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Una definición del potencial hídrico

El potencial hídrico es la energía necesaria, por cantidad de agua, para transportar una cantidad infinitesimal de agua desde la muestra hasta un depósito de referencia de agua pura libre. Para entender lo que esto significa, compare el agua de una muestra de suelo con el agua de un vaso. El agua del vaso está relativamente libre y disponible; el agua del suelo está ligada a superficies diluidas por solutos y bajo presión o tensión. De hecho, el agua del suelo tiene un estado energético diferente al del agua "libre". Se puede acceder al agua libre sin ejercer ninguna energía. El agua del suelo sólo puede extraerse gastando energía. El potencial hídrico del suelo expresa cuánta energía habría que gastar para extraer esa agua de la muestra de suelo.

El potencial hídrico del suelo es una propiedad diferencial. Para que la medición tenga sentido, debe especificarse una referencia. La referencia que se suele especificar es agua pura y libre en la superficie del suelo. El potencial hídrico de esta referencia es cero. El potencial hídrico en el medio ambiente es casi siempre inferior a cero, porque hay que añadir energía para sacar el agua.

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Variables intensivas frente a extensivas

El movimiento del agua en el medio ambiente es en realidad un problema de física, y para entenderlo hay que distinguir entre variables intensivas y extensivas. La variable extensiva describe la extensión o cantidad de materia o energía. La variable intensiva describe la intensidad o cualidad de la materia o la energía. Por ejemplo, el estado térmico de una sustancia puede describirse tanto en términos de contenido calórico como de temperatura.

Las dos variables están relacionadas, pero no son lo mismo. El contenido calorífico depende de la masa, el calor específico y la temperatura. Midiendo el contenido de calor no se puede saber si el calor se transferirá a otro objeto si ambos se tocan. Por lo tanto, tampoco se sabe si el objeto está caliente o frío ni si será seguro tocarlo.

Estas preguntas son mucho más fáciles de responder si se conoce la variable intensiva: la temperatura. De hecho, aunque puede ser importante medir tanto las variables intensivas como las extensivas, a menudo la variable intensiva proporciona información más útil. En lo que respecta al agua, la variable extensiva es el contenido de agua, que indica la extensión o cantidad de agua en el tejido vegetal o en el suelo. La variable intensiva es el potencial hídrico, que describe la intensidad o la calidad del agua en el tejido vegetal o en el suelo. Muchas preguntas sobre la disponibilidad y el movimiento del agua se responden mejor midiendo el potencial hídrico del suelo.

El potencial hídrico responde a dos preguntas clave

1. Movimiento del agua

El agua siempre fluirá de potencial alto a potencial bajo. Esta es la segunda ley de la termodinámica: la energía fluye a lo largo del gradiente de la variable intensiva. El agua se desplazará de un lugar de mayor energía a otro de menor energía hasta que los lugares alcancen el equilibrio, como se ilustra en la figura 1. Por ejemplo, si el potencial hídrico de un suelo fuera de -50 kPa, el agua se desplazaría hacia -100 kPa, más negativo, para estabilizarse.

2. Disponibilidad de agua para las plantas

El agua líquida se desplaza desde el suelo hasta las raíces y a través de ellas, por el xilema de las plantas, hasta las hojas, y finalmente se evapora en las cavidades subtomáticas de la hoja. La fuerza motriz de este flujo es un gradiente de potencial hídrico. Así, para que el agua fluya, el potencial hídrico de la hoja debe ser inferior al potencial hídrico del suelo. En la figura 2, el suelo está a -0,3 MPa y las raíces son ligeramente más negativas, a -0,5 MPa. Esto significa que las raíces extraerán agua del suelo. A continuación, el agua subirá por el xilema y saldrá por las hojas. Y la atmósfera, a -100 MPa, es la que impulsa este gradiente.

Las mediciones del potencial hídrico indican claramente el agua disponible en la planta y, a diferencia del contenido de agua, existe una escala de referencia fácil:el óptimo para la plantava desde -2-5 kPa, que está en el lado muy húmedo, hasta aproximadamente -100 kPa, en el extremo más seco del óptimo. Por debajo de ese valor, las plantas estarán en déficit, y por encima de -1000 kPa empiezan a sufrir. Dependiendo de la planta, los potenciales hídricos por debajo de -1000 a -2000 kPa provocan un marchitamiento permanente.

La Tabla 1 ilustra la escala de referencia fácil para algunos tipos de cultivos. Las plantas no sufrirán estrés y rendirán más si se mantienen dentro de este rango de confort de potencial hídrico.

Los regantes y los científicos utilizan sensores de potencial hídrico junto con sensores de contenido de agua para conocer la disponibilidad de agua de las plantas. En la Figura 3, se puede observar dónde disminuye el contenido de agua y a partir de qué porcentaje las plantas empiezan a estresarse. También es posible reconocer cuándo el suelo tiene demasiada agua: el contenido de agua está por encima de donde los sensores de potencial hídrico empiezan a detectar el estrés de las plantas. Con esta información, los investigadores pueden identificar el rango óptimo para las plantas entre el 12% y el 17% de contenido volumétrico de agua. Todo lo que esté por debajo o por encima de ese rango será poca o demasiada agua.

Para saber más sobre cómo el potencial hídrico del suelo indica la disponibilidad de agua de las plantas, lea "Cuándoregar: Las mediciones duales resuelven el misterio" y "Por qué los sensores de humedad del suelo no pueden decirle todo lo que necesita saber"

Nombres, rangos y unidades del potencial hídrico

La figura 4 ilustra que existen diferentes instrumentos de potencial hídrico que miden diferentes rangos. Vea el vídeo para comprobar cómo puede combinar los instrumentos de METER LABROS para medir el rango completo del potencial hídrico del suelo. Obtenga más información sobre cómo medir el potencial hídrico y qué instrumentos se utilizan para cada fin aquí.

Componentes del potencial hídrico

El potencial hídrico total es la suma de cuatro componentes diferentes.

• POTENCIAL MÁTRICO: La unión del agua a las superficies.
• POTENCIAL OSMÓTICO: unión a solutos en el agua
• POTENCIAL GRAVITACIONAL: Posición del agua en un campo gravitatorio.
• POTENCIAL DE PRESIÓN: Presión hidrostática o neumática sobre el agua.

El potencial hídrico suele denominarse tensión del agua, succión del suelo y presión del agua de los poros del suelo. Normalmente utilizamos unidades de presión para describir el potencial hídrico del suelo, como megapascales (MPa), kilopascales (kPa), bares y metros (_mH2O), centímetros (_cmH2O) o milímetros de agua (_mmH2O).

En realidad, el potencial del agua se mide en energía por unidad de masa, por lo que las unidades oficiales deberían ser julios por kilogramo, pero si se tiene en cuenta la densidad del agua, las unidades pasan a ser kilopascales, por lo que normalmente lo describimos utilizando unidades de presión.

Cómo calcular el potencial hídrico

El potencial hídrico del suelo es la suma de cuatro componentes diferentes: el potencial gravitacional + el potencial mátrico + el potencial de presión + el potencial osmótico (Ecuación 1).

El potencial mátrico es el componente más significativo en lo que se refiere al suelo porque está relacionado con el agua que se adhiere a las superficies del suelo. En la figura 5, el potencial mátrico es el que crea la película de agua adherida a las partículas del suelo. A medida que el agua drena del suelo, los espacios porosos llenos de aire aumentan y el agua se adhiere más fuertemente a las partículas del suelo a medida que disminuye el potencial mátrico.

Potencial de matrícula

El potencial mátrico se debe a que el agua es atraída por la mayoría de las superficies mediante enlaces de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals. El suelo está formado por pequeñas partículas, lo que proporciona muchas superficies a las que se une el agua. Esta unión depende en gran medida del tipo de suelo. Por ejemplo, un suelo arenoso tiene partículas grandes que proporcionan menos superficies de unión, mientras que un suelo limoso tiene partículas más pequeñas y más superficies de unión.

Vea el siguiente vídeo para visualizar el potencial mátrico en acción.

La siguiente figura, que muestra las curvas de liberación de humedad de tres tipos diferentes de suelo, demuestra el efecto de la superficie. La arena, que contiene un 10% de agua, tiene un alto potencial mátrico y el agua está fácilmente disponible para organismos y plantas. El suelo limoso, que contiene un 10% de agua, tendrá un potencial mátrico mucho menor y el agua estará mucho menos disponible.

El potencial mátrico es siempre negativo o cero y es el componente más significativo del potencial hídrico del suelo en condiciones no saturadas.

Una herramienta para medir la humedad del suelo

Las curvas de liberación de humedad del suelo (curvas características suelo-agua) ilustran la relación entre el potencial hídrico y el contenido de agua y son como huellas dactilares físicas, únicas para cada tipo de suelo. Utilícelas en su investigación para comprender y predecir el destino del agua en su suelo concreto. Las curvas de liberación de humedad responden a preguntas críticas como: ¿drenará el agua por el suelo rápidamente o se retendrá en la zona radicular? Son herramientas poderosas que se utilizan para predecir la absorción de agua por las plantas, el drenaje profundo, la escorrentía y mucho más.

Obtenga más información sobre las curvas de liberación de humedad y la relación entre el potencial hídrico del suelo y el contenido de agua del suelo aquí. O vea el vídeo a continuación.

Tanto los tensiómetros como el TEROS 21 son sensores del potencial hídrico del suelo que miden el potencial mátrico sobre el terreno.

Para saber qué sensor de potencial hídrico de campo es el adecuado para su aplicación, lea "¿Qué sensor de suelo es perfecto para usted?".O vea a continuación el seminario web del Dr. Colin Campbell, "Potencial hídrico 201: Elegir el instrumento adecuado", que cubre la teoría de los instrumentos de potencial hídrico, incluidos los retos de la medición del potencial hídrico y cómo elegir y utilizar diversos instrumentos de potencial hídrico, como tensiómetros, TEROS 21, WP4C, HYPROPy otros.

Potencial osmótico

El potencial osmótico describe la dilución y la unión del agua por solutos disueltos en ella. Este potencial también es siempre negativo.

El potencial osmótico sólo afecta al sistema si existe una barrera semipermeable que bloquee el paso de solutos. Esto es bastante común en la naturaleza. Por ejemplo, las raíces de las plantas dejan pasar el agua pero bloquean la mayoría de los solutos. Las membranas celulares también forman una barrera semipermeable. Un ejemplo menos evidente es la interfase aire-agua, en la que el agua puede pasar al aire en fase vapor, pero las sales se quedan atrás.

Puedes calcular el potencial osmótico a partir de la siguiente ecuación si conoces la concentración de soluto en el agua

Donde C es la concentración de soluto (mol/kg), ɸ es el coeficiente osmótico (-0,9 a 1 para la mayoría de los solutos), v es el número de iones por mol (NaCl= 2, _CaCl2 = 3, sacarosa = 1), R es la constante de los gases y T es la temperatura Kelvin.

El potencial osmótico es siempre negativo o nulo y es significativo en las plantas y en algunos suelos afectados por la sal.

Potencial gravitatorio

El potencial gravitatorio surge debido a la ubicación del agua en un campo gravitatorio. Puede ser positivo o negativo, dependiendo de dónde se encuentre en relación con la referencia especificada de agua pura y libre en la superficie del suelo. El potencial gravitatorio es entonces

Donde G es la constante gravitatoria (9,8 m ^s-2) y H es la distancia vertical desde la altura de referencia hasta la superficie del suelo (la altura especificada).

Potencial de presión

El potencial de presión es una presión hidrostática o neumática que se aplica al agua o que tira de ella. Es un efecto más macroscópico que actúa en una región más amplia del sistema.

Existen varios ejemplos de potencial de presión positiva en el entorno natural. Por ejemplo, hay una presión positiva presente bajo la superficie de cualquier agua subterránea. Usted mismo puede sentir esta presión cuando se sumerge en un lago o piscina. Del mismo modo, se desarrolla una cabeza de presión o potencial de presión positiva a medida que se desciende por debajo del nivel freático. La presión de turgencia en las plantas y la presión sanguínea en los animales son otros dos ejemplos de potencial de presión positiva.

El potencial de presión puede calcularse a partir de

Donde P es la presión(_Pa) y _PW es la densidad del agua.

Aunque el potencial de presión suele ser positivo, hay casos importantes en los que no lo es. Uno de ellos se da en las plantas, donde un potencial de presión negativo en el xilema extrae agua del suelo a través de las raíces hasta las hojas.

Potencial hídrico y humedad relativa

El potencial hídrico y la humedad relativa se relacionan mediante la ecuación de Kelvin. Si conoces la temperatura y la humedad, puedes calcular el potencial hídrico mediante esta ecuación

Donde Ψ es el potencial del agua (MPa), _HR es la humedad relativa (sin unidades), R es la constante universal de los gases (8,3143 J ^mol-1 K ^-1), _MW es la masa del agua (18,02 g/mol) y T es la temperatura Kelvin.

¿Qué es el potencial hídrico? Puntos a recordar

Potencial hídrico:

• Describe el estado energético del agua en el medio ambiente
• Define la disponibilidad de agua para los organismos

Puntos clave:

• El agua siempre fluirá de alto potencial a bajo potencial
• Esta es la segunda ley de la termodinámica: la energía fluye a lo largo del gradiente de la variable intensiva

Dominar lo básico

En este seminario web, el Dr. Doug Cobos diferencia el potencial hídrico del contenido de agua, analiza la teoría, la aplicación y los componentes clave del potencial hídrico.