DR. GAYLON S. CAMPBELL

Facilitar la disponibilidad de agua en las plantas

Tanto la cantidad como la disponibilidad de agua (agua disponible para las plantas) en el suelo son importantes para las raíces de las plantas y los organismos que viven en el suelo. Para describir la cantidad de agua en el suelo, utilizamos el término contenido de agua. Para describir el agua disponible para las plantas, hablamos de potencial hídrico. En termodinámica, el contenido de agua se denominaría variable extensiva y el potencial hídrico, variable intensiva. Ambas son necesarias para describir correctamente el estado del agua en el suelo y en las plantas. Además de describir el estado del agua en el suelo, también puede ser necesario saber a qué velocidad se moverá el agua en el suelo. Para ello, necesitamos conocer la conductividad hidráulica. Otros parámetros importantes del suelo son el espacio poroso total, el límite superior drenado para el agua del suelo y el límite inferior de agua disponible en un suelo. Dado que estas propiedades varían mucho de un suelo a otro, sería útil establecer correlaciones entre estos parámetros tan útiles y propiedades fáciles de medir, como la textura del suelo y la densidad aparente. En este artículo se presentará la información necesaria para elaborar modelos sencillos de los procesos hídricos del suelo.

Descargue la "Guía completa del investigador sobre el potencial hídrico" para obtener más información sobre el agua disponible para las plantas.

Contenido de agua y densidad aparente

La cantidad de agua del suelo se denomina contenido de agua. Éste puede describirse en base a la masa o al volumen. El contenido de agua basado en la masa es la masa de agua perdida de una muestra de suelo, cuando se seca a 105 °C, dividida por la masa del suelo seco. Esta definición es útil para determinar el contenido de agua en el laboratorio, pero no es particularmente útil para describir la cantidad de agua en el campo. En este caso, el contenido de agua en volumen es más útil. Es el volumen de agua retenida por unidad de volumen de suelo. Si w es el contenido de agua basado en la masa y θ es el contenido de agua basado en el volumen, entonces

donde _ρb y _ρw son la densidad aparente y la densidad del agua. La densidad aparente del suelo es la masa seca del suelo dividida por el volumen del suelo. La densidad del agua es de 1 ^Mg/m3. En los suelos minerales, la densidad aparente suele tener un valor comprendido entre 1,1 y 1,7 ^Mg/m3. Por lo tanto, el contenido volumétrico de agua suele ser mayor que el contenido másico de agua. Se puede considerar θ como la fracción del volumen del suelo absorbida por el agua. La fracción absorbida por los sólidos puede calcularse a partir de la densidad aparente

donde _ρs es la densidad de los sólidos del suelo. Suele tener un valor en torno a 2,65 ^Mg/m3. El espacio poroso total del suelo es 1 - _fs. Cuando el suelo está completamente saturado de agua, su contenido de agua es el contenido de agua de saturación, _ρs. Se puede calcular a partir de la densidad aparente como

El potencial hídrico indica el agua disponible en la planta

No toda el agua del suelo está disponible por igual para las plantas, los microbios y los insectos. Una forma de determinar el agua disponible para las plantas es medir el potencial hídrico. El potencial hídrico es la energía potencial por unidad de masa de agua. El agua del suelo se mantiene por fuerzas de adhesión a la matriz del suelo, está sujeta a la atracción gravitatoria y contiene solutos que disminuyen su energía en comparación con la energía del agua pura y libre. Por lo tanto, los organismos vivos deben gastar energía para extraer agua del suelo. El potencial hídrico es una medida de la energía por unidad de masa de agua que se requiere para extraer una cantidad infinitesimal de agua del suelo y transportarla a un depósito de referencia de agua pura y libre. Dado que normalmente se necesita energía para extraer agua, el potencial hídrico suele ser una cantidad negativa. Para la energía potencial por unidad de masa, las unidades del potencial hídrico son J/kg. La energía por unidad de volumen es ^J/m3, o N/m o Pa. Nosotros somos partidarios de J/kg, pero es frecuente ver el potencial hídrico expresado en kPa o MPa. Un J/kg es numéricamente casi igual a 1 kPa.

Aunque son muchos los factores que influyen en el potencial hídrico, el más importante en un contexto biológico suele ser el potencial mátrico. Surge debido a la atracción que ejerce la matriz del suelo sobre el agua y, por tanto, depende en gran medida de las propiedades de la matriz y de la cantidad de agua que contenga. Mira el vídeo para ver cómo funciona.

La figura 1 muestra las curvas típicas de liberación de humedad o las características de humedad de los suelos arenosos, limosos y arcillosos. Las arcillas, debido al menor tamaño de sus poros y a la mayor superficie de sus partículas, reducen más el potencial hídrico con un contenido de agua determinado que las arenas y los suelos limosos. Las características de humedad como las de la figura 1 son lineales cuando el logaritmo del potencial hídrico se representa gráficamente en función del logaritmo del contenido de agua. La ecuación que describe estas curvas es

donde _ψm es el potencial mátrico, θ es el contenido volumétrico de agua, _ψe se denomina potencial de entrada de aire del suelo y b es una constante. El potencial de entrada de aire y el contenido de agua de saturación se combinan a veces en una única constante, a, que da

así que

El potencial de entrada de aire y el valor b dependen de la textura y la estructura del suelo. La textura del suelo puede especificarse utilizando el nombre de una clase textural, como franco limoso o franco arenoso fino, como fracciones de arena, limo y arcilla, o como diámetro medio de las partículas y desviación estándar de los diámetros de las partículas. Este último es el más útil para determinar las propiedades hidráulicas. Utilizaremos la densidad aparente o el espacio poroso total como medida de la estructura del suelo.

Shiozawa y Campbell (1991) dan las siguientes relaciones para convertir las mediciones de las fracciones de limo y arcilla en diámetro medio geométrico de partículas y desviación estándar

y

donde _mt y _my son las fracciones de limo y arcilla de la muestra, _dg es la media geométrica del diámetro de las partículas en µm, y _σg es la desviación geométrica estándar.

Propiedades hidráulicas y textura del suelo

Las relaciones entre las propiedades hidráulicas y la textura y estructura del suelo son, en la actualidad, bastante inciertas, a pesar de que se ha investigado mucho en este campo. A continuación se presentan ecuaciones derivadas en parte de la teoría y en parte del ajuste empírico de conjuntos de datos procedentes de diversos lugares. La dependencia del potencial de entrada de aire de la textura y la densidad aparente puede calcularse a partir de

donde _θs es de la Ecuación 3 y _dg es de la Ecuación 6.

El exponente b puede estimarse a partir de

La Tabla 1 enumera las doce clases de textura de los suelos y da las fracciones aproximadas de limo y arcilla para el centro de cada clase. A continuación, muestra los valores de _dg, _σg, _ψe y b para cada clase.

Capacidad de campo y punto de marchitamiento permanente

El agua se mueve rápidamente a través del suelo con un alto contenido de agua, principalmente debido a la fuerza de gravedad y a la alta conductividad hidráulica del suelo casi saturado. Sin embargo, a medida que el agua drena del suelo, la conductividad hidráulica disminuye rápidamente y el ritmo de movimiento se ralentiza. El movimiento descendente del agua bajo la influencia de la gravedad llega a ser muy pequeño a potenciales de agua entre -10 y -33 J/kg. Por lo tanto, el agua a potenciales inferiores a estos valores se mantiene dentro de la zona radicular y está disponible para la absorción de la planta (agua disponible para la planta). El contenido de agua cuando el potencial mátrico está entre -10 y -33 J/kg (-10 para arenas; -33 para arcillas) es el contenido de agua de capacidad de campo(_θfc), o el límite superior drenado. Es el contenido de agua que se esperaría encontrar si un perfil de suelo se mojara por una lluvia fuerte o riego, se cubriera y se dejara reposar durante dos o tres días. En otras palabras, es el contenido de agua más alto que uno esperaría encontrar en un suelo de campo, excepto justo después de añadir agua.

Los valores del contenido de agua a -33 J/kg se calcularon utilizando la Ecuación 4 para cada una de las texturas, suponiendo ρs ₌ 0,5, y se muestran en la Tabla 1.

Obsérvese que las arenas drenan sólo un pequeño porcentaje de humedad a capacidad de campo, mientras que los suelos de textura más fina pueden tener contenidos de agua superiores a 0,3 ^m3m-3. Sin embargo, todos los contenidos de agua a capacidad de campo están muy por debajo de la saturación. Sin embargo, todos los contenidos de agua a capacidad de campo están muy por debajo de la saturación. Es posible que haya que ajustar los valores de la tabla para representar lo que se encontraría en el campo, ya que la densidad aparente tiende a depender de la textura. Las arenas tienden a tener densidades aparentes altas (1,6 Mg/m), mientras que los suelos de textura más fina tienden a tener densidades aparentes más bajas. El punto de marchitamiento permanente (PWP) no significa que la planta muera por potenciales hídricos en este rango. Significa que la planta no se recuperará del marchitamiento a menos que se le aplique agua. Muchas especies son capaces de extraer agua del suelo a potenciales hídricos muy por debajo de -1500 J/kg, y una rápida extracción de agua del suelo hará que el agua no esté disponible para una planta que se mantenga a potenciales muy por encima de -1500 J/kg. Sin embargo, el valor proporciona un límite inferior aproximado para el contenido de agua del suelo del que las plantas extraen agua. Los valores de _θpwp también se muestran en la Tabla 1 para θs₌ 0,5.

El agua disponible para las plantas se define como el agua retenida en el suelo entre la capacidad de campo y el marchitamiento permanente. Estos valores también se muestran en la Tabla 1. Los valores son bajos para los suelos de textura gruesa, pero tienden a ser bastante uniformes para otras texturas de suelo, aunque los valores de la capacidad de campo y del punto de marchitamiento permanente varíen mucho. No obstante, hay que tener cuidado al utilizar los valores de la tabla.

Predicción del punto de marchitamiento permanente a partir de la capacidad de campo

Dado que tanto la capacidad de campo como el punto de marchitez permanente pueden calcularse a partir de parámetros básicos del suelo, es lógico que estén correlacionados. La Figura 2 muestra el contenido de agua de marchitez permanente para las doce clases de textura en función del contenido de agua de la capacidad de campo. La correlación es buena y los datos se ajustan bien a un polinomio de segundo orden. El resultado práctico de esto es que uno sólo necesita conocer una u otra de estas variables, y la otra se puede encontrar a partir de la relación entre las dos.

Obtención de propiedades hidráulicas a partir de los datos del estudio del suelo

Los contenidos de agua de -33 y -1500 J/kg (1/3 y 15 bar) suelen estar disponibles a partir de los datos del estudio del suelo. Si se conocen, podemos hallar a y b en la ecuación 5.5. Tomando logaritmos de ambos lados de la ecuación 5.5, obtenemos ln ψm ₌ ln a-b ln θ. Sustituyendo _θfc = 33 y _θpwp = 1500 y sus correspondientes contenidos de agua (utilice números positivos para _ψm cuando tome logaritmos; no puede tomar el logaritmo de un número negativo), se obtienen dos ecuaciones en dos incógnitas, b y a, que puede resolver simultáneamente para obtener los dos parámetros

Asegúrese de que los valores de _θfc y _θpwp que utiliza son contenidos de agua volumétricos. La mayoría de los datos de laboratorio son contenidos de agua en masa porque se miden mediante secado en estufa. Si son contenidos de agua en masa, conviértalos en contenidos de agua en volumen utilizando la densidad aparente y la Ecuación 1 antes de utilizarlos para calcular a y b. A veces, todo lo que se tiene es una estimación del contenido de agua disponible para un suelo. En este caso, podemos estimar b con suficiente precisión para encontrar un valor para a. Sea _θav = _θfc - _θpwp, el contenido de agua disponible (agua disponible para la planta) para el suelo. Podemos reordenar la ecuación 5 para obtener

Si no tenemos otra información que nos indique el valor de b, supondremos un valor de 5. Esto da a = 637θ5av . Esto da a = _637θ5av. Conociendo los valores de a y b, podemos utilizar la ecuación 5 para hallar _θfc y _θpwp. Una estimación del contenido de agua en aire seco, que necesitaremos en los modelos de evaporación de las superficies del suelo, se calcula a partir de

Medir todos los parámetros necesarios para modelizar el agua disponible en la planta

Tanto el contenido como el potencial hídricos pueden medirse de forma continua y sencilla con los sensores de suelo METER. El WP4C mide el potencial hídrico en el laboratorio y puede utilizarse para predecir el punto de marchitez permanente. METER también proporciona una serie de otros instrumentos de investigación de campo y de laboratorio que miden la conductividad hidráulica y la textura del suelo. Vea el vídeo para ver cómo nuestros instrumentos de laboratorio trabajan juntos para caracterizar las propiedades hidráulicas del suelo.

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• Contenido en agua: qué es, cómo se mide y por qué se necesita
• Potencial hídrico: qué es, en qué se diferencia del contenido de agua y por qué es necesario.
• Si debe medir el contenido de agua, el potencial hídrico o ambos
• Qué sensores miden cada tipo de parámetro

Referencias

1. Campbell, Gaylon S. Física del suelo con BASIC: modelos de transporte para sistemas suelo-planta. Vol. 14. Elsevier, 1985. Enlace al libro.

2. Shiozawa, S., y G. S. Campbell. "On the calculation of mean particle diameter and standard deviation from sand, silt, and clay fractions". Soil Science 152, no. 6 (1991): 427-431. Enlace del artículo.

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