Las curvas de liberación de humedad del suelo (también llamadas curvas características del agua del suelo o curvas de retención de agua del suelo) son como huellas dactilares físicas, únicas para cada tipo de suelo. Los investigadores las utilizan para comprender y predecir el destino del agua en un suelo concreto en unas condiciones de humedad específicas. Las curvas de liberación de humedad responden a preguntas críticas como: ¿a qué contenido de humedad se marchitará permanentemente el suelo? ¿Durante cuánto tiempo debo regar? ¿O el agua se drenará rápidamente por el suelo 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.
Existe una relación entre el potencial hídrico y el contenido volumétrico de agua que puede ilustrarse mediante un gráfico. Juntos, estos datos crean una curva denominada curva de liberación de humedad del suelo. La forma de una curva de liberación de humedad del suelo es única para cada suelo. Se ve afectada por muchas variables, como la textura del suelo, la densidad aparente, la cantidad de materia orgánica y la composición real de la estructura porosa, y estas variables difieren de un lugar a otro y de un suelo a otro.
La figura 1 muestra ejemplos de curvas para tres suelos diferentes. En el eje X aparece el potencial hídrico en escala logarítmica, y en el eje Y, el contenido volumétrico de agua. Esta relación entre el contenido de agua del suelo y el potencial hídrico (o succión del suelo) permite a los investigadores comprender y predecir la disponibilidad y el movimiento del agua en un tipo de suelo concreto. Por ejemplo, en la Figura 1, se puede ver que el punto de marchitamiento permanente (línea vertical derecha) se producirá con diferentes contenidos de agua para cada tipo de suelo. El suelo franco arenoso fino experimentará un marchitamiento permanente al 5% VWC, mientras que el suelo franco limoso experimentará un marchitamiento permanente a casi el 15% VWC.
Para entender las curvas de liberación de humedad del suelo, es necesario explicar las propiedades extensivas frente a las intensivas. La mayoría de la gente considera la humedad del suelo sólo en términos de una variable: el contenido de agua del suelo. Pero se necesitan dos tipos de variables para describir el estado de la materia o la energía en el medio ambiente. Una variable extensiva describe la extensión (o cantidad) de materia o energía. Y la variable intensiva describe la intensidad (o calidad) de la materia o la energía.
| Variable extensiva | Intensivo Variable |
|---|---|
| Volumen | Densidad |
| Contenido en agua | Potencial hídrico |
| Contenido en calor | Temperatura |
El contenido de agua del suelo es una variable extensiva. Describe la cantidad de agua que hay en el medio ambiente. El potencial hídrico del suelo es una variable intensiva. Describe la intensidad o la calidad (y en la mayoría de los casos la disponibilidad) del agua en el medio ambiente. Para entender cómo funciona esto, piense en las variables extensivas frente a las intensivas en términos de calor. El contenido de calor (una variable extensiva) describe la cantidad de calor almacenado en una habitación. La temperatura (una variable intensiva) describe la calidad (nivel de confort) o cómo percibe el cuerpo el calor de esa habitación.
La figura 2 muestra un gran barco en el ártico frente a un bólido que se acaba de calentar en una hoguera. ¿Cuál de estos dos objetos tiene un mayor contenido de calor? Curiosamente, el barco en el Ártico tiene un mayor contenido de calor que la varilla caliente, pero es la varilla la que tiene una temperatura más alta.
Si ponemos la varilla caliente en contacto con el barco, ¿qué variable rige cómo fluirá la energía? La variable intensiva, la temperatura, rige cómo se moverá la energía. El calor siempre se desplaza de una temperatura alta a una temperatura baja.
Al igual que el calor, el contenido de agua del suelo es sólo una cantidad. No nos dirá cómo se va a mover el agua ni el nivel de confort de una planta (agua disponible para la planta). Pero el potencial hídrico del suelo, la variable intensiva, predice la disponibilidad y el movimiento del agua. ¿Cómo?
Agua disponible de la planta: Las mediciones del potencial hídrico indican claramente el agua disponible de la planta y, a diferencia del contenido de agua, existe una escala de referencia fácil: el óptimo de la planta va 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.
Movimiento del agua: El agua del suelo siempre se mueve de un potencial hídrico alto a un potencial hídrico bajo. Por ejemplo, si el potencial hídrico de un suelo fuera de -50 kPa, el agua se desplazaría hacia la capa de suelo con un potencial hídrico más negativo de -100 kPa.
Esto también se aproxima a lo que ocurre en el continuo planta-suelo-atmósfera. En la figura 4, el suelo está a -0,3 MPa y las raíces están 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 a través de este gradiente de potencial. La atmósfera, a -100 MPa, es la que impulsa este gradiente. Así pues, el potencial hídrico define en qué dirección se moverá el agua en el sistema.
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Las curvas de liberación de humedad del suelo pueden realizarse in situ o en el laboratorio. En el campo, el contenido de agua y el potencial hídrico del suelo se controlan mediante sensores de suelo.
Los sensores dieléctricos fáciles y fiables de METER informan de los datos de humedad del suelo casi en tiempo real directamente a través del registrador de datosZL6 a la página cloud (ZENTRA Cloud). Esto ahorra una enorme cantidad de trabajo y gastos. El TEROS 12 mide el contenido de agua y es fácil de instalar con la herramienta de instalación de sondeos TEROS . El TEROS 21 es un sensor de potencial hídrico de campo fácil de instalar, y el TEROS 32 es un tensiómetro de bajo mantenimiento que también mide el potencial hídrico.
En el laboratorio, puede combinar METER's HYPROP y WP4C para generar automáticamente curvas completas de liberación de humedad del suelo en todo el rango de humedad del suelo.
Compare las curvas de liberación de humedad en laboratorio e in situ
Una curva de liberación de humedad del suelo une la variable extensiva del contenido volumétrico de agua con la variable intensiva del potencial hídrico. La representación gráfica conjunta de las variables extensiva e intensiva permite a los investigadores y regantes responder a preguntas críticas, como hacia dónde se desplazará el agua del suelo. Por ejemplo, en la Figura 5, si los tres suelos de abajo fueran diferentes capas de horizontes de suelo con un contenido de agua del 15%, el agua de la arena fina limosa empezaría a desplazarse hacia la capa de arena fina limosa porque tiene un potencial hídrico más negativo.
Una curva de liberación de humedad del suelo también puede utilizarse para tomar decisiones sobre el riego, como cuándo abrir el grifo y cuándo cerrarlo. Para ello, los investigadores o regantes deben conocer tanto el contenido volumétrico de agua (VWC) como el potencial hídrico. El VWC indica al agricultor la cantidad de riego que debe aplicar. Y el potencial hídrico muestra la disponibilidad de agua para los cultivos y cuándo dejar de regar. Así es como funciona.
La figura 6 muestra curvas típicas de liberación de humedad para un suelo franco arenoso, un suelo franco limoso y un suelo arcilloso. A -100 kPa, el contenido de agua del suelo arenoso es inferior al 10%. Pero en el suelo franco limoso, es aproximadamente del 25%, y en el suelo arcilloso, se acerca al 40%. La capacidad de campo suele estar entre -10 y -30 kPa. Y el punto de marchitamiento permanente es de alrededor de -1500 kPa. Un suelo más seco que este punto de marchitamiento permanente no suministraría agua a una planta. Y el agua de un suelo más húmedo que la capacidad de campo se drenaría del suelo. Un investigador o regante puede consultar estas curvas y ver cuál sería el nivel óptimo de contenido de agua para cada tipo de suelo.
La figura 7 es la misma curva de liberación de humedad que muestra el intervalo de capacidad de campo (líneas verticales verdes), el límite inferior establecido normalmente para un cultivo de regadío (amarillo) y el punto de marchitamiento permanente (rojo). Utilizando estas curvas, un investigador/regante puede ver que el potencial hídrico del suelo limoso debe mantenerse entre -10 y -50 kPa. Y el contenido de agua que corresponde a esos potenciales hídricos indica al regante que los niveles de contenido de agua de la marga limosa deben mantenerse aproximadamente en el 32% (0,32 m3/m3). Los sensores de humedad del suelo pueden alertarle cuando se sitúe por encima o por debajo de ese límite óptimo.
Una vez obtenida la información de una curva de liberación, el registrador de datosZL6 de METER y ZENTRA Cloud simplifican el proceso de mantenimiento de un nivel de humedad óptimo. Los límites superior e inferior pueden establecerse en ZENTRA cloud , y aparecen como una banda sombreada superpuesta a los datos de humedad del suelo casi en tiempo real (sombreado azul), lo que facilita saber cuándo hay que activar y desactivar el agua. Incluso se envían avisos automáticos cuando esos límites se aproximan o se superan.
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Hace 15-20 años, se tardaba meses en obtener una curva completa y detallada de liberación de humedad del suelo en el laboratorio, pero hemos avanzado mucho desde entonces. ¿Por qué?
Las curvas de liberación de humedad siempre han tenido dos zonas débiles: un intervalo de datos limitados entre 0 y -100 kPa y un vacío entre -100 kPa y -1000 kPa en el que ningún instrumento podía realizar mediciones precisas. Entre 0 y -100 kPa, el suelo pierde la mitad o más de su contenido de agua. El uso de placas de presión para crear puntos de datos para esta sección de una curva de liberación de humedad significaba que la curva se basaba en sólo cinco puntos de datos.
Y luego está la diferencia. Las lecturas más bajas del tensiómetro se cortaban en -0,085 MPa, mientras que históricamente el rango más alto del medidor de potencial hídrico WP4 apenas llegaba a -1 MPa. Eso dejaba un hueco en la curva justo en medio del rango disponible para la planta.
En 2008, METER Group AG de Alemania lanzó el HYPROP, un instrumento capaz de producir más de 100 puntos de datos en el rango de 0 a -0,1 MPa. Esto resolvió el problema de la resolución con más de 20 veces los datos detrás de esa sección de la curva.
En 2010, METER Group lanzó el medidor de potencial hídrico rediseñado WP4C . Gracias a las mejoras significativas en la precisión y el alcance, el WP4C ahora puede realizar buenas lecturas hasta el rango del tensiómetro. El uso de HYPROP con el rediseñado WP4Cun experimentador experto puede ahora realizar curvas de liberación de humedad completas y de alta resolución. Para obtener información detallada sobre cómo realizar curvas completas de liberación de humedad del suelo en el laboratorio, consulte nuestra Guía de la aplicación de curvas de liberación de humedad.
La colocación de sensores de potencial hídrico y sensores de humedad del suelo in situ añade muchas más curvas de liberación de humedad a la base de conocimientos de un investigador. Y, puesto que lo que más preocupa a los ingenieros geotécnicos y a los científicos especializados en irrigación es el comportamiento in situ de los suelos no saturados, sería ideal añadir mediciones in situ a las curvas obtenidas en laboratorio.
En el seminario web que se muestra a continuación, el Dr. Colin Campbell, científico investigador de METER, resume una ponencia reciente presentada en la Conferencia Panamericana de Suelos no Saturados. La ponencia, "Comparing in situ soil water characteristic curves to those generated in the lab" (Comparación de las curvas características del agua del suelo in situ con las generadas en el laboratorio) de Campbell et al. (2018), ilustra lo bien que se comparan las SWCC generadas in situ utilizando el sensor de potencial mátrico calibrado TEROS 21 y los sensores de contenido de agua METER con las creadas en el laboratorio.
Las curvas de liberación de humedad del suelo pueden proporcionar más información que la que se ofrece en este artículo. Los investigadores las utilizan para comprender muchas cuestiones, como la capacidad de contracción-hundimiento del suelo, la capacidad de intercambio catiónico o la superficie específica del suelo. En el siguiente vídeo, el experto en humedad del suelo Leo Rivera ofrece información más detallada sobre cómo utilizar una curva de liberación de humedad para analizar comportamientos individuales del suelo con respecto al agua.
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TDR, FDR, capacitancia, resistencia: Comparación de los métodos habituales de detección de la humedad del suelo, sus ventajas e inconvenientes y sus aplicaciones específicas.
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