Básicamente, sólo existen dos métodos principales de medición delpotencial hídrico: los tensiómetrosy los métodos de presión de vapor. Los tensiómetros trabajan en el rango húmedo:los tensiómetros especiales que retardan el punto de ebullición del agua tienen un rango de 0 a aproximadamente -0,2 MPa. Los métodos de presión de vapor funcionan en seco, entre -0,1 MPa y -300 MPa (0,1 MPa equivale a 99,93% de HR; -300 MPa equivale a 11%).
Históricamente, estos rangos no se solapaban, pero los recientes avances en la tecnología de tensiómetros y sensores de temperatura han cambiado esta situación. Ahora, un usuario experto con métodos excelentes y el mejor equipo puede medir toda la gama de potenciales hídricos en el laboratorio.
Sin embargo, hay razones para buscar métodos de medición secundarios. Los métodos de presión de vapor no son útiles in situ, y la precisión del tensiómetro debe pagarse con un mantenimiento constante y cuidadoso (aunque existe una versión autollenable del tensiómetro).
Además, existen métodos tradicionales como los bloques de yeso, las placas de presión y el papel de filtro que deben conocerse. En esta sección se describen brevemente los puntos fuertes y las limitaciones de cada método.
La placa de presión fue introducida en la década de 1930 por L.A. Richards. En realidad, no mide el potencial hídrico de una muestra. En su lugar, lleva la muestra a un potencial hídrico específico aplicando presión a la muestra y permitiendo que el exceso de agua fluya a través de una placa de cerámica porosa. Cuando la muestra alcanza el equilibrio, su potencial hídrico es equivalente a la presión aplicada.
Las placas de presión suelen utilizarse para realizar curvas características de la humedad del suelo. Una vez que las muestras de suelo alcanzan un potencial hídrico específico bajo presión, el investigador puede retirar la muestra de la placa y secarla para medir su contenido de agua. Se puede producir una característica de humedad del suelo realizando estas mediciones a diferentes presiones en el aparato de placa de presión.
La precisión de las placas de presión es importante, porque a menudo se utilizan para calibrar otros métodos de medición secundarios.
Para realizar una curva precisa de liberación de humedad con una placa de presión, hay que asegurarse de que la muestra ha alcanzado completamente el equilibrio a la presión designada. Varios revisores, incluyendo Gee et. al (2002), Cresswell et. al (2008), y Bittelli y Flury (2009) han señalado problemas con esta suposición.
Los errores, especialmente con potenciales hídricos bajos, pueden deberse a la obstrucción de los poros de la cerámica de la placa de presión, a la restricción del flujo dentro de la muestra, a la pérdida de contacto hidráulico entre la placa y el suelo debido a la contracción del suelo y a la reabsorción de agua cuando se libera la presión sobre la placa. A bajos potenciales hídricos, las bajas conductividades hidráulicas pueden hacer que el equilibrio tarde semanas o incluso meses. Gee et al (2002) midieron los potenciales hídricos de muestras equilibradas durante 9 días en placas de 15 bares de presión y descubrieron que estaban a -0,5 MPa en lugar de los -1,5 MPa esperados. Especialmente cuando se construye una curva de liberación de humedad para estimar la conductividad hidráulica y determinar el agua disponible de la planta, las mediciones de la placa de presión a potenciales inferiores a -0,1 MPa (-1 bar) pueden causar un error significativo (Bittelli y Flury, 2009).
Además, Baker y Frydman (2009) establecen teóricamente que la matriz del suelo drenaría de forma diferente bajo una presión positiva que bajo succión. Postulan que los contenidos de agua de equilibrio alcanzados mediante succión serán significativamente diferentes de los que se producen en condiciones naturales. Las pruebas anecdóticas parecen apoyar esta idea, aunque es necesario realizar más pruebas. En última instancia, las placas de presión pueden tener suficiente precisión en el rango húmedo (0 a -0,5 MPa) para algunas aplicaciones, pero otros métodos pueden proporcionar una mayor precisión, lo que puede ser especialmente importante cuando se utilizan los datos para la modelización o la calibración.
El higrómetro de punto de rocíoWP4C es uno de los pocos instrumentos disponibles en el mercado que utiliza actualmente esta técnica. Al igual que los psicrómetros de termopar tradicionales, el higrómetro de punto de rocío equilibra una muestra en una cámara sellada.
En la cámara se enfría un pequeño espejo hasta que empieza a formarse rocío. En el punto de rocío, el WP4C mide las temperaturas del espejo y de la muestra con una precisión de 0,001◦C para determinar la humedad relativa del vapor sobre la muestra.
La versión más actual de este higrómetro de punto de rocío tiene una precisión de ±1% de -5 a -300 MPa y también es relativamente fácil de usar. Muchos tipos de muestras pueden analizarse en cinco o diez minutos, aunque las muestras húmedas tardan más.
Con potenciales de agua elevados, las diferencias de temperatura entre la presión de vapor saturado y la presión de vapor en el interior de la cámara de muestras llegan a ser insignificantes.
Las limitaciones de la resolución de la medición de la temperatura hacen que los métodos de presión de vapor probablemente nunca suplanten a los tensiómetros.
El higrómetro de punto de rocío tiene un rango de -0,1 a -300 MPa, aunque pueden realizarse lecturas por encima de -0,1 MPa utilizando técnicas especiales. Los tensiómetros siguen siendo la mejor opción para lecturas en el rango de 0 a -0,1 MPa.
El HYPROP es un instrumento de laboratorio único que utiliza el método de evaporación Wind/Schindler para realizar curvas de liberación de humedad en suelos con potenciales hídricos en el rango del tensiómetro.
Hyprop utiliza dos minitensiómetros de precisión para medir el potencial hídrico en diferentes niveles dentro de una muestra de suelo saturada de 250 cm3 mientras la muestra reposa en una balanza de laboratorio. Con el tiempo, la muestra se seca y el instrumento mide simultáneamente los cambios en el potencial hídrico y en el peso de la muestra. Calcula el contenido de humedad a partir de las mediciones de peso y representa gráficamente los cambios en el potencial hídrico correlacionados con los cambios en el contenido de humedad.
Se verifican los resultados y se calculan los valores para el rango seco y la saturación según un modelo seleccionado (es decir, van Genuchten/Mualem, van Genuchten/Mualem bimodal o Brooks y Corey).
Hyprop tiene una gran precisión y produce una curva completa de liberación de humedad en el rango húmedo. La curva tarda de tres a cinco días en completarse, pero el instrumento funciona sin supervisión.
Hypropestá limitado por el rango de los tensiómetros, aunque los minitensiómetros se han utilizado para medir más allá de -250 kPa (-0,25 MPa) debido a su característica de retardo de ebullición.
Por debajo de -250 kPa, los tensiómetros cavitan. Los usuarios avanzados tienen la opción de añadir un punto final a la curva en el punto de entrada de aire de la copa cerámica del tensiómetro (-880 kPa; -0,88 MPa).
El potencial hídrico, por definición, es una medida de la diferencia de energía potencial entre el agua de una muestra y el agua de una piscina de referencia de agua pura y libre. El tensiómetro es una actualización de esta definición.
El tubo del tensiómetro contiene un depósito de agua libre (teóricamente) pura. Este depósito está conectado (a través de una membrana permeable) a una muestra de suelo. Gracias a la segunda ley de la termodinámica, el agua se desplaza del depósito al suelo hasta que su energía es igual a ambos lados de la membrana. Esto crea un vacío en el tubo. El tensiómetro utiliza un manómetro negativo (un vacuómetro) para medir la fuerza de ese vacío y describe el potencial hídrico en términos de presión.
Los tensiómetros son probablemente el tipo más antiguo de instrumento de potencial hídrico (el concepto inicial data al menos de Livingston en 1908), pero pueden seguir siendo bastante útiles. De hecho, en el rango húmedo, un tensiómetro de alta calidad utilizado con habilidad, puede tener una precisión excelente.
El alcance del tensiómetro está limitado por la capacidad del agua del interior del tubo para soportar el vacío. Aunque el agua es esencialmente incompresible, las discontinuidades en la superficie del agua, como los bordes o la arenilla, proporcionan puntos de nucleación en los que se rompen los fuertes enlaces del agua y se produce la cavitación (ebullición a baja presión). La mayoría de los tensiómetros cavitan en torno a -80 kPa, justo en el centro del rango disponible en planta.
Sin embargo, METER Group Ag, en Alemania, construye tensiómetros que son clásicos modernos gracias a la ingeniería alemana de precisión, la construcción meticulosa y la atención fanática a los detalles. Estos tensiómetros tienen una gran precisión y un rango que (con un operador cuidadoso) puede extenderse hasta -250 kPa.
El contenido de agua suele ser más fácil de medir que el potencial hídrico y, puesto que ambos valores están relacionados, es posible utilizar una medición del contenido de agua para hallar el potencial hídrico.
Un gráfico que muestra cómo cambia el potencial hídrico a medida que el agua se adsorbe y desorbe de una matriz de suelo específica se denomina curva característica de humedad o curva de liberación de humedad.
Cada matriz que puede retener agua tiene una característica de humedad única, tan única y distintiva como una huella dactilar. En los suelos, incluso las pequeñas diferencias de composición y textura tienen un efecto significativo en la característica de humedad.
Algunos investigadores desarrollan una característica de humedad para un tipo de suelo específico y la utilizan para determinar el potencial hídrico a partir de las lecturas del contenido de agua. Los sensores de potencial mátrico adoptan un enfoque más sencillo aprovechando la segunda ley de la termodinámica.
Los sensores de potencial mátrico utilizan un material poroso con características de humedad conocidas. Dado que todos los sistemas energéticos tienden al equilibrio, el material poroso alcanzará el equilibrio de potencial hídrico con el suelo que lo rodea.
Utilizando la característica de humedad del material poroso, se puede medir el contenido de agua del material poroso y determinar el potencial hídrico tanto del material poroso como del suelo circundante. Los sensores de potencial mátrico utilizan una variedad de materiales porosos y varios métodos diferentes para determinar el contenido de agua.
En el mejor de los casos, los sensores de potencial mátrico tienen una precisión buena, pero no excelente. En el peor de los casos, el método sólo puede indicar si el suelo se está humedeciendo o secando. La precisión de un sensor depende de la calidad de la característica de humedad desarrollada para el material poroso y de la uniformidad del material utilizado. Para obtener una buena precisión, el material específico utilizado debe calibrarse mediante un método de medición primario. La sensibilidad de este método depende de la rapidez con la que cambia el contenido de agua al variar el potencial hídrico. La precisión viene determinada por la calidad de la medición del contenido de humedad.
La precisión también puede verse afectada por la sensibilidad a la temperatura. Este método se basa en condiciones isotérmicas, que pueden ser difíciles de alcanzar. Las diferencias de temperatura entre el sensor y el suelo pueden provocar errores significativos.
Todos los sensores de potencial mátrico están limitados por la conductividad hidráulica: a medida que el suelo se seca, el material poroso tarda más en equilibrarse. El cambio en el contenido de agua también se vuelve pequeño y difícil de medir. En el extremo húmedo, el alcance del sensor está limitado por el potencial de entrada de aire del material poroso utilizado.
El método del papel de filtro fue desarrollado en la década de 1930 por edafólogos como alternativa a los métodos entonces disponibles. Se utiliza un tipo específico de papel de filtro (Whitman nº 42 sin cenizas) como medio poroso. Las muestras se equilibran con el medio de papel de filtro. Las muestras se equilibran con el papel de filtro en una cámara sellada a temperatura constante. El contenido gravimétrico de agua del papel de filtro se determina utilizando un horno de secado, y el potencial hídrico se deduce de la curva característica de humedad predeterminada del papel de filtro. Deka et al. (1995) descubrieron que se necesitaban al menos 6 días para un equilibrio completo.
Se acepta comúnmente que el rango del papel de filtro es de hasta -100 MPa si se deja equilibrar completamente. Sin embargo, como se ha ilustrado, los errores debidos a los gradientes de temperatura son excepcionalmente grandes con potenciales de agua cercanos a cero.
Este método es barato y sencillo, pero no es preciso. Requiere condiciones isotérmicas, que pueden ser difíciles de conseguir. Pequeñas variaciones de temperatura pueden causar errores significativos.
Los bloques de yeso se utilizan a menudo como indicadores sencillos de eventos de riego. Los bloques de yeso miden la resistencia eléctrica de un bloque de yeso cuando responde a cambios en el suelo circundante. La resistencia eléctrica es proporcional al potencial hídrico.
Los paneles de yeso son increíblemente baratos y bastante fáciles de usar.
Las lecturas dependen de la temperatura y tienen una precisión muy baja. Además, el yeso se disuelve con el tiempo, especialmente en suelos salinos, y pierde sus propiedades de calibración. Los bloques de yeso indican si el suelo está húmedo o seco, pero no mucho más.
Al igual que los bloques de yeso, los sensores de matrices granulares miden la resistencia eléctrica en un medio poroso. En lugar de yeso, utilizan cuarzo granular rodeado de una membrana sintética y una malla protectora de acero inoxidable.
En comparación con los bloques de yeso, los sensores de matrices granulares duran más y funcionan en condiciones de suelo más húmedo. El rendimiento puede mejorarse midiendo y compensando las variaciones de temperatura.
Las mediciones dependen de la temperatura y su precisión es baja. Además, incluso con un buen contacto entre el suelo y el sensor, los sensores de matrices granulares tienen problemas de rehumectación después de haberse equilibrado a condiciones muy secas porque el agua tiene una capacidad reducida de entrar en el medio grueso de la matriz granular desde un suelo fino. El alcance está limitado en el extremo húmedo por el potencial de entrada de aire de la matriz. Los sensores de matriz granular sólo pueden empezar a medir el contenido/potencial de agua cuando los poros más grandes de la matriz empiezan a drenar. Además, estos sensores utilizan un gránulo de yeso que se disuelve con el tiempo, por lo que su estabilidad a largo plazo es escasa.
Los sensores cerámicos utilizan un disco cerámico como medio poroso. La calidad del sensor depende de las cualidades específicas de la cerámica.
La precisión está limitada por el hecho de que cada disco tiene una característica de humedad algo única. La uniformidad del material cerámico proporciona una mayor precisión, pero limita considerablemente el alcance. La calibración personalizada de cada sensor individual mejora drásticamente la precisión, pero lleva mucho tiempo. Las recientes innovaciones en la técnica de calibración pueden ofrecer mejores opciones de calibración comercial.
El alcance está limitado en el extremo húmedo por el potencial de entrada de aire de la cerámica. Los sensores basados en cerámica sólo pueden empezar a medir el contenido/potencial de agua cuando los poros más grandes de la cerámica empiezan a drenar. En el extremo seco, el alcance está limitado por la porosidad total contenida en los poros pequeños que drenan a potenciales de agua bajos.
El sensor de disipación térmica mide el contenido de humedad de la cerámica midiendo su conductividad térmica. Utilizando un cilindro cerámico que contiene un calentador y un termopar, mide la temperatura de referencia, calienta durante unos segundos y, a continuación, mide el cambio de temperatura. Trazando el cambio de temperatura frente al tiempo logarítmico, determina el contenido de humedad de la cerámica. El contenido de humedad se traduce en potencial hídrico utilizando la característica de humedad del disco cerámico. Tenga en cuenta que debido a que el sensor se calienta, debe ser alimentado por un sistema con grandes reservas de energía (por ejemplo, registrador de datos Campbell Scientific o equivalente).
A menos que se calibre individualmente a medida, el sensor de disipación de calor sólo tiene una precisión moderada.
En el extremo muy seco, hay mucha sensibilidad en la curva de conductividad térmica, lo que confiere a los sensores de disipación de calor una gran utilidad en el rango seco (-1 a -50 mPa). En el extremo húmedo, el sensor de disipación térmica está limitado por el potencial de entrada de aire de la cerámica.
Los sensores de potencial dieléctrico miden la capacidad de almacenamiento de carga de un disco cerámico para determinar su contenido de agua. A continuación, utilizan la característica de humedad del disco para convertir el contenido de agua en potencial hídrico.
Como utilizan una técnica dieléctrica, los sensores son muy sensibles a los pequeños cambios en el agua. Como todos los sensores basados en cerámica, los sensores de potencial mátrico requieren una calibración personalizada para obtener una buena precisión.
Los sensores de potencial dieléctrico matricial son de bajo consumo y no requieren mantenimiento.
Sin calibración, los sensores tienen una precisión de sólo ±40% de la lectura. Sin embargo, una versión reciente del sensor, calibrada a medida, promete una precisión de ±10% de la lectura.
El seminario web del Dr. Colin Campbell aborda la teoría de los instrumentos de potencial hídrico, incluidos los retos que plantea la medición del potencial hídrico y cómo elegir y utilizar diversos instrumentos de potencial hídrico.
Descargue la "Guía completa del investigador sobre el potencial hídrico".
Nuestros científicos cuentan con décadas de experiencia ayudando a investigadores y cultivadores a medir el continuo suelo-planta-atmósfera.
Seis breves vídeos le enseñarán todo lo que necesita saber sobre el contenido de agua del suelo y el potencial hídrico del suelo, y por qué debe medirlos juntos. Además, domine los conceptos básicos de la conductividad hidráulica del suelo.
Comprender los diferentes componentes del potencial hídrico y cómo utilizarlos. El potencial hídrico es la energía necesaria, por cantidad de agua, para transportar una cantidad infinitesimal de agua desde la muestra hasta una piscina de referencia de agua pura libre.
El Dr. Gaylon Campbell, físico del suelo de renombre mundial, enseña lo que hay que saber para realizar modelos sencillos de los procesos hídricos del suelo.
Una mirada exhaustiva a la ciencia que se esconde tras la medición del potencial hídrico.
Reciba periódicamente los contenidos más recientes.