3.3: Relaciones entre el suelo y el agua
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Objetivos de aprendizaje
- Comprender el efecto de la textura sobre el tamaño de poro y la capacidad de retención de agua
- Conocer las relaciones entre el potencial de humedad, el movimiento y la disponibilidad.
- Determinar el contenido de agua del suelo por peso y volumen.
- Mida la conductividad hidráulica saturada y comprenda los factores que influyen en las tasas de movimiento del agua.
- Explicar el funcionamiento de los dispositivos de monitoreo de humedad.
Las principales sequías recientes alrededor de Estados Unidos demuestran la importancia del uso eficiente del agua. Medir con precisión la cantidad de agua disponible para las plantas es esencial para determinar las tasas de riego y reducir la cantidad de agua desperdiciada. El contenido de agua del suelo se mide típicamente en el campo usando sensores de humedad del suelo, los cuales se discutirán con más detalle en el laboratorio de Medición y Movimiento del Agua del Suelo. Los resultados de cualquier sensor de humedad del suelo deben interpretarse usando una “relación agua del suelo”. Las relaciones entre el suelo y el agua son gráficas que representan un valor medido versus el contenido de agua del suelo, y pueden considerarse una calibración específica para un suelo en particular. En este laboratorio, se desarrollarán las relaciones entre el suelo y el agua para un suelo arcilloso y un suelo arenoso.
Materiales
- Dos suelos, un suelo arenoso y otro arcilloso, ambos secados al aire, molidos y pasados a través de un tamiz de 2 mm
- Charolas poco profundas capaces de contener agua a una profundidad de 5 cm
- Vasos de plástico
- Una herramienta (como una tachuelas) para perforar agujeros en la parte inferior de los vasos de plástico
- Papel de filtro o toallas de papel
- Tijeras
- Marcadores permanentes y cinta de etiquetas
- Balanzas de laboratorio precisas al 0.01 g más cercano
- Embarcaciones de pesaje
- Cucharadas de suelo
- Cilindros graduados
- Horno
- Latas de secado del suelo
Lectura Recomendada
- Módulo 5 — Relaciones con el agua de las plantas (Allison y Jones, 2005)
- Relaciones entre el suelo, el agua y las plantas (Rogers et al., 2014)
- Capacidad de Agua Disponible (USDA NRCS, 2008b)
Asignación Prelab
Usando los recursos de lectura recomendados y la introducción a este laboratorio, considere las preguntas que se enumeran a continuación. Estas definiciones/preguntas proporcionarán un resumen conciso de los principales conceptos a abordar en el laboratorio. Son útiles notas de estudio para exámenes.
- Defina el potencial hídrico del suelo en sus propias palabras.
- Definir y comparar el agua gravitacional, el agua disponible en la planta y el agua no disponible. Relacionar cada uno con los diferentes tamaños de poro (macro-, meso- y micro-).
- Identificar los valores de potencial mátrico (potencial hídrico del suelo) para saturación, capacidad de campo, punto de marchitamiento, secado al aire y suelo seco al horno.
- Comparar y contrastar el contenido de agua del suelo sobre una base de peso (masa) y una base de volumen. Muestra cómo convertir entre estos pesos y volúmenes.
- Las unidades comunes utilizadas para cuantificar el potencial de humedad son cm (de agua), barras y kPa. ¿Cuántos cm de agua hay en una barra? ¿Cuántos kPa en una barra? ¿Cuántos cm de agua en una kPa?
Introducción
La comprensión de las relaciones suelo-agua es esencial para el manejo adecuado del suelo con fines agronómicos u otros usos del suelo. El continuo suelo-agua-aire involucra principios de física, química y biología. El agua, que puede limitar el crecimiento de las plantas, es probablemente más importante para evaluar el uso del suelo, influyendo en las características del suelo para la mayoría de los usos
La retención y movimiento del agua en los suelos, su absorción y translocación en las plantas y su pérdida a la atmósfera son fenómenos relacionados con la energía. Las relaciones energéticas entre el agua libre y la humedad del suelo se expresan generalmente en términos de potenciales suelo-agua. Estos potenciales se describen en unidades de presión, generalmente kilopascales (kPa).
El contenido de agua y el potencial hídrico se relacionan como se muestra en la Figura 9.1 para cinco suelos de diferentes texturas. En general a medida que aumenta el contenido de arcilla, el contenido de agua del suelo aumenta para un potencial de humedad del suelo dado. La razón de esto es que los suelos arcillosos tienen una mayor porosidad, y pueden aferrarse a más agua a un potencial hídrico dado del suelo.
La relación entre el contenido de humedad del suelo y el potencial de humedad del suelo es un continuo. Sin embargo, para entender la disponibilidad de humedad de las plantas, dividimos el continuo en partes y le damos a cada parte un nombre o clasificación, como se muestra en la Figura 9.2 y se explica en la Tabla 9.1. Los puntos importantes en el continuo incluyen saturación, capacidad de campo, punto de marchitamiento, secado al aire y secado al horno. Por lo tanto, para una planta, la capacidad de campo y el punto de marchitamiento son los más importantes porque determinan la cantidad de agua disponible en la planta.
| Clases de Agua | Cálculo y Explicación |
|---|---|
| Agua gravitacional | contenido de agua en saturación — agua mantenida a capacidad de campo |
| agua que drena de los macroporos demasiado rápido para que las plantas la usen | |
| Planta de agua disponible | agua retenida en capacidad de campo — agua retenida en el punto de marchitamiento |
| agua en mesoporos | |
| Agua no disponible | agua retenida en el punto de marchitamiento |
| en su mayoría agua higroscópica retenida demasiado apretada en microporos para estar disponible en la planta |
Métodos para expresar el contenido de agua del suelo
El contenido de humedad de un suelo se puede expresar usando peso o volumen. El contenido de humedad medido usando peso se determina secando una muestra húmeda a un peso constante. La diferencia de pesos antes y después del secado representa el agua del suelo. El porcentaje se determina de la siguiente manera:
\[\text{Percent soil water by weight}=\frac{\text{mass of water}}{\text{mass of oven dry soil}}×100\text{%}\nonumber \]
Recuerda dividir por el peso seco del horno, no el peso húmedo.
Este enfoque se denomina análisis gravimétrico y produce el contenido gravimétrico de agua.
El contenido volumétrico de humedad se determina de la siguiente manera:
\[\text{Percent water by volume}=\frac{\text{volume of water}}{ \text{volume of soil}}×100\text{%}\nonumber \]
Los contenidos gravimétricos y volumétricos de agua no son iguales entre sí. Sin embargo, podemos usar densidad aparente para convertir de peso a volumen y viceversa.
Recordemos que la densidad aparente es:
\[\text{Bulk density}=\frac{\text{mass of oven dry soil}}{\text{volume of soil}}\nonumber \]
Recordemos también que la densidad del agua es de 1.0 g/cm 3, es decir, un 1.0 g de agua tiene un volumen de 1.0 cm 3.
Multiplicando medida de humedad del suelo por peso x rendimientos de densidad aparente:
\[\frac{\text{Mass of water}}{\text{Mass of oven dry soil}}\times\frac{\text{Mass of oven dry soil}}{\text{Volume of soil}}=\frac{\text{Mass of water}}{\text{Volume of soil}}= \frac{\text{Volume of water}}{\text{Volume of soil}}\nonumber \]
Por ejemplo, un suelo con una densidad aparente de 1.5 g/cm 3 y un contenido de agua de 30% medido usando peso tendrá un contenido volumétrico de agua de 45% (30 x 1.5 = 45).
El contenido volumétrico de agua es una medición útil. Primero, describe de manera más realista el ambiente de humedad de los sistemas de raíces de las plantas en crecimiento a medida que exploran un volumen dado de suelo. En segundo lugar, los valores volumétricos del agua se pueden convertir para representar el contenido de agua a una profundidad o grosor del suelo equivalente particular. Representar el agua a una profundidad específica cambia la expresión de un volumen (cm 3) a una expresión lineal (cm) del agua del suelo:
\[\text{Depth of soil}\times\text{ water content by volume}=\text{depth of water}\nonumber \]
Por ejemplo, una capa de suelo de 25 cm con un contenido volumétrico de agua del 20% (o 0.20 cuando se expresa como fracción decimal) contendría 5 cm de agua en la capa de suelo de 25 cm:
\[25\text{ cm soil}\times0.20=5\text{ cm of water}\nonumber \]
Actividad 1: Cálculos del Contenido de Humedad
Dos días después de una fuerte lluvia de remojo, se colectó una muestra de suelo. Durante dos días entre la lluvia y el muestreo, el agua gravitacional drenó de los suelos, por lo que el contenido de humedad del suelo estuvo a la capacidad de campo. Después de 10 días de clima caluroso y seco, las plantas del suelo comenzaron a marchitarse y se colectó una segunda muestra. Estas dos muestras de suelo se pesaron, se secaron al horno y se volvieron a pesar. El suelo tuvo una densidad aparente de 1.3 g/cm 3. Se colectaron los siguientes datos:
| Muestra | Estado de humedad | Peso húmedo | Peso en secado al horno |
|---|---|---|---|
| 1 | Capacidad de campo (2 días después de la lluvia) | 160 g | 128 g |
| 2 | Punto de marchitamiento (10 días después de la lluvia) | 170 g | 156 g |
Calcula las siguientes cantidades. Los cálculos de los datos de la Muestra 1 se muestran como ejemplo.
¿Cuál es el porcentaje de agua en peso (contenido gravimétrico de agua) en cada muestra?
\[\begin{align*} \text{Sample 1 percent water by weight} &=\dfrac{(160\text{ g}-128\text{ g})}{128\text{ g}}×100\text{%}=25\text{%} \\[4pt] \text{Sample 2 percent water by weight} &= \end{align*} \]
¿Cuál es el porcentaje de agua por volumen (contenido volumétrico de agua) en cada muestra?
\[\begin{align*} \text{Sample 1 percent water by volume} &= \frac{1.3\text{ g}}{\text{cm}^3}\times25\text{%}=33\text{%} \\[4pt] \text{Sample 2 percent water by volume} &= \end{align*}\]
¿Qué porcentaje de agua por peso está disponible en la planta (diferencia entre capacidad de campo y punto de marchitamiento)?
¿Cuántos centímetros de agua disponible para plantas podrían mantenerse en una capa de 50 cm de este suelo?
Cuando el contenido de agua del suelo está en el punto de marchitamiento, ¿qué tan profundo mojaría este suelo una lluvia de 3 cm? (Supongamos que no hay escurrimiento) CONSEJO: El espacio para el almacenamiento de agua sin escorrentía incluiría volumen de agua hasta capacidad de campo. Por lo tanto, la diferencia de volumen entre el punto de marchitamiento y la capacidad de campo indicaría cuán profundamente el suelo puede absorber la lluvia.
Actividad 2: Medición de la Humedad del Suelo en Saturación, Capacidad de Campo y Punto de Marchitamiento
Los pasos 1-10 siguientes se completaron en un laboratorio previo. El objetivo de esta actividad es examinar la influencia de la textura y densidad en la capacidad de retención de agua y la distribución del tamaño de poro, el estado de humedad de los diferentes materiales del suelo será monitoreado a través de un ciclo de secado. Cada grupo de laboratorio será responsable de dos suelos y un tratamiento (AD, WP, FC y S). Su instructor de laboratorio le asignará el tratamiento. Completarás el experimento en ambos suelos.
- Etiquete una taza vacía de la siguiente manera:
- Número de sección de laboratorio
- Tipo de Suelo: Arenoso o Arcilloso
- Tratamiento:
- AD (secado al aire)
- WP (punto de marchitamiento)
- FC (capacidad de campo)
- S (saturado)
- Perforar ocho pequeños agujeros en la parte inferior de la copa.
- Corte un trozo de toalla de papel y colóquelo en el fondo de la taza para evitar que la tierra caiga a través de los agujeros.
- Pesar el vaso vacío y la toalla de papel, y registrar el valor en la hoja de datos.
- Coloque una taza en la balanza, tara el peso de la taza y agregue exactamente 50 g de tierra. Golpee suavemente la taza en la mesa de laboratorio para asentar la tierra.
- Necesitamos conocer el volumen de suelo en las copas para poder calcular la densidad aparente. Llena otra taza (¡sin agujeros!) con agua al mismo nivel que el suelo en las copas. Vierta el agua en un cilindro graduado y registre el valor en la ficha técnica (suponga 1 ml = 1 cm 3).
- Obtenga los datos del otro suelo de los grupos de laboratorio con el otro suelo.
- Calcular y registrar la densidad aparente.
- Coloque cuidadosa y lentamente las tazas WP, FC y S en el agua en los platos para permitir que la tierra se sature de abajo hacia arriba. Su instructor de laboratorio retirará las tazas WP mañana y las dejará secar durante 6 días. Las copas FC se retirarán en 6 días y se dejarán escurrir por 1 día. Las copas S permanecerán en el agua toda la semana.
- Coloque la taza AD en la sartén sin agua.
Ahora completa el ejercicio pesando todas las tazas de tierra. Reste el peso de la taza vacía y anote en la hoja de datos del maestro del instructor. El instructor proporcionará un compuesto de los datos en la pizarra para su sección siguiente al resumen del experimento. Se entregará una hoja de trabajo de laboratorio en clase, para que pueda completar cálculos basados en los datos que compiló su grupo de laboratorio. Complete esta hoja de trabajo y entréguela en el siguiente periodo de laboratorio.
| Hoja de datos del experimento | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Peso de taza vacía + toalla [g] | ____________g | |||||
| Peso del suelo [g] | ____________g | |||||
| Suelo Arenoso | Suelo Arcilloso | |||||
| Volumen de agua en taza (es decir, volumen de suelo) | ____________cm^3 | ____________cm^3 | ||||
| Densidad aparente | ____________g/cm^3 | ____________g/cm^3 | ||||
| Peso de la muestra | ||||||
| Suelo Arenoso | Suelo Arenoso | Suelo Arcilloso | Suelo Arcilloso | |||
| Tratamiento | Código | Clase de humedad | Copa + Suelo | Suelo | Copa + Suelo | Suelo |
| Secado en horno | OD | Secar al horno | ||||
| Nunca Húmedo | ANUNCIO | Secar al aire | ||||
| Drenado 6 días | WP | Punto de marchitamiento | ||||
| Drenado 1 día | FC | Capacidad de campo | ||||
| Nunca Drenado | S | Saturado |
Asignación: Resumen de laboratorio
Para este laboratorio, estarás preparando un resumen de laboratorio. La tarea se le proporcionará al inicio del laboratorio.