La humedad del suelo es el contenido de agua del suelo . Puede expresarse en términos de volumen o peso. La medición de la humedad del suelo puede basarse en sondas in situ (por ejemplo, sondas de capacitancia , sondas de neutrones ) o métodos de detección remota .
El agua que ingresa a un campo se elimina de un campo por escorrentía , drenaje , evaporación o transpiración . [1] La escorrentía es el agua que fluye en la superficie hasta el borde del campo; el drenaje es el agua que fluye a través del suelo hacia abajo o hacia el borde del campo subterráneo; La pérdida de agua por evaporación de un campo es la parte del agua que se evapora a la atmósfera directamente desde la superficie del campo; la transpiración es la pérdida de agua del campo por su evaporación de la propia planta.
El agua afecta la formación , la estructura , la estabilidad y la erosión del suelo , pero es una preocupación principal con respecto al crecimiento de las plantas. [2] El agua es esencial para las plantas por cuatro razones:
- Constituye el 80% -95% del protoplasma de la planta .
- Es fundamental para la fotosíntesis .
- Es el disolvente en el que se transportan los nutrientes hacia, dentro y por toda la planta.
- Proporciona la turgencia por la cual la planta se mantiene en la posición adecuada. [3]
Además, el agua altera el perfil del suelo al disolver y volver a depositar solutos y coloides minerales y orgánicos , a menudo en niveles más bajos, un proceso llamado lixiviación . En un suelo franco , los sólidos constituyen la mitad del volumen, el gas un cuarto del volumen y el agua un cuarto del volumen del cual solo la mitad estará disponible para la mayoría de las plantas, con una fuerte variación según el potencial matricial . [4]
Un campo inundado drenará el agua gravitacional bajo la influencia de la gravedad hasta que las fuerzas adhesivas y cohesivas del agua resistan un mayor drenaje, momento en el que se dice que ha alcanzado la capacidad de campo . [5] En ese momento, las plantas deben aplicar succión [5] [6] para extraer agua del suelo. El agua que las plantas extraen del suelo se llama agua disponible . [5] [7] Una vez que el agua disponible se utiliza hasta que la humedad restante se llama agua disponible ya que la planta no puede producir suficiente succión para extraer que el agua. Al 15 de succión bar, punto de marchitamiento , semillas no germinan, [8] [ 5] [9] las plantas comienzan a marchitarse y luego mueren a menos que puedan recuperarse después de la reposición de agua gracias a adaptaciones específicas de la especie. [10] El agua se mueve en el suelo bajo la influencia de la gravedad , la ósmosis y la capilaridad . [11] Cuando el agua ingresa al suelo, desplaza el aire de los macroporos interconectados por flotación y rompe los agregados en los que queda atrapado el aire, un proceso llamado apagado . [12] La velocidad a la que un suelo puede absorber agua depende del suelo y de sus otras condiciones. A medida que una planta crece, sus raíces primero eliminan el agua de los poros más grandes ( macroporos ). Pronto, los poros más grandes retienen solo aire, y el agua restante se encuentra solo en los poros de tamaño intermedio y más pequeño ( microporos ). El agua en los poros más pequeños está tan fuertemente sujeta a las superficies de las partículas que las raíces de las plantas no pueden arrancarla. En consecuencia, no toda el agua del suelo está disponible para las plantas, con una fuerte dependencia de la textura . [13] Cuando está saturado, el suelo puede perder nutrientes a medida que el agua se drena. [14] El agua se mueve en un campo de drenaje bajo la influencia de la presión donde el suelo está saturado localmente y por capilaridad tira hacia las partes más secas del suelo. [15] La mayoría de las necesidades de agua de las plantas se abastecen de la succión causada por la evaporación de las hojas de las plantas ( transpiración ) y una fracción menor se suministra por la succión creada por las diferencias de presión osmótica entre el interior de la planta y la solución del suelo. [16] [17] Las raíces de las plantas deben buscar agua y crecer preferentemente en micrositios de suelo más húmedo, [18] pero algunas partes del sistema radicular también pueden volver a humedecer las partes secas del suelo. [19] La insuficiencia de agua dañará el rendimiento de un cultivo. [20] La mayor parte del agua disponible se utiliza en la transpiración para atraer nutrientes a la planta. [21]
El agua del suelo también es importante para la modelización climática y la predicción meteorológica numérica. El Sistema de Observación del Clima Global especificó el agua del suelo como una de las 50 Variables Climáticas Esenciales (ECV). [22] El agua del suelo se puede medir in situ con sensores de humedad del suelo o se puede estimar a partir de datos satelitales y modelos hidrológicos. Cada método presenta ventajas y desventajas y, por tanto, la integración de diferentes técnicas puede reducir los inconvenientes de un único método determinado. [23]
Retención de agua
El agua se retiene en un suelo cuando la fuerza adhesiva de atracción que los átomos de hidrógeno del agua tienen por el oxígeno de las partículas del suelo es más fuerte que las fuerzas cohesivas que el hidrógeno del agua siente por otros átomos de oxígeno del agua. [24] Cuando un campo se inunda, el espacio poroso del suelo se llena completamente de agua. El campo drenará bajo la fuerza de la gravedad hasta que alcance lo que se llama capacidad de campo , momento en el que los poros más pequeños se llenan de agua y los más grandes de agua y gases. [25] La cantidad total de agua retenida cuando se alcanza la capacidad de campo es una función del área de superficie específica de las partículas del suelo. [26] Como resultado, los suelos con alto contenido de arcilla y alto contenido orgánico tienen mayores capacidades de campo. [27] La energía potencial del agua por unidad de volumen relativa al agua pura en condiciones de referencia se denomina potencial hídrico . El potencial hídrico total es una suma del potencial matricial que resulta de la acción capilar , el potencial osmótico para suelos salinos y el potencial gravitacional cuando se trata de la dirección vertical del movimiento del agua. El potencial hídrico en el suelo suele tener valores negativos y, por tanto, también se expresa en succión , que se define como el potencial hídrico negativo. La succión tiene un valor positivo y puede considerarse como la fuerza total necesaria para extraer o expulsar el agua del suelo. El potencial hídrico o la succión se expresan en unidades de kPa (10 3 pascal ), bar (100 kPa) o cm H 2 O (aproximadamente 0.098 kPa). El logaritmo común de succión en cm H 2 O se llama pF. [28] Por lo tanto, pF 3 = 1000 cm = 98 kPa = 0,98 bar.
Las fuerzas con las que se retiene el agua en el suelo determinan su disponibilidad para las plantas. Las fuerzas de adhesión retienen el agua fuertemente a las superficies minerales y de humus y menos fuertemente a sí misma por fuerzas cohesivas. La raíz de una planta puede penetrar un volumen muy pequeño de agua que se adhiere al suelo e inicialmente ser capaz de extraer agua que solo es retenida ligeramente por las fuerzas cohesivas. Pero a medida que la gota desciende, las fuerzas de adhesión del agua a las partículas del suelo producen una succión cada vez mayor , finalmente hasta 1500 kPa (pF = 4,2). [29] A una succión de 1500 kPa, la cantidad de agua del suelo se denomina punto de marchitez . En esa succión, la planta no puede satisfacer sus necesidades de agua ya que el agua todavía se pierde de la planta por transpiración, la turgencia de la planta se pierde y se marchita, aunque el cierre de los estomas puede disminuir la transpiración y, por lo tanto, puede retrasar el marchitamiento por debajo del punto de marchitez , en particular. bajo adaptación o aclimatación a la sequía. [30] El siguiente nivel, llamado secado al aire, ocurre a una succión de 100,000 kPa (pF = 6). Finalmente, la condición de secado en horno se alcanza con una succión de 1.000.000 kPa (pF = 7). Toda el agua por debajo del punto de marchitez se llama agua no disponible. [31]
Cuando el contenido de humedad del suelo es óptimo para el crecimiento de las plantas, el agua de los poros grandes e intermedios puede moverse por el suelo y ser utilizada fácilmente por las plantas. [13] La cantidad de agua que queda en un suelo drenado hasta la capacidad de campo y la cantidad disponible son funciones del tipo de suelo. El suelo arenoso retendrá muy poca agua, mientras que la arcilla retendrá la cantidad máxima. [27] El agua disponible para el franco limoso podría ser del 20%, mientras que para la arena podría ser solo del 6% en volumen, como se muestra en esta tabla.
Textura de la tierra | Punto de marchitez | Capacidad de campo | Agua disponible |
---|---|---|---|
Arena | 3.3 | 9.1 | 5.8 |
Franco arenoso | 9.5 | 20,7 | 11,2 |
Marga | 11,7 | 27,0 | 15,3 |
Franco limoso | 13,3 | 33,0 | 19,7 |
Franco arcilloso | 19,7 | 31,8 | 12,1 |
Arcilla | 27,2 | 39,6 | 12,4 |
Los anteriores son valores promedio para las texturas del suelo.
Flujo de agua
El agua se mueve a través del suelo debido a la fuerza de la gravedad , la ósmosis y la capilaridad . A una succión de cero a 33 kPa ( capacidad de campo ), el agua se empuja a través del suelo desde el punto de su aplicación bajo la fuerza de la gravedad y el gradiente de presión creado por la presión del agua; esto se llama flujo saturado. A mayor succión, el movimiento del agua es atraído por capilaridad desde un suelo más húmedo hacia un suelo más seco. Esto se debe a la adhesión del agua a los sólidos del suelo y se denomina flujo insaturado. [33] [34]
La infiltración y el movimiento del agua en el suelo están controlados por seis factores:
- Textura de la tierra
- Estructura del suelo. Los suelos de textura fina con estructura granular son más favorables a la infiltración de agua.
- La cantidad de materia orgánica. La materia gruesa es mejor y si está en la superficie ayuda a prevenir la destrucción de la estructura del suelo y la formación de costras.
- Profundidad del suelo a capas impermeables como chapas o lecho de roca
- La cantidad de agua que ya está en el suelo.
- Temperatura del suelo. Los suelos cálidos absorben agua más rápido, mientras que los suelos congelados pueden no ser capaces de absorber dependiendo del tipo de congelación. [35]
Las tasas de infiltración de agua oscilan entre 0,25 cm por hora para suelos con alto contenido de arcilla y 2,5 cm por hora para arena y estructuras de suelo bien estabilizadas y agregadas. [36] El agua fluye a través del suelo de manera desigual, en forma de los llamados "dedos de gravedad", debido a la tensión superficial entre las partículas de agua. [37] [38]
Las raíces de los árboles, vivas o muertas, crean canales preferenciales para que el agua de lluvia fluya a través del suelo, [39] aumentando las tasas de infiltración del agua hasta 27 veces. [40]
Las inundaciones aumentan temporalmente la permeabilidad del suelo en los lechos de los ríos , lo que ayuda a recargar los acuíferos . [41]
El agua aplicada a un suelo es empujada por gradientes de presión desde el punto de su aplicación donde está saturado localmente, a áreas menos saturadas, como la zona vadosa . [42] [43] Una vez que el suelo está completamente mojado, más agua se moverá hacia abajo o se filtrará fuera del rango de las raíces de las plantas , llevando consigo arcilla, humus, nutrientes, principalmente cationes y varios contaminantes , incluidos pesticidas , contaminantes , virus y bacterias , que pueden causar la contaminación del agua subterránea . [44] [45] En orden de solubilidad decreciente, los nutrientes lixiviados son:
- Calcio
- Magnesio, azufre, potasio; dependiendo de la composición del suelo
- Nitrógeno; generalmente poco, a menos que se haya aplicado recientemente un fertilizante nitrato
- Fósforo; muy poco, ya que sus formas en el suelo son de baja solubilidad. [46]
En los Estados Unidos, el agua de filtración debido a la lluvia varía desde casi cero centímetros al este de las Montañas Rocosas hasta cincuenta o más centímetros por día en las Montañas Apalaches y la costa norte del Golfo de México. [47]
El agua es arrastrada por acción capilar debido a la fuerza de adhesión del agua a los sólidos del suelo, produciendo un gradiente de succión del suelo húmedo al más seco [48] y de macroporos a microporos . [ cita requerida ] La llamada ecuación de Richards permite el cálculo de la tasa temporal de cambio del contenido de humedad en los suelos debido al movimiento del agua en suelos insaturados . [49] Curiosamente, esta ecuación atribuida a Richards fue publicada originalmente por Richardson en 1922. [50] La ecuación de la velocidad de la humedad del suelo , [51] que se puede resolver utilizando el método de flujo de zona vadosa de contenido de agua finito , [52] [53 ] describe la velocidad del agua que fluye a través de un suelo no saturado en dirección vertical. La solución numérica de la ecuación de Richardson / Richards permite el cálculo del flujo de agua insaturada y el transporte de solutos utilizando software como Hydrus , [54] proporcionando parámetros hidráulicos del suelo de funciones hidráulicas ( función de retención de agua y función de conductividad hidráulica insaturada) y condiciones iniciales y de contorno. . El flujo preferencial ocurre a lo largo de macroporos interconectados, grietas, canales de raíces y gusanos, que drenan el agua por gravedad . [55] [56] Muchos modelos basados en la física del suelo ahora permiten alguna representación del flujo preferencial como un continuo dual, doble porosidad o opciones de doble permeabilidad, pero estos generalmente se han "atornillado" a la solución de Richards sin ningún sustento físico riguroso. . [57]
Captación de agua por las plantas
De igual importancia para el almacenamiento y movimiento del agua en el suelo es el medio por el cual las plantas la adquieren y sus nutrientes. La mayor parte del agua del suelo es absorbida por las plantas como absorción pasiva causada por la fuerza de tracción del agua que se evapora ( transpira ) de la larga columna de agua ( flujo de savia del xilema ) que va de las raíces de la planta a sus hojas, según la teoría de la cohesión-tensión. . [58] El movimiento ascendente del agua y los solutos ( elevación hidráulica ) está regulado en las raíces por la endodermis [59] y en el follaje de la planta por la conductancia estomática , [60] y puede interrumpirse en los vasos del xilema de las raíces y los brotes por cavitación , también llamada embolia de xilema . [61] Además, la alta concentración de sales dentro de las raíces de las plantas crea un gradiente de presión osmótica que empuja el agua del suelo hacia las raíces. [62] La absorción osmótica se vuelve más importante durante los momentos de baja transpiración de agua causada por temperaturas más bajas (por ejemplo, durante la noche) o alta humedad, y lo contrario ocurre en condiciones de alta temperatura o baja humedad. Son estos procesos los que causan la evisceración y el marchitamiento , respectivamente. [63] [64]
La extensión de las raíces es vital para la supervivencia de las plantas. Un estudio de una sola planta de centeno de invierno cultivada durante cuatro meses en un pie cúbico (0,0283 metros cúbicos) de suelo franco mostró que la planta desarrolló 13,800,000 raíces, un total de 620 km de longitud con 237 metros cuadrados de superficie; y 14 mil millones de raíces de cabello de 10,620 km de longitud total y 400 metros cuadrados de área total; para una superficie total de 638 metros cuadrados. La superficie total del suelo franco se estimó en 52.000 metros cuadrados. [65] En otras palabras, las raíces estaban en contacto con solo el 1,2% del suelo. Sin embargo, la extensión de la raíz debe verse como un proceso dinámico, que permite que nuevas raíces exploren un nuevo volumen de suelo cada día, aumentando drásticamente el volumen total de suelo explorado durante un período de crecimiento determinado y, por lo tanto, el volumen de agua absorbido por la raíz. sistema durante este período. [66] La arquitectura de las raíces, es decir, la configuración espacial del sistema de raíces, juega un papel destacado en la adaptación de las plantas a la disponibilidad de agua y nutrientes del suelo y, por lo tanto, en la productividad de las plantas. [67]
Las raíces deben buscar agua, ya que el flujo de agua insaturada en el suelo solo puede moverse a una velocidad de hasta 2,5 cm por día; como resultado, están muriendo y creciendo constantemente a medida que buscan altas concentraciones de humedad en el suelo. [68] La humedad insuficiente del suelo, hasta el punto de causar marchitez , causará daños permanentes y el rendimiento de los cultivos se verá afectado. Cuando el sorgo en grano se expuso a una succión del suelo tan baja como 1300 kPa durante la emergencia de la cabeza de la semilla a través de las etapas de floración y formación de la semilla, su producción se redujo en un 34%. [69]
Uso consuntivo y eficiencia del uso del agua
Solo una pequeña fracción (0,1% a 1%) del agua utilizada por una planta se mantiene dentro de la planta. La mayor parte se pierde finalmente a través de la transpiración , mientras que la evaporación de la superficie del suelo también es sustancial, la relación transpiración: evaporación varía según el tipo de vegetación y el clima, alcanzando su punto máximo en las selvas tropicales y sumergiendo en estepas y desiertos . [70] La transpiración más la pérdida de humedad del suelo por evaporación se denomina evapotranspiración . La evapotranspiración más el agua retenida en la planta se suma al uso consuntivo, que es casi idéntico a la evapotranspiración. [69] [71]
El agua total utilizada en un campo agrícola incluye la escorrentía superficial , el drenaje y el uso consuntivo. El uso de mantillos sueltos reducirá las pérdidas por evaporación durante un período después de que se riegue el campo, pero al final, la pérdida total por evaporación (planta más suelo) se acercará a la de un suelo descubierto, mientras que hay más agua disponible de inmediato para el crecimiento de las plantas. [72] La eficiencia en el uso del agua se mide por la relación de transpiración , que es la relación entre el agua total transpirada por una planta y el peso seco de la planta cosechada. Las proporciones de transpiración para los cultivos varían de 300 a 700. Por ejemplo, la alfalfa puede tener una proporción de transpiración de 500 y, como resultado, 500 kilogramos de agua producirán un kilogramo de alfalfa seca. [73]
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