para unidades del potencial de agua

Potencial MPaJ ulios/kg Bar cbares Amósfera

Peso (cm) (106Pa)

1 0,01 1 0,00987 10,17 0,001100 1 100 0,987 1017 0,1

101,3 1,013 101,3 1 1030 0,1011000 10 1000 9,87 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 matricalequiv. (cbares)

Caña Az. (Tens.) -15 a -50 15 a 50Tabaco -30 a -80 30 a 80Pastos -30 a -100 30 a 100

Naranja -20 a -100 20 a 100Banano -30 a -150 30 a 150Papa -30 a -50 30 a 50

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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)

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Cálculo de intervalo y tiempo de riego (por gravedad)Ej. Maíz (Zea mays L.)

Prof. de enraizamiento: 50 cmReq. Agua: 0,6cm/día (uso consuntivo diario)

Veloc. infilt. del agua del suelo: 0,76cm/h50% de agotamiento del agua del suelo

1. Determinar lámina de agua:

a. Agua útil gravimétrica:

A= 35 - 10= 25%

B= 25 -10= 15%

%Hg (MPa)Horiz. Prof ap 0,033 1,5

A 0 – 25 1,3 35 10B 25 – 50 1,5 25 10

b. Agua volumétrica:

A= 25 x 1,3= 32,5%

B= 15 x 1,5= 22,5%

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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

3. Intervalo de riego: Agua a aplicar = 6,875 = 11,5 = 11días

Req. del cultivo 0,6

2. Agua al 50% agotamiento

13,75 x 0,5 = 6,875cm

4. Tiempo de riego: Agua a aplicar = 6,875 = 9,04 =

9horas Veloc. infiltración 0,76

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Infiltración de agua en el sueloEntrada 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 Clases Hidrológicas

A 0,76 – 1,14 ó > cm/ h

B 0,38 – 0,76 cm/ hC 0,13 – 0,38 cm/ hD < 0,13 cm/ h

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24

INFILTRACION

percolación

escurrimiento

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Conductividad hidráulica del sueloHabilidad 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)

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Pérdidas de agua del sueloPercolación 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 ilimitadoLa Et se relaciona principalmente con:*Energía radiante *Viento*Presión del aire atmosférico *Temperatura *Cantidad de agua presente

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Uso consuntivoPara 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

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Uso consuntivo agua por los cultivosCultivo Profundidad cm Tasa de uso cm/ díaMaíz 105 0.68

Alf alf a 150 0.63Pastos 60 0.72Granos 45 0.53

Remolacha 90 0.65Algodón 180 0.55

Papa 60 0.72Hortalizas 30 0.50Cítricos 180 0.48

Leguminosas 45 0.70Tabaco 60 0.63Arroz 60 0.43

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Necesidades de agua por periodos críticos

Cultivo EstadoPapa Floración a cosecha

Melón Floración a cosechaMaíz Floración a estigmas

Tabaco A floraciónAlgodón Formación del primer botón a maduraciónFresa Formación del primer f ruto a maduración

Remolacha 3 a 4 semanas luego de la siembraGranos Formación de vaina a cosechaPastos Después del pastoreoAlf alf a Al florecimiento y luego de cada corte

Hortícolas Al desarrollo del f ruto

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Manejo de la relación suelo-agua-plantaA. 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.

31

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

32

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

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Ejemplo 1 Datos obtenidos por muestreo gravimétrico antes y 2 días luego de un riego

Masa tot + lata

Prof . ap Mhum MSeca Lata

Muestreo N° cm g/ cm3 g

1 0-40 1,2 160 150 50 Antes 2 40-100 1,5 146 130 50

3 0-40 1,2 230 200 50 Después 4 40-100 1,5 206 170 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= 0,1W2: 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

34

Ejemplo 1Láminas de agua: dw1= 0,12 x 400=48 mm

dw2: 180 mm dw3=96 mm dw4: 270 mmProf. 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=138mmEjemplo 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

35

Ejemplo 2La 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

m % Hum. Volum.Bar cm Suelo A Suelo B0 0 44.0 520.01 10 44.0 520.02 20 43.9 520.05 50 38.0 510.10 100 22.5 480.30 300 12.5 321 1000 7.0 2010 10000 5.2 13.520 20000 5.1 13.0100 100000 4.9 12.8

Humedad a CC y PMP

A: 12% a 1/3bar, 5% a 15bar

B: 31% a 1/3bar, 13% a 15barLa 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 15barSuelo A: (12-5%/100)x1000mm= 70mmSuelo A: (31-13%/100)x1000mm= 180mm

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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

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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 atmosféric

a

Difusividad

Espacio

aéreo

Porosidad

Humedad

Ritmo de difusión de O2

38

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

Profundidad del suelo

Capacidad de calorConductividad térmica

Porosidad Humedad

Temperatura del suelo

Minerales

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Relación de las propiedades físicas y el factor de crecimiento, la resistencia mecánica

Historia previa (de humedecimiento)

Estado de preparación (arado, compactado)

TexturaDensidad

de los sólidos

Densidad aparente

Porosidad Humeda

d

Resistencia mecánica

Contenido de materia orgánica