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TEMA Nº 9. AGUA EN EL SUELO
R. JIMÉNEZ BALLESTA
INTRODUCCIÓN
El agua que se encuentra en el suelo, además de ser una fuerza motriz en la formación del suelo, es esencial para que sobrevivan y crezcan las plantas y otros organismos del suelo. Condiciona la productividad de los ecosistemas terrestres, interviniendo en la agricultura. Secundariamente, el movimiento del agua y de las sustancias disueltas en ella a lo largo del perfil del suelo, tiene incidencia en la calidad y la cantidad de los recursos de agua, locales y regionales.
Esquemáticamente podemos decir que el agua es importante en el funcionamiento de los suelos por varias razones.
Respecto del origen y formación del suelo: hidrólisis, hidratación, migración de sustancias, etc. Está relacionado con el régimen de humedad. Medio de dispersión de partículas. Por su papel en la nutrición de las plantas.
Pero el agua del suelo es diferente, conceptualmente, del estado habitual del agua en la naturaleza. En el suelo, el agua se encuentra en los poros del
mismo, atrapado con distintos grados de atracción, dependiendo de la cantidad de agua presente y del tamaño de los poros. Por lo que la atracción entre el agua y la superficie de las partículas del suelo restringe la posibilidad de moverse.
El agua del suelo contiene diversas sustancias orgánicas e inorgánicas; sería más preciso llamarlo “disolución del suelo”, cuya función es servir de almacén o despensa de la planta, proporcionando elementos nutrientes que están disueltos (calcio, potasio, etc.).
CLASIFICACIÓN DEL AGUA DEL SUELO
a) Desde el punto de vista biológico:
- Superficial o superflua: agua que llega al suelo pero que no es aprovechada por la planta porque se pierde(inocua)
- Asimilable: agua que queda retenida en los poros intermedios del suelo y puede ser tomada por la planta
- No asimilable: agua que se encuentra en los poros más pequeños del suelo y no puede ser tomada por la planta (suelos muy secos)
TIPOS DE AGUA
AGUA SUPERFLUA AGUA ASIMILABLE AGUA NO ASIMILABLE
Falta de oxígeno
Nitrificación
Pérdida nutrientes
Acidificacion
C.C. y P.M.
Alrededor de la molécula de agua se disponen otras cuatro moléculas de agua unidas por puentes de hidrógeno, dotando al agua de estructura tipo reticular.
PROPIEDADES DEL AGUA
El agua se caracteriza por:
ACCION DISOLVENTE Debido a la capacidad del agua para formar puentes de hidrógeno, se considera a este líquido el disolvente universal porque es el que más sustancias disuelve. En las disoluciones iónicas los iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua, siendo recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados. Por tanto tiene la capacidad de asociarse a otro tipo de moléculas, debido a su carácter dipolar. Esto ralentiza el movimiento de los iones.
ELEVADA FUERZA DE COHESIÓN Los puentes de hidrógeno mantienen tan fuertemente unidas a las moléculas de agua que hacen que sea un líquido casi incomprensible. Forman cuerpos de agua adherida a sí misma, las gotas.
TENSIÓN SUPERFICIAL La tensión superficial, σ: influye en gran manera en el comportamiento del agua en el suelo en las interfases.σ = 7.27x10-2^ Jm-2^ a 20ºC.
ADHESIÓN El responsable de esta propiedad es el gran potencial de polaridad del agua. El agua generalmente es atraída y se mantiene adherida a otras superficies.
ACCIÓN CAPILAR Esta acción capilar, junto con las propiedades de adhesión y cohesión, es capaz de ascender por los conductos tubulares de pequeño tamaño. Algunos poros del suelo se pueden asimilar a tubos capilares. CALOR ESPECÍFICO ELEVADO Esta propiedad está relacionada con los puentes de hidrógeno. El calor específico elevado establece una marcada diferencia en la capacidad calorífica entre suelos secos y húmedos. (4.18 Jg-1K-1=4.18MJm-3K-1). El agua puede absorber o desprender
grandes cantidades de calor (sin experimentar grandes cambios en su temperatura) que utiliza para romper los puentes de hidrógeno por lo que la temperatura se eleva muy lentamente.
CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN MUY ELEVADO Para evaporar agua hay que romper los enlaces por puentes de hidrógeno y proporcionar a las moléculas la energía cinética suficiente para pasar de la fase líquida a la gaseosa. Para evaporar un gramo de agua son necesarias 540 calorías, a una temperatura de 20ºC y a presión de 1 atm.
CALOR LATENTE DE FUSIÓN ELEVADO (0.34MJKg-1)
PUNTO DE FUSIÓN ELEVADO Debido a los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua en estado sólido. A 760 mm de mercurio el punto de fusión del agua pura es de 0ºC.
ELEVADA CONSTANTE DIELÉCTRICA
BAJO GRADO DE IONIZACIÓN
PUNTO DE EBULLICIÓN DE 100ºC
CRISTALIZA EN EL SISTEMA HEXAGONAL Cristaliza en el sistema hexagonal (nieve o hielo). Al congelarse aumenta su volumen, por eso la densidad del hielo es menor que la del agua líquida y por ello el hielo flota en el agua líquida.
DENSIDAD 100 gramos por litro aunque varía con la temperatura, alcanzándose el máximo alrededor de 277 K (unos 4ºC) con una densidad a esa temperatura de 0. g/cm
FORMAS O TIPOS DEL AGUA EN EL SUELO
El agua del suelo es aquella que para la mayoría de los fines prácticos puede ser extraída por desecación hasta peso constante en estufa de 110ºC.
El agua se puede presentar de varias formas en el suelo, pero no existe un límite claro entre ellas, ya que depende de la base de la que se parta para determinarlas.
En las zonas poco húmedas el agua se encuentra fuertemente retenida en la superficie de las partículas del suelo, es agua que no disuelve y posee un calor específico inferior al del agua libre. Por encima se encuentra el agua retenida (no libre) y por último, en la zona de las humedades todavía más
Cuando la pendiente es muy débil o nula y la permeabilidad de los horizontes profundos decrece, no permitiendo de este modo la evacuación del agua de gravitación, todos los poros del suelo están ocupados por el agua, parte de la cual circula lateralmente a velocidad muy lenta, formándose entonces una capa de agua superficial. Esta capa de agua superficial sólo subsiste durante los periodos lluviosos. En los periodos secos se agota por evaporación y por drenaje profundo muy lento (capa de agua suspendida temporal).
Agua retenida por el suelo durante la filtración de las lluvias que ocupa los poros medios y finos (tamaño inferior a 10μm aprox.). Las fuerzas capilares y de absorción se oponen a la fuerza de la gravedad. El agua retenida se subdivide en dos: o El agua capilar absorbible por las raíces, que ocupa los poros medios donde forma <> en las partículas sólidas. o El agua ligada (agua de absorción) forma una película fina en la superficie de las partículas del suelo) poros finos, diámetro < 0.2μm). Esta agua es retenida tan fuertemente que no puede ser absorbida por las raíces de las plantas.
Veamos ahora una serie de términos comúnmente utilizados
1. Capacidad de retención de agua. ¿agua asimilable?
Corresponde al máximo de agua que el suelo puede retener en las condiciones donde su drenaje esté libremente asegurado. Representa el almacenaje de agua del suelo. Se produce después de las precipitaciones atmosféricas cuando el agua gravitacional abandona el suelo, por tanto podemos decir que es la cantidad de agua retenida en el suelo después de drenar el agua de gravedad. Depende de su microporosidad, por tanto depende de su estructura y textura.
Pero dado que durante este periodo también se producen pérdidas por evaporación, absorción de plantas, etc., es muy fácil de medir.
La capacidad de retención de agua disponible (CRAD) es el intervalo de humedad disponible que se define como el agua del suelo que puede ser absorbida a un ritmo adecuado para permitir el crecimiento normal de las plantas. Se suele calcular como la diferencia entre los valores de la capacidad de campo y el punto de marchitamiento permanente (lo veremos más adelante).
La CRAD es ampliamente utilizada con fines forestales, como uno de los factores estimadores de las disponibilidades de agua para las plantas. Se utiliza también como criterio en la producción de cultivos y forraje.
En definitiva, la capacidad de retención de suelos afecta a los patrones espaciales y temporales del agua disponible para plantas, por lo cual la capacidad de retención puede llegar a controlar la producción y la composición de plantas de alguna región.
2. Capacidad máxima
Cuando todos los poros del suelo están llenos de agua debido a la lluvia o al riego, se dice que el suelo está saturado con respecto al agua y a su máxima capacidad de retención. El potencial matricial es cercano a cero, casi el mismo que el del agua pura. El contenido volumétrico de agua es esencialmente el mismo que la porosidad total. El suelo continuará con su capacidad de retención máxima solo mientras el agua continúe infiltrándose. El agua en los poros más grandes se filtra hacia abajo, bajo la acción de fuerzas gravitatorias. Se le denomina agua libre o gravitacional. Cuando
El suelo se encuentra en su capacidad de campo cuando:
- El suelo contiene la máxima cantidad en agua útil para las plantas. El agua restante permanecerá en el suelo durante un pequeño periodo de tiempo antes de drenarse.
- El suelo se encuentra cerca de los valores del límite plástico (humedad expresada como porcentaje de la masa de suelo seco en horno, de un suelo remoldeado en el límite entre los estados plásticos y semisólido). El suelo se comporta como un semisólido.
- Suficiente espacio entre poros está lleno de aire, lo que permite una oxigenación óptima para la mayoría de la actividad microbiana aeróbica presente en dicho suelo y también permite el crecimiento de la mayoría de las plantas.
El contenido de humedad del suelo en este punto puede determinarse para determinar el valor de su microporosidad. Ha de tenerse en cuenta que la humedad del suelo se expresa como la cantidad de agua por 100 gramos de suelo seco.
A partir de la densidad aparente del suelo se puede calcular el volumen que ocupa una determinada masa así como el volumen de agua, que coincide con el volumen de los microporos, dada su equivalencia peso-volumen.
Richards y Wadleigh en 1952 definieron la capacidad de campo así: Medida la humedad en el campo dos días antes de acabar de llover, se obtiene una cifra en exceso que corresponde a la capacidad de retención aumentada por una parte de agua de gravitación de desagüe lento.
Por tanto, si no hay impedimentos (Ej.: horizontes impermeables) el exceso de agua se elimina por gravedad como agua de drenaje, ocupando el aire los huevos grandes. En ese momento se está a la capacidad de campo. Es decir, define la cantidad de agua que permanece en el suelo después que ha cesado el flujo gravitacional rápido.
5. Coeficiente (o punto) de marchitez
El secado es bastante lento, especialmente si la superficie del suelo está cubierta para reducir la evaporación. Sin embargo si las plantas están creciendo en el suelo sacarán el agua desde la zona con raíces, y el suelo continuará secándose.
Las raíces extraen primero el agua de los poros grandes y después progresivamente de los más pequeños. Por eso, cada vez es más difícil para las plantas sacar el agua del suelo al ritmo suficiente para satisfacer sus necesidades. Mientras que el suelo se seca, el ritmo con el que la planta va extrayendo el agua de los poros puede no coincidir con el ritmo que la propia planta necesita, tal y como hemos dicho anteriormente, para satisfacer sus necesidades, por tanto la planta puede empezar a marchitarse durante el día para conservar la humedad.
Al principio, las plantas recuperaran su rigidez por la noche cuando el agua no esté perdiéndose por las hojas y las raíces pueden alcanzar las exigencias de la planta. Al final, la planta permanecerá marchitada noche y día.
El agua que contiene el suelo en esta etapa se llama coeficiente de marchitez y por convenio cuando se alcanza un potencial matricial de 1500 KPa las plantas ya no pueden absorber más agua y se produce la marchitez de estas si no hay suministro.
No obstante, el suelo parecerá seco aunque quede algo de agua en los microporos más pequeños y en capas muy delgadas (láminas) alrededor de partículas individuales del suelo.
Se distinguen dos tipos de marchitez:
Los factores que afectan al uso del agua asimilable son:
Factores externos:
o Número de plantas: Cuanto mayor sea el número de plantas en una superficie, mayor será la cantidad de agua que requieran para subsistir. o El clima: Según la temperatura y humedad del aire así podrá encontrarse agua aprovechable en el suelo o puede encontrarse confinada de tal forma que sea imposible darle ningún uso. o Resistencia a las sequías. o Cuanto mayor sea la tasa de crecimiento de las plantas, mayor será la cantidad de agua que retengan en la zona radicular. (Si hay más plantas, también se retendrá más agua en la zona radicular).
Factores internos: o Tensión de humedad: Presión negativa (succión) a la que debe someterse el agua para lograr el equilibrio hidráulico, a través de una pared o membrana porosa y permeable, respecto del agua del suelo. o Concentración salina. o Espesor del suelo y tipos de horizontes.
Ejemplos en relación a la textura son:
Los suelos arenosos tienen muy baja capacidad de campo. Casi toda su humedad es agua útil pues la cantidad de agua en el punto de marchitamiento es muy pequeño. El agua se encuentra localizada entre los puntos de contacto de los granos de arena, constituyendo una especie de puentes entre las partículas arenosas. Los suelos arcillosos tienen muy alta capacidad de campo, pero gran cantidad de agua inútil en punto de marchitamiento. En los suelos limosos el agua constituye una capa pelicular de moléculas enérgicamente unidas alrededor de cada partícula elemental; contribuye a asociar estas partículas en agregados; reviste partículas; llena una parte de los poros. Los suelos de granulometrías equilibradas presentan buenas características al componerse los efectos de las arenas y las arcillas.
6. Punto de ruptura del enlace capilar
Cuando el suelo se encuentra a su capacidad de retención, el agua solo se elimina por evaporación o por succión de las raíces de las plantas. Este hecho solo se da a unos centímetros de la superficie que es donde se produce un fácil intercambio con la atmósfera libre.
El agua que se encuentra a mayor profundidad llega a estos primeros centímetros por debajo de la superficie por ascensión capilar (lo hemos visto en las propiedades del agua) debido a las diferencias de potencial matricial que se van creando.
A menor diferencia de potencial, menor velocidad de suministro de agua a dicha profundidad del suelo. Este hecho hace que el lazo capilar se rompa en algún determinado momento y cese el aporte de agua a la superficie. Esto es lo que se conoce como punto de ruptura del lazo capilar.
Dicho de otra manera, en el ciclo de la desecación del suelo en la cual los vegetales y la evaporación actúan de una forma activa, se observa que la humedad disminuye. La capa de agua que envuelve los agregados y las partículas del suelo se hace cada vez más delgada y las moléculas que la constituyen son más fuertemente retenidas por las fuerzas de enlace. La delgada capa de agua prácticamente continua reviste como una red las partículas y agregados del suelo hasta que llega un momento en que se fragmenta y se vuelve discontinua, este es el punto de ruptura del enlace capilar que definieron los edafólogos rusos, quienes creían que los movimientos del agua y la alimentación de la planta son difíciles cuando la capa pelicular está rota.
En el punto de ruptura del enlace capilar, las raíces aun pueden absorber el agua que se encuentra a su alcance, pero esta ya no es reemplazada por otra aportación suministrada por las partes más húmedas del suelo, o por lo menos los desplazamientos del agua son tan lentos que la planta reduce su crecimiento. Esta es la razón por la cual en la agricultura intensiva cuando se practica el riego, se busca cada vez más el mantener en el suelo una humedad superior a la correspondiente a la ruptura del enlace capilar; este fenómeno se produce por un contenido ordinariamente 70% de la capacidad de retención. El punto de ruptura es por tanto un punto muy importante en el desecamiento del suelo.
la ósmosis, o la atracción del agua hacia los iones y otros solutos dando lugar a fuerzas osmóticas, tiende a reducir el estado de energía del agua en la solución del suelo. El movimiento osmótico del agua pura a través de una membrana semipermeable hacia una solución (osmosis) es evidencia de que el estado de energía del agua de la solución es más bajo.
la gravedad , que siempre tira del agua hacía abajo. El nivel de energía del agua del suelo a una cierta elevación en el perfil es, así pues, superior que el nivel del agua a una elevación inferior.
La diferencia en el nivel de energía hace que el agua fluya. En efecto, la diferencia en el nivel de energía del agua de un lugar o una condición (ejemplo en suelo húmedo) a otro (ejemplo en suelo seco) determina la dirección y velocidad del movimiento del agua en suelos y en plantas.
En suelos húmedos la mayor parte del agua se queda en los poros grandes o en gruesas capas de agua alrededor de las partículas. Por tanto la mayor parte de las moléculas de agua en un suelo húmedo, no están muy cerca de la superficie de las partículas y por tanto los sólidos de los suelos no las retienen con fuerza. En esta condición, las moléculas de agua tienen bastante libertad de movimiento, así que su nivel de energía es casi el mismo que el del agua pura de un estanque que esté fuera del suelo.
Sin embargo, en suelos secos, el agua que queda se encuentra localizada en poros pequeños, en finas capas de agua y es por tanto retenido firmemente por los sólidos del suelo.
Por tanto, las moléculas en un suelo más seco tienen poca libertad de movimiento y su nivel de energía es bastante inferior que el de las moléculas de agua en el suelo húmedo. Si juntamos muestras de suelo seco con muestras de suelo húmedo el agua se moverá del suelo húmedo (estado de energía superior) al suelo seco (energía inferior).
Para predecir cómo se moverá el agua en los suelos comparamos el estado de energía del agua del suelo en un cierto lugar del perfil con el del agua pura bajo presión y temperatura estándar, sin ninguna influencia del suelo y situada en una elevación de referencia. La diferencia en el nivel de energía entre esta agua pura en el estado de referencia y el del agua del suelo es lo que se llama “potencial de agua del suelo”. Tanto el término “potencial” como el término “presión” implican una diferencia en el estado de energía. El
agua se moverá de una zona del suelo que tenga un “potencial de agua del suelo” superior a otra que tenga un “potencial de agua del suelo” inferior.
El potencial de agua del suelo se debe a varias fuerzas, cada una de ellas es un componente del potencial total del agua del suelo Ψt. Estos componentes se deben a diferencias en los niveles de energía que resultan de fuerzas de gravitación, fuerzas matriciales, fuerzas hidrostáticas sumergidas y fuerzas osmóticas y que se llaman ¨potencial gravitacional¨ Ψg, “potencial matricial” Ψm, “potencial de sumergencia” y “potencial osmótico¨ Ψo, respectivamente. Todos estos componentes actúan simultáneamente para influenciar en el comportamiento del agua en el los suelos.
La relación general del potencial del agua del suelo al potencial de los niveles de energía se muestra en la siguiente figura y se puede expresar mediante una suma: Ψt = Ψg + Ψm + Ψo + ……
Los puntos suspensivos (….) indican la posible contribución de potenciales adicionales que aún no se han mencionado
Expresión de los niveles de energía
Se pueden usar varias unidades para expresar las diferencias en los niveles de energía del agua del suelo.
La atracción del agua a la superficie de los sólidos ocasiona el “potencial mátrico¨, Ψm, que siempre es negativo porque el agua, atraída por la matriz del suelo tiene un estado de energía menor que el del agua pura. (A estas presiones negativas a veces se las llama succión o tensión). El potencial mátrico funciona en suelos no saturados sobre el nivel freático, mientras que el “potencial de sumergencia” funciona en suelos no saturados sobre el nivel freático.
Mientras que cada una de estas presiones son importantes en situaciones específicas. El “potencial mátrico¨ es importante en todos los suelos no saturados porque hay interacciones omnipresentes entre los sólidos del suelo y el agua. El movimiento del agua del suelo, la disponibilidad del agua para las plantas, y las soluciones de muchos problemas de ingeniería civil, son determinados en gran parte por el potencial matricial. Debido a esto el potencial matricial junto al potencial gravitacional y al potencial osmótico son muy relevantes.
El potencial mátrico Ψm que resulta del fenómeno de adhesión (o absorción) y de la capilaridad, influye en la retención de humedad del suelo y también en el movimiento del agua del suelo.
Las diferencias del Ψm en dos zonas adjuntas de un suelo facilitan el movimiento del agua desde las zonas húmedas (alto estado de energía) hacia las zonas secas (bajo nivel de energía) o desde los poros grandes hacia los poros pequeños. Aunque este movimiento sea lento, es sumamente importante, especialmente para suministrar agua a las raíces de las plantas.
Potencial osmótico
El potencial osmótico Ψo se atribuye a la presencia de solutos en la solución del suelo. Los solutos pueden ser sales inorgánicas o compuestos orgánicos. Su presencia reduce el potencial de energía del agua, debido principalmente a la reducida libertad de movimiento
de las moléculas del agua que se amontonan alrededor de cada ión o molécula del soluto. Cuanto más grande sea la concentración de solutos, mas se reduce el potencial osmótico. Como siempre, el agua tenderá a moverse hacia donde el nivel de energía sea más bajo, en este caso hacia la zona de mayor concentración de solutos. Sin embargo el agua líquida se moverá de acuerdo a las diferencias de potencial osmótico (el proceso llamado osmosis) sólo si existe una membrana semipermeable entre las zonas de alto y bajo potencial osmótico, dejando que el agua pase, pero impidiendo el movimiento del soluto. Si no existiera esta membrana, se movería el soluto en vez del agua para equilibrar concentraciones. Como las zonas del suelo no están normalmente separadas por membranas, el potencial osmótico, Ψo, tiene poco efecto sobre la mayor parte del movimiento de agua en los suelos. El efecto mayor lo tiene sobre la toma de agua por las células de las raíces de las plantas, que están aisladas de la solución del suelo por sus membranas semipermeables. En suelos con un alto contenido de sales solubles, Ψo, puede ser menor (tener un valor negativo mayor) en la solución del suelo que en las células de las raíces de las plantas. Esto presenta dificultades para que las plantas tomen el agua. En suelos muy salados, el potencial osmótico del agua del suelo puede ser lo suficientemente bajo como para hacer que las células en las plantas se colapsen* cuando el agua se mueve de las células a la zona del suelo de menor potencial osmótico.
El concepto de pF
El suelo retiene el agua, por tanto, con una energía variable: moderada para el agua capilar absorbible y fuerte para el agua ligada no absorbible. Esta fuerza de retención depende, por una parte, de la cantidad de agua retenida y, por otra parte, de la superficie de las partículas sólidas; cuando la cantidad de agua disminuye en el suelo, la fuerza de succión aumenta. Para una determinada cantidad de agua, cuanto más fina es la granulometría, la fuerza de succión es mayor.
