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ÁGUA NO SOLO:
CARACTERÍSTICAS E
COMPORTAMENTO
A água é um componente essencial para todos os seres vivos. Embora seja uma das mais simples substâncias químicas da natureza, possui propriedades únicas que promovem uma ampla variedade de processos físicos, químicos e biológicos. Estes processos influenciam consideravelmente quase todos os aspectos do desenvolvimento e comportamento do solo, desde o intemperismo dos minerais à decomposição da matéria orgânica e, do crescimento das plantas à contaminação do lençol freático. A água é familiar a todos nós. Nós bebemos, lavamos, nadamos e irrigamos nossas culturas com ela. Mas a água que bebemos é completamente diferente da água no solo. No solo, a água está intimamente associada com partículas sólidas, particularmente àquelas de tamanho coloidal. A interação entre água e sólidos do solo altera o comportamento de ambos. A água promove a expansão e contração das partículas do solo, a aderência e a formação estrutural dos agregados. A água participa de inúmeras reações químicas que liberam ou retêm nutrientes, criam acidez ou intemperizam minerais de modo que seus elementos constituintes eventualmente contribuem para a salinidade dos oceanos. A atração às superfícies sólidas restringe o movimento livre das moléculas de água, proporcionando um comportamento menos líquido e mais sólido. No solo, a água pode movimentar-se tanto ascendentemente como descendentemente. As plantas podem murchar e morrer em um solo cujo perfil contenha um milhão de quilos de água por hectare. Uma camada de areia e cascalho no perfil do solo pode inibir a drenagem, tornando os horizontes superficiais saturados durante grande parte do ano. Estes e outros fenômenos da água no solo parecem contradizer nossos conhecimentos sobre o comportamento da água. As interações solo - água influenciam muitas funções ecológicas e práticas de manejo do solo. Estas interações determinam quanto da água da chuva infiltra através do solo ou escorre sobre sua superfície. O controle desses processos determina o movimento de substâncias químicas para os lençóis subterrâneos e de substâncias químicas e partículas erodidas para rios e lagos. As interações afetam a taxa de água perdida através da lixiviação e evapotranspiração, o balanço entre ar e água nos poros do solo, a taxa de variação na temperatura do solo, a taxa e o tipo de metabolismo dos organismos do solo e a capacidade do solo em armazenar e disponibilizar água para as plantas. Os princípios apresentados neste capítulo são fundamentais para um conhecimento do funcionamento do sistema solo.
2.1. Estrutura e Propriedades da Água
A habilidade da água em influenciar diversos processos do solo é determinada principalmente pela sua estrutura molecular. Esta estrutura também é responsável pelo fato de que a água é um líquido, e não um gás em temperaturas encontradas na Terra. A água é, com exceção do mercúrio, a única substância inorgânica (sem carbono) líquida encontrada na Terra. A água é um composto simples, suas moléculas individuais contêm um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio muito menores. Os elementos são ligados covalentemente, cada átomo de hidrogênio compartilhando seu único elétron com o oxigênio.
Polaridade
O arranjo dos três átomos na molécula de água não é simétrico. Ao invés dos átomos estarem arranjados linearmente (H-O-H), os átomos de hidrogênio são ligados ao oxigênio em um arranjamento em
forma de V com um ângulo de apenas 105º. Como mostrado na Figura 2.1, isto resulta em uma molécula assimétrica com os pares de elétrons compartilhados passando mais tempo próximos ao oxigênio do que ao hidrogênio. Consequentemente, a molécula da água exibe polaridade, isto é, as cargas não são igualmente distribuídas. Pelo contrário, o lado no qual os átomos de hidrogênio estão localizados tende a ser eletropositivo e o lado oposto eletronegativo. O fato de que a água é constituída de moléculas polares é responsável por muitas propriedades que fazem com que ela desempenhe funções únicas no ambiente do solo. A polaridade ajuda a explicar como moléculas de água interagem entre si. Cada molécula de água não atua independentemente, mas está ligada a outras duas moléculas vizinhas. O hidrogênio (positivo) na extremidade de uma molécula atrai o oxigênio (negativo) de outra, resultando em um agrupamento em cadeia (polímero). Devido a união de suas moléculas, a água tem um ponto de ebulição alto, quando comparado a outros líquidos de baixo peso molecular (por exemplo, álcool metílico). A polaridade também explica porque moléculas de água são atraídas por íons carregados eletrostaticamente e à superfícies coloidais. Cátions tais como H+, Na+, K+^ e Ca2+^ tornam-se hidratados devido a sua atração pelo oxigênio (negativo) na extremidade da molécula de água. Do mesmo modo, superfícies de argila carregadas negativamente atraem a água, através do hidrogênio (positivo) na extremidade da molécula. A polaridade também promove a dissolução de sais na água, pelo fato de que os componentes iônicos têm maior atração pelas moléculas de água do que entre si. Quando moléculas de água são atraídas por íons carregados eletrostaticamente ou pelas superfícies das partículas de argila, elas se tornam mais próximas do que na água pura. Neste estado de arranjamento seu movimento livre é restrito e seu estado de energia é menor do que na água pura. Assim, quando íons ou partículas de argila tornam-se hidratados, energia deve ser liberada. Esta liberação de energia é evidenciada como o calor de solução, quando íons são hidratados, ou como calor de umedecimento, quando as partículas de argila são umedecidas. Este último fenômeno pode ser demonstrado colocando-se um pouco de argila seca na palma da mão e adicionando algumas gotas de água, um pequeno aumento na temperatura pode ser sentido.
Pontes de Hidrogênio
Através das pontes de hidrogênio, um átomo de hidrogênio pode ser compartilhado entre dois átomos eletronegativos tais como O e N, formando uma ligação de relativamente baixa energia. Devido à sua alta eletronegatividade, um átomo de oxigênio em uma molécula de água exerce atração pelo átomo de hidrogênio na molécula vizinha. Este tipo de ligação é responsável pela polimerização da água. As pontes de hidrogênio também são responsáveis pelos altos, ponto de ebulição, calor específico e viscosidade da água, em comparação com as mesmas propriedades de outros compostos hidrogenados, tais como H 2 S, que possui alto peso molecular mas não apresenta pontes de hidrogênio. Estas pontes também são responsáveis pela rigidez estrutural de alguns cristais de argila e pela estrutura de alguns compostos orgânicos, tais como proteínas.
Coesão versus adesão
As pontes de hidrogênio determinam as duas forças básicas responsáveis pela retenção e movimento da água no solo: a atração entre moléculas de água (coesão) e atração das moléculas de água pelas superfícies sólidas (adesão). Pela adesão (também chamada adsorção), algumas moléculas de água são firmemente retidas nas superfícies das partículas sólidas do solo. Por sua vez, estas moléculas de água retidas por adesão retém por coesão outras moléculas de água mais distantes das superfícies sólidas (Figura 2.2). Juntas, as forças de adesão e coesão tornam possível que as partículas sólidas do solo retenham água, controlando seu movimento e uso. A adesão e coesão também tornam possível a plasticidade das argilas.
FIGURA 2.2 As forças de coesão (entre moléculas de água) e adesão (entre água e superfícies sólidas) em um sistema solo - água. Essas forças são, em grande parte, resultado das pontes de hidrogênio representadas pelas linhas pontilhadas. A força de adesão ou adsorção diminui rapidamente com a distância da superfície sólida. A coesão entre moléculas de água resulta na formação de agrupamentos temporários que estão constantemente mudando de tamanho e forma, a medida que moléculas individuais de água são liberadas ou se unem à outras. A coesão entre moléculas de água também faz com que a fase sólida restrinja indiretamente a liberdade do movimento da água até determinada distância, além da interface sólido - líquido.
FIGURA 2.3 Forças comparativas atuando nas moléculas de água na superfície e abaixo dela. As forças que atuam abaixo da superfície são iguais em todas as direções, pelo fato de que cada molécula de água é igualmente atraída por todas moléculas vizinhas. Entretanto, na superfície a atração do ar pelas moléculas de água é muito menor do que das moléculas de água entre si. Consequentemente, há uma força descendente nas moléculas superficiais que resulta em um efeito semelhante à um filme comprimido ou membrana contrátil. Este fenômeno é chamado tensão superficial.
Mecanismo da Capilaridade
A capilaridade pode ser demonstrada colocando-se a extremidade de um tubo fino de vidro, limpo, na água. A água subirá no tubo; quanto menor o diâmetro do tubo maior a altura de ascensão. As moléculas de água são atraídas pelas paredes do tubo (adesão) e começam a se espalhar ao longo da superfície de vidro em resposta a esta atração. Ao mesmo tempo, as forças coesivas mantêm as moléculas de água unidas e criam uma tensão superficial, causando uma curvatura da superfície (menisco), na interface entre água e ar (Figura 2.5c). A menor pressão sob o menisco (P2) permite que a maior pressão (P1) sobre a água livre empurre a água através do tubo. O processo continua até que a água no tubo tenha se erguido o suficiente para que seu peso equilibre a diferença de pressão através do menisco (para maiores detalhes veja o Quadro 2.1). A altura de ascensão em um tubo capilar é inversamente proporcional ao raio r do tubo. A ascensão capilar é também inversamente proporcional a densidade do líquido e, diretamente proporcional à tensão superficial do líquido e ao grau de atração adesiva à superfície sólida. Se considerarmos o líquido como sendo água, a 20°C, podemos usar uma equação simples para calcular a altura de ascensão capilar h:
h = 0, r
Onde h e r são expressos em centímetros. Esta equação evidencia que quanto menor o diâmetro do tubo, maior a força capilar, e maior a ascensão da água no tubo (Figura 2.6a).
FIGURA 2.4 Diariamente podem ser constadas evidências da tensão superficial da água (acima) como insetos deslocando- se sobre a água, e forças de coesão e adesão (abaixo) como uma gota de água mantida entre os dedos (cortesia de R. Weil).
controle do movimento da água em poros pequenos, se tornará evidente quando abordarmos os conceitos de energia da água no solo.
2.3 Conceitos da Energia da Água no Solo
A retenção e o movimento da água no solo, sua absorção e translocação nas plantas, e sua perda para a atmosfera são fenômenos relacionados à energia. Diferentes tipos de energia estão envolvidos, incluindo energia potencial e cinética. A energia cinética é certamente um fator importante no movimento da água em um rio, mas o movimento da água nos solos é tão lento que o componente da energia cinética pode ser desprezado. A energia potencial é a mais importante na determinação do estado e movimento da água no solo. Por questão de simplicidade, usaremos neste texto o termo energia em referência à energia potencial. Ao considerarmos a energia, devemos ter em mente que todas as substâncias, incluindo a água, tendem à se mover ou mudar de um estado de maior energia para um de menor. Portanto, se conhecermos os níveis de energia em diferentes pontos no solo, pode-se prever a direção do movimento. São as diferenças nos níveis de energia entre locais vizinhos que influenciam o movimento da água.
Forças que afetam a energia potencial
A discussão sobre estrutura e propriedades da água nas seções anteriores, sugere três importantes forças afetando o nível de energia da água no solo. Em primeiro lugar a adesão ou a atração da água pelos sólidos do solo (matriz), promovem uma força mátrica (responsável pela adsorção e capilaridade) que reduz consideravelmente o estado de energia da água próximo às superfícies das partículas. Em segundo lugar, a atração da água aos íons e outros solutos, resulta em forças osmóticas, que tendem a reduzir o estado de energia da água na solução do solo. O movimento osmótico da água pura através de uma membrana semi- permeável em direção a uma solução (osmose) é uma evidência do menor estado de energia da água na solução. A terceira principal força que atua sobre a água no solo é a gravidade, que sempre puxa a água para baixo. O nível de energia da água no solo a uma dada elevação no perfil é maior do que da água a um nível inferior. Essa diferença de energia faz com que a água flua descendentemente.
Potencial da água no solo
A diferença entre os níveis de energia de um local ou condição (por exemplo, solo úmido) para outro (por exemplo, solo seco) determina a direção e a taxa de movimento da água no solo e nas plantas. Em solo úmido, a maior parte da água é retida nos poros maiores ou como filmes espessos de água envolvendo as partículas. Assim, a maioria das moléculas de água em um solo úmido não estão muito próximas da superfície das partículas e, desse modo, não são fortemente retidas pelos sólidos do solo (matriz). Nessa condição, as moléculas de água possuem uma considerável liberdade de movimento, então seu nível de energia é próximo ao da água pura. Por outro lado, em um solo seco, a água remanescente é localizada nos poros menores e em finos filmes de água, sendo fortemente retida pelos sólidos do solo. Assim as moléculas de água em um solo seco possuem pouca liberdade de movimento, e o seu nível de energia é muito menor que o da água em solos úmidos. Se amostras de solo úmido e seco são colocadas em contato, a água se movimentará do solo úmido (maior estado de energia) para o solo seco (menor estado de energia). A determinação do nível absoluto de energia da água no solo é uma tarefa difícil e muitas vezes, impossível. Felizmente, não é necessário conhecer o nível absoluto de energia da água para predizer como será seu movimento no solo e no ambiente. O conhecimento dos valores relativos de energia da água no solo é suficiente. Normalmente, o estado de energia da água num determinado local do perfil é comparado ao da água pura a pressão e temperatura constantes, sem a influência do solo e localizada em uma altura de referência. A diferença entre os níveis de energia da água pura no estado de referência e a água no solo é chamada potencial da água no solo (Figura 2.8), o termo potencial, do mesmo modo que o termo pressão, implica em uma diferença no estado de energia. Se todos os valores do potencial da água considerados têm um ponto de referência comum, (o estado de energia da água pura), as diferenças no potencial da água entre duas amostras de solo refletem a diferença em seus níveis absolutos de energia. Isso significa que a água se moverá de uma zona do solo possuindo um alto potencial para outra que tenha menor potencial. Este fato deve ser considerado sempre que se abordar o comportamento da água do solo.
QUADRO 2.1 - O MECANISMO DA CAPILARIDADE
A ação da capilaridade é devida às forças combinadas de adesão e coesão, como verificado quando uma gota de água é colocada sobre uma superfície sólida. Substâncias sólidas que possuem uma superfície eletronegativa (devida por exemplo, aos átomos de oxigênio nos tetraedros de silício, presentes no quartzo ou vidro) atraem fortemente a extremidade eletropositiva do hidrogênio H na molécula de água. Essas substâncias são chamadas hidrofílicas (afinidade pela água), pois a atração das moléculas de água pelas superfícies sólidas (adesão) é maior que a atração entre as moléculas de água (coesão), a adesão fará com que uma gota de água colocada sobre uma superfície sólida hidrofílica, como vidro limpo, se espalhe ao longo desta superfície formando assim um ângulo agudo (< 90°) entre a interface água-ar e superfície sólida (Figura 2.5a). Esse ângulo de contato é específico para interações entre diferentes substâncias líquidas e sólidas (exemplo: água e vidro). Quanto maior a atração das moléculas de água pela superfície sólida, mais próximo de zero será o ângulo de contato. Por outro lado, moléculas de água colocadas sobre uma superfície hidrofóbica (que repele a água) adquirem forma esférica. O ângulo de contato resultante é obtuso (> 90°), indicando que a adesão não é tão forte quanto a coesão (Figura 2.5b). Se ao invés de uma superfície plana e uma gota d’água, considerarmos um tubo de diâmetro reduzido, de vidro limpo, colocado sobre a água, a adesão fará com que a água se espalhe sobre a superfície, formando o mesmo ângulo de contato α com o vidro, como observado no caso da gota d’água. Ao mesmo tempo, a coesão entre as moléculas de água cria uma tensão superficial, que faz com que uma superfície curva (chamada menisco), se forme na interface entre água e ar no interior do tubo (Figura 2.5c). Se o ângulo de contato é próximo a zero, a curvatura do menisco será semelhante a um semi círculo. A interface curva entre a água e ar faz com que a pressão seja menor no lado convexo (P2, Figura 2.5c) do que no lado côncavo do menisco. A pressão atmosférica (P1) atua sobre o menisco e a superfície livre da água no recipiente. Pelo fato da pressão no menisco P2 ser menor que a pressão na superfície livre da água, a água é empurrada no interior do tubo capilar. A ascensão da água no tubo se dará até que o menisco alcance uma altura h, no qual o peso da água no tubo equilibra a diferença de pressão P2-P1. Nesta condição, as forças empurrando a água no tubo estarão em equilibro com as forças puxando-a para baixo. As forças ascendentes são determinadas pelo produto da tensão superficial (T), o comprimento da superfície de contato entre o tubo e o menisco (circunferência do tubo = 2πr) e o componente ascendente dessa força (cos α). As forças descendentes são determinadas pelo produto da densidade da água (d), o volume da água acima da superfície livre (hπr^2 ) e a aceleração da gravidade g. Deste modo, quando a ascensão capilar cessa, temos a seguinte igualdade:
Forças ascendentes = Forças descendentes T x 2πr x cos α = d x h x πr^2 g
Note que se o raio do tubo tivesse metade do diâmetro (0,5r), a força de ascensão seria reduzida à metade, mas as forças descendentes seriam 0,25 vezes maiores (0,5r)^2 = 0,5r * 0,5r = 0,25r) assim, a ascensão seria o dobro. Esta é a razão pela qual a ascensão capilar é maior em tubos de menor diâmetro. A equação de equilíbrio entre as forças ascendentes e descendentes pode ser matematicamente rearranjadas isolando-se a altura de ascensão capilar:
h = 2 T cosα / rdg
A maior parte das interações entre água e sólidos no solo é do tipo hidrofílica como mostrado na Figura 2.5 a e c. A atração entre água e superfície das partículas do solo é normalmente tão forte, que o ângulo de contato é muito próximo a zero, fazendo com que o coseno seja aproximadamente igual a 1. O cos α pode então ser ignorado sob tais circunstâncias. Os outros três fatores que afetam a ascensão capilar (T, d e g) são constantes a uma dada temperatura e podem ser combinados em uma única constante. Assim, a equação simplificada da capilaridade, pode ser escrita da seguinte forma:
h (cm) = 0,15 (cm^2 ) / r (cm)
Como esperado, a ascensão capilar só ocorrerá se o tubo for feito de material hidrofílico. Se um tubo hidrofóbico (por exemplo um tubo encerado) é colocado dentro de um recipiente com água, o menisco será convexo, ao invés de côncavo, e deste modo ocorrerá a depressão capilar (Figura 2.5 d ). Esta situação ocorre em certas camadas de solo que repelem a água.
FIGURA 2.7 Como mostra a imagem à esquerda, a água move-se ascendentemente no sulco de irrigação por capilaridade. A foto à direita ilustra o movimento horizontal da água em ambos os lados do sulco de irrigação.
Potencial gravitacional
A força gravitacional atua na água do solo do mesmo modo que em qualquer outro corpo, sendo a atração gravitacional em direção ao centro da Terra. O potencial gravitacional Ψg da água do solo pode ser expresso matematicamente como:
Ψ g = gh
Onde g é a aceleração da gravidade e h é a altura da ascensão da água no solo acima do nível de referência. O nível de referência é normalmente escolhido dentro do perfil ou no seu limite inferior, para assegurar que o potencial gravitacional da água no solo, acima do ponto de referência, seja sempre positivo. Após chuvas pesadas ou irrigação, a gravidade desempenha um papel importante na remoção do excesso de água dos horizontes superficiais e no reabastecimento do lençol freático abaixo do perfil de solo.
Potencial de Pressão e Mátrico
Este componente considera os efeitos de todos os fatores com exceção da gravidade e concentração da solução. Incluindo (1) a pressão hidrostática positiva, ocasionada pelo peso da água em solos saturados e aqüíferos e (2) a pressão negativa causada pelas forças de atração entre a água e os sólidos do solo ou a matriz do solo^2. A pressão hidrostática é responsável pelo que é chamado de potencial de pressão (Ψp), um componente que só é considerado em áreas saturadas. Qualquer pessoa que tenha mergulhado até o fundo de uma piscina pode sentir a ação da pressão hidrostática nos ouvidos. A atração da água pelas superfícies sólidas é responsável pelo que é chamado de potencial mátrico (Ψm), o qual é sempre negativo, pois a água atraída à matriz do solo tem estado de energia menor que o da água pura. Estas pressões negativas são algumas vezes chamadas de sucção ou tensão. O potencial mátrico ocorre em condições não saturadas, acima do lençol freático, enquanto o potencial de pressão se aplica a condições saturadas ou abaixo do lençol freático (Figura 2.10).
(^2) Além das forças mátricas e hidrostáticas em algumas situações o peso da sobrecarga e a pressão do ar também
contribuem para o potencial total da água no solo.
FIGURA 2.8 Relação entre energia potencial da água pura em um estado de referência padrão (pressão, temperatura e elevação) e da água no solo. Se a solução no solo contém sais e outros solutos, a atração mútua entre as moléculas de água e estas substâncias químicas reduz a energia potencial da água, o grau de redução é chamado de potencial osmótico. Do mesmo modo, a atração mútua entre os sólidos do solo e as moléculas de água no solo também reduz a energia potencial da água. Neste caso, a redução é chamada potencial mátrico. Como estas interações reduzem o nível de energia da água com relação ao da água pura, as mudanças no nível de energia (potencial osmótico e mátrico) são considerados em valores negativos. Por outro lado, mudanças no estado de energia devidas à ação da gravidade (potencial gravitacional) são sempre positivas. Isto ocorre porque o nível de referência da água pura é propositadamente estabelecido em um local no perfil do solo abaixo do ponto considerado. Uma raiz de planta ao absorver água do solo úmido deve superar as três forças simultaneamente.
FIGURA 2.9 Se considerarmos o potencial mátrico, osmótico ou gravitacional (como na figura) a água sempre se movimenta para onde o estado energético é menor. Neste caso a energia perdida pela água é usada para movimentar uma roda para moer farinha (Foto cortesia de R. Weil).
Pelo fato das zonas do solo não serem separadas por membranas, o potencial osmótico (Ψo) tem pouco efeito sobre o movimento em massa da água no solo. Seu principal efeito se dá sobre a absorção de água pelas células das raízes das plantas, que estão isoladas da solução do solo pelas suas membranas celulares semi-permeáveis. Em solos com alta concentração de sais solúveis, o Ψo pode ser mais baixo (ter um alto valor negativo) na solução de solo do que nas raízes das plantas. Isto leva a restrições na absorção de água pelas plantas. Em solos muito salinos, o potencial osmótico da água no solo pode ser tão baixo que causará o colapso (plasmólise) das células em plântulas jovens, a medida que a água sai das células em direção a uma zona de menor potencial osmótico, no solo. O movimento aleatório das moléculas de água faz com que algumas delas escapem de um volume de água, entrem na atmosfera, e se tornem vapor d’água. Como a presença de solutos restringe o movimento das moléculas, algumas delas escapam com o aumento da concentração de solutos. Deste modo, a pressão de vapor da água é menor no ar sobre água salina do que no ar sobre água pura. Por afetar a pressão de vapor da água, o potencial osmótico afeta o movimento de vapor d’água nos solos. O processo de osmose e a relação entre os componentes mátrico e osmótico do potencial total de água no solo, são mostrados na Figura 2.11.
FIGURA 2.11 Relações entre os potenciais: osmótico, mátrico, e a combinação de ambos. Assumindo um recipiente com solo separado da água pura por uma membrana permeável apenas à água (veja o detalhe mostrando a osmose através da membrana) (esquerda). A água pura é conectada a uma vasilha de mercúrio através de um tubo. A água se moverá para o solo em resposta às forças mátricas que a atraem aos sólidos do solo e as forças osmóticas que atraem a água aos solutos. No equilíbrio, a altura da coluna de mercúrio acima do nível da vasilha A é a medida dos potenciais da água no solo (mátrico mais osmótico). Assumindo um segundo recipiente colocado entre a água pura e o solo, separado do solo por uma fina tela permeável a solutos e água (direita). Os íons se moverão para o solo deste segundo recipiente até a que concentração de solutos na água e no solo tenha se equilibrado. Então a diferença entre as energias potenciais da solução e da água pura fornece uma medida do potencial osmótico. O potencial mátrico , como medido pela coluna de mercúrio acima da vasilha B , seria então a diferença entre os componentes do potencial de água no solo, combinados, e o potencial osmótico. O potencial gravitacional (não mostrado) é o mesmo para todos os recipientes e não afeta o movimento de água por este ser na direção horizontal. [Modificado de Richards (1965)]
Unidades dos níveis de Energia
Diversas unidades podem ser usadas para expressar as diferenças nos níveis de energia da água no solo. Uma delas é a altura de uma coluna de água (normalmente em centímetros). Já abordamos esta forma de expressão desde que, o termo h da equação da capilaridade indica o potencial mátrico da água em um poro capilar. Uma segunda unidade é a pressão atmosférica padrão ao nível do mar, que é igual a 760 mm Hg ou 1020 cm de água. A unidade chamada bar é aproximada a pressão atmosférica padrão. A energia pode ser expressa por unidade de massa (joules kg-1) ou por unidade de volume (newton m-2). No sistema internacional de unidades (SI), 1 Pascal (Pa) eqüivale a 1 Newton (N) agindo sobre uma área de 1 m^2. Neste texto será adotada a unidade Pa ou quilopascal (kPa) para expressar o potencial da água no solo. Como em outras publicações podem ser adotadas outras unidades, a Tabela 2.1 mostra as transformações para outras unidades comumente utilizadas, que expressam o potencial da água no solo.
2.4 Conteúdo de Umidade e Potencial da Água no Solo
A discussão prévia sugere uma relação inversa entre o conteúdo de água no solo e a energia com que a água é retida no solo. A água flui mais facilmente de um solo úmido para outro com menor umidade. Muitos fatores afetam a relação entre o potencial da água no solo (Ψ) e o conteúdo de umidade (θ).
Umidade do Solo versus Potencial Mátrico
A relação entre o potencial da água no solo (Ψ) e conteúdo de água (θ) de três solos com diferentes texturas é mostrada na Figura 2.12. Tais curvas são também conhecidas como curva característica de retenção de água no solo ou simplesmente curva característica. A forma suavizada das curvas indica uma mudança gradual no potencial da água no solo, com o aumento do conteúdo de água e vice-versa. O solo argiloso retém muito mais água, a um determinado potencial, do que o solo franco ou o arenoso. Deste modo, a um dado conteúdo de água, ela é retida mais fortemente no solo argiloso do que nos outros dois, (note que o potencial da água no solo é plotado em escala logarítmica). A quantidade de argila no solo determina a proporção de microporos. Como veremos, quase metade da água retida por solos argilosos, está firmemente retida nos microporos e não está disponível para as plantas. A textura do solo exerce uma influência significativa sobre a retenção de umidade no solo. A estrutura do solo também influencia a relação entre o conteúdo de água e energia. Um solo bem estruturado possui maior porosidade total e maior capacidade de retenção de água do que um mal estruturado ou que tenha sido compactado. Quanto maior a porosidade total maior a capacidade de retenção de água. Além disso, o aumento na porosidade de solos bem estruturados é resultado principalmente de uma maior quantidade de macroporos, nos quais a água é retida com pouca energia. Solos compactados retêm menor quantidade total de água, tendo maior proporção de poros pequenos e médios que retém água com maior energia do que os poros maiores. Assim, a estrutura do solo influencia predominantemente o formato da curva característica, nos potenciais entre 0 e 100 kPa. O formato da porção restante da curva é geralmente influenciado pela textura do solo. As curvas características de água no solo (Figura 2.12) possuem significado prático para vários processos e medidas de campo. Estas curvas serão úteis quando considerarmos os aspectos aplicados do comportamento da água no solo, nas seções seguintes.
Histerese
A relação entre conteúdo de água no solo e potencial, determinada à medida que o solo seca, será diferente da mesma relação determinada à medida que o solo é reumedecido. Esse fenômeno, conhecido como histerese , é ilustrado na Figura 2.13. A histerese é causada por vários fatores, incluindo a desuniformidade dos poros do solo. Quando o solo é umedecido, alguns dos poros de menor tamanho não são preenchidos, deixando ar aprisionado, o que impede a entrada da água. Alguns macroporos em um solo podem estar cercados apenas por microporos, criando um efeito gargalo de garrafa. Neste caso, o macroporo não será drenado até que o potencial mátrico seja baixo o suficiente para esvaziar os poros menores que o cercam (Figura 2.13). Também a expansão e contração de argilas, à medida que o solo seca e é reumedecido, provoca mudanças na estrutura do solo que afetam as relações entre solo e água. Devido ao fenômeno da histerese, é
FIGURA 2.13 A relação entre conteúdo de água e potencial mátrico de um solo à medida que ele seca e é umedecido. O fenômeno, conhecido como histerese , é aparentemente devido a fatores como desuniformidade dos poros, ar aprisionado, expansão e contração que podem afetar a estrutura do solo. As ilustrações menores mostram o efeito da desuniformidade dos poros.
Medidas do Estado de Energia da Água no Solo
A curva característica da água no solo, discutida anteriormente, evidencia a importância de duas medidas da água no solo: a quantidade de água presente (conteúdo de água) e o estado de energia da água (potencial da água no solo). Para entender ou manejar o suprimento e movimento da água no solo é essencial ter informações (diretas ou indiretas), de ambos os tipos de medidas. Por exemplo, o potencial da água no solo indicará se a água se moverá em direção ao lençol freático, mas, sem o conhecimento do conteúdo de água no solo, não poderíamos conhecer a contribuição deste movimento na alteração dos níveis do lençol freático. Geralmente, o comportamento da água no solo é mais intimamente relacionado ao estado de energia da água, e não a sua quantidade. Assim, um solo argiloso e uma areia franca se encontrarão úmidos e facilmente fornecerão água às plantas a um ψm em torno de -10 kPa. Entretanto, a quantidade de água retida por um solo franco argiloso e o tempo que este é capaz de fornecer água às plantas seria muito maior a este potencial do que para a areia franca.
Consideraremos diferentes métodos para realização destes dois tipos de medida da água no solo. Pesquisadores, técnicos e engenheiros podem combinar estes métodos no estudo da armazenagem e movimento da água no solo, no manejo de sistemas de irrigação e para predizer o comportamento físico do solo.
Medida do conteúdo de água
O conteúdo volumétrico de água θ é definido como o volume de água presente em um dado volume de solo seco (normalmente 1 m^3 ) (Figura 2.12). Uma expressão comparável é o conteúdo gravimétrico de água θ m , ou a massa de água presente em uma dada massa de solo seco (normalmente 1 kg). Estas expressões têm vantagens em diferentes usos. Na maioria dos casos usaremos o conteúdo volumétrico de água θ. Devido ao fato de, no campo, considerarmos o sistema radicular das plantas explorando uma certa profundidade do solo e, por expressarmos a precipitação (e às vezes irrigação) como uma altura de água (mm de chuva), é conveniente expressar o conteúdo volumétrico de água no solo como uma razão entre altura de água por profundidade de solo. Convenientemente, os valores numéricos destas duas expressões são os mesmos. Por exemplo, para um solo contendo 0,1 m^3 de água por m^3 de solo (10 % do volume) esta razão é igual a 0,1 m de água por metro de profundidade de solo^3.
Método Gravimétrico - O método gravimétrico é uma medição direta do conteúdo de umidade do solo e é o método padrão pelo qual todos os indiretos são calibrados. A água presente em uma dada massa (e, volume, se a densidade do solo é conhecida) de solo seco é determinada. Uma amostra de solo úmido é pesada e então seca em estufa à temperatura de 105 ºC por aproximadamente 24 horas^4 e então pesada novamente. A massa perdida representa o conteúdo de água. O Quadro 2.2 fornece exemplos de como θ e θm podem ser calculados. O método gravimétrico é um método destrutivo (uma amostra de solo deve ser removida para cada medida) e não pode ser automatizado, tornando-o assim pouco adequado para monitorar mudanças na umidade do solo. Muitos outros métodos indiretos de medida do conteúdo de água não são destrutivos, são facilmente automatizados e muito úteis no campo (Tabela 2.2).
Moderação de Nêutrons – Uma sonda de nêutrons, colocada no solo através de um tubo de acesso previamente instalado (Figura 2.14), contêm uma fonte de nêutrons rápidos e um detector de nêutrons lentos. Quando os nêutrons rápidos colidem com os átomos de hidrogênio (a maioria é parte das moléculas de água), eles reduzem sua velocidade e são dispersos. O número de nêutrons lentos medidos pelo detector corresponde ao conteúdo de água do solo. Uma vez que estes medidores tenham sido calibrados para o solo em questão, eles são versáteis e dão medidas precisas, em solos minerais (Tabela 2.2). Entretanto, em solos orgânicos, o método é menos preciso porque os nêutrons colidem com átomos de hidrogênio, combinados às substâncias orgânicas, ao invés da água.
Método eletromagnético - Uma técnica relativamente recente, conhecida como reflectometria de microondas (TDR – Time domain reflectometry) mede dois parâmetros; (1) o tempo necessário para que um impulso eletromagnético se propague através de duas barras de transmissão paralelas, de metal, enterradas no solo e (2) o grau de dissipação do impulso quando ele colide com o solo. O tempo de movimento está relacionado à constante dielétrica do solo, que é proporcional à quantidade de água. A dissipação do sinal está relacionada a concentração de sais na solução do solo. Assim, salinidade e conteúdo de umidade podem ser medidos utilizando o TDR.
(^3) Quando se mede quantidade de água adicionada ao solo por irrigação, é comum utilizar unidades de volume como m (^3) e
hectare-metro (o volume de água que cobriria um hectare de terra na profundidade de 1 m). Geralmente os agricultores nas regiões irrigadas dos EUA utilizam as unidades inglesas pé^3 ou acre-pé (o volume de água necessário para cobrir um acre de terra a profundidade de 1 pé). (^4) Deve-se permitir tempo suficiente de secagem até que o solo pare de perder água e atinja uma massa constante. Para
economizar tempo, pode ser utilizada uma estufa de microondas. Em torno de 12 pequenas amostras de solo (20 g cada) em beckers de vidro podem ser secas em uma mesa giratória em uma estufa de microondas de 1000 W, utilizando-se três ou mais períodos de 3 minutos com a potência ajustada para alta.
Tabela 2.2 Métodos para medida da água no solo
Note que mais de um método pode ser necessário para abranger toda a amplitude de variação da umidade no solo. Medidas de água no solo Utilização Método Conteúdo Potencial
Amplitude útil (kPa) Campo Laboratório
Comentários
- Gravimétrico x 0 a < -10000 x
Amostragem destrutiva; lenta (1 a 2 dias) exceto com utilização de microondas. Método padrão para calibração.
- Blocos de resistência elétrica
x -100 a <-1500 x
Pode ser automatizado; não é sensível a conteúdos de umidade próximos ao ótimo para as plantas.
- Moderação de nêutrons x^ 0 a <-1500^ x
Necessita licença para o uso (radiação); equipamento de alto custo; apresenta deficiências em solos com alto teor em matéria orgânica; requer tubo de acesso.
- Reflectometria de microondas (TDR)
x 0 a <-10000 x x
Pode ser automatizado; precisão de 1 kPa; requer guias de onda; instrumento de alto custo.
- Tensiômetro x 0 a -85 x
Precisão de 0,1 a 1 kPa; faixa limitada; barato; pode ser automatizado; necessita de manutenção periódica.
- Psicrômetro x 50 a <-10000 x x
Razoavelmente caro; ampla faixa de leitura; precisão de ±50 kPa.
- Câmara de pressão x^ 50 a <-10000^ x
Utilizado em conjunto com o método gravimétrico para construção da curva característica de água no solo.
Psicrômetro – Como as plantas devem superar forças mátricas e osmóticas ao absorver água do solo, muitas vezes é necessário um instrumento que meça ambas as forças. A umidade relativa do ar do solo é afetada pelas forças mátricas e osmóticas, as quais restringem a saída de moléculas da água no estado líquido. Em um psicrômetro, um par termo elétrico localizado em uma pequena (aproximadamente 5 mm) câmara porosa de cerâmica é resfriado o suficiente para provocar a condensação de uma gota de água do ar sobre este par. Quando a corrente é desligada, a gota de água evapora a uma taxa inversamente proporcional a umidade relativa do ar, a qual, por sua vez é relacionada ao potencial de umidade no solo. A voltagem gerada pela evaporação da gota de água é convertida em uma leitura de potencial de água no solo (ψm + ψo). O psicrômetro é mais útil em solos relativamente secos, onde a imprecisão de ±50 kPa envolve quantidades desprezíveis de água.
Câmara de pressão – Uma câmara de pressão (Figura 5.17) é utilizada para submeter o solo a potenciais mátricos tão baixos quanto –10.000 kPa. Após a aplicação de um potencial mátrico específico a um conjunto de amostras de solo, seu conteúdo de água é determinado gravimetricamente. Esta importante ferramenta de laboratório torna possível medidas precisas do conteúdo de água, em uma ampla faixa de potenciais mátricos,
em um tempo relativamente curto. Ela é usada em conjunto com a mesa de tensão, na obtenção de dados para construir curvas características de água no solo como mostrado na Figura 2.12.
Blocos de Resistência Elétrica – Este método utiliza pequenos blocos de gesso poroso, nylon, ou fibra de vidro devidamente incrustadas com eletrodos. Quando os blocos são colocados em solos úmidos eles absorvem água numa quantidade proporcional ao conteúdo de umidade do solo. A resistência ao fluxo de elétrons entre os eletrodos decresce proporcionalmente (Figura 2.18). A precisão e a amplitude da leitura destes dispositivos é limitada (Tabela 2.2). Entretanto, eles são de baixo custo e podem ser utilizados para medidas aproximadas no conteúdo de umidade do solo, durante uma ou mais estações de cultivo. É possível conectá-los a aparelhos eletrônicos para que sistemas de irrigação possam ser ativados e desativados automaticamente a conteúdos de umidade pré estabelecidos.
FIGURA 2.14 Como uma sonda de nêutrons funciona. A sonda contendo uma fonte de nêutrons rápidos e um detector de nêutrons lentos é colocada no solo através de um tubo de acesso. Os nêutrons são emitidos pela fonte (rádio ou amerício-berílio) a uma velocidade muito alta (nêutrons rápidos). Quando estes nêutrons colidem com átomo menores, tais como hidrogênios contidos na molécula de água, a direção do movimento é alterada e eles perdem parte da sua energia. Estes nêutrons lentos são medidos por um tubo detector. A leitura é relacionada ao conteúdo de umidade do solo. A fotografia mostra uma sonda de nêutron no campo. Um cilindro confeccionado em metal pesado protege o operador da radiação. Este protetor é colocado sobre o tubo de acesso de alumínio (canto inferior direito) e a fonte de nêutron é colocada no interior do tubo para a leitura (foto cortesia de R. Weil).
